基于正交方案的閉擠式精沖直齒輪工藝參數(shù)優(yōu)化

鄧 明，馬一龍，劉潞周，呂 琳，袁 秋

(重慶理工大學，重慶 400054)

直齒圓柱齒輪生產(chǎn)大多采用傳統(tǒng)的切削加工方法，材料利用率低且產(chǎn)品成本高。閉擠式精沖是在精沖和擠壓基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型精沖工藝［1］。與傳統(tǒng)的切削加工工藝相比，采用閉擠式精沖工藝成形直齒圓柱齒輪具有節(jié)省材料、減少能耗、提高效率等顯著優(yōu)勢。

本文采用DEFORM－3D軟件，以小模數(shù)直齒輪為研究對象(見圖1)，對厚度為8 mm的35鋼板進行閉擠式精沖模擬。分析和比較了凹模型腔錐面傾斜角度，主凹模圓角半徑，反頂力，凸、凹模間隙對齒面光亮帶比例的影響，并結(jié)合物理試驗得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)［2－4］。

圖1 齒輪件三維圖

1 有限元模型與正交試驗設計

1.1 有限元模型

運用DERORM－3D有限元軟件對閉擠式精沖直齒輪過程進行數(shù)值模擬。有限元模型如圖2所示。板料為35#鋼，厚度為8 mm，齒輪模數(shù)為1.5。坯料設為彈塑性材料，凸模、主凹模、副凹模、反頂板設為剛性體。劃分了60000個矩形單元網(wǎng)格，對塑性變形較大的凸、凹模間隙附近的材料進行網(wǎng)格局部細化，從內(nèi)到外細化比例因子為0.1∶0.3∶1.0。表 1 為有限元模擬基本參數(shù)。圖 2為有限元模型。

表1 有限元模擬基本參數(shù)

圖2 有限元模型

Brozzo斷裂準則能比較精確地模擬閉擠式精沖過程［5］。考慮靜水應力對斷裂的影響，本文選用 Brozzo 斷裂準則模擬精沖過程［6－9］，其表達式為

式中:σm為靜水應力;σ*為最大主應力為等效應變?yōu)閿嗔寻l(fā)生時的總塑性應變;c為材料抗韌性斷裂的臨界值，取0.2。

1.2 正交試驗設計

利用正交試驗方法進行有限元模擬試驗設計。模擬的中凸、凹模間隙，主凹模圓角半徑，反頂力和主、副凹模型腔傾斜角度分別選用4個水平，精沖齒面的光亮帶比例被設為試驗指標。凹模型腔錐面傾斜角度θ，主凹模圓角半徑Rd，反頂力Fr，凸、凹模間隙t與其各自水平對應的實際大小如表2所示。

表2 正交試驗因素與水平安排

試驗采用四因素四水平的正交設計，選取L16(44)正交表，其正交設計試驗方案及試驗結(jié)果如表3所示。

表3 有限元模擬的L16(44)正交試驗方案及結(jié)果

續(xù)表

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬結(jié)果的方差分析

對于各個影響因素來說，F(xiàn)值越大，則該列因素在試驗范圍內(nèi)的變化會導致試驗指標出現(xiàn)更大的變化。表4為試驗模擬結(jié)果方差分析。

表4 試驗模擬結(jié)果方差分析

從表3可以看出，各工藝參數(shù)對試驗指標的影響程度為:凸凹模間隙﹥凹模圓角半徑﹥反頂力﹥主、副凹模型腔傾斜角度。試驗指標為齒面光亮帶比例，越大越好。在不考慮交互作用的情況下，優(yōu)化方案應取各因素最大K值所對應的水平，即為A2B4C4D1。從表4可以看出:凸、凹模間隙t對齒面光亮帶比例有顯著影響。

2.2 凸、凹模間隙，凹模圓角半徑，反頂力，主、副凹模型腔傾斜角度對光亮帶比例的影響

從圖3可以看出:凸、凹模間隙，主凹模圓角半徑和反頂力對直齒輪齒面光亮帶比例的響應表現(xiàn)顯著，凹模型腔錐面傾斜角度對齒面光亮帶比例的響應不顯著。對比其他3個參數(shù)，當反頂力為24和32 kN時，其光亮帶比例的增加相對趨緩。在實際生產(chǎn)中，需要對零件表面質(zhì)量要求進行穩(wěn)定的控制，因此增加反頂力是一種比較有效的方法。但反頂力并不是越大越好，在增大反頂力的同時也增加了工作腔的壓力。當工藝參數(shù)選取不合適時，坯料將表現(xiàn)出極大的變形抗力，給模具壽命帶來嚴重威脅。

圖3中每條直線在不同區(qū)間的斜率不一樣，主凹模圓角半徑和反頂力對齒面光亮帶比例的影響趨勢是隨著參數(shù)本身的增加而單調(diào)增加，這與凸、凹模間隙的影響相反，表明凸、凹模間隙與主凹模圓角半徑和反頂力之間存在交互作用。

圖3 角度、半徑、反頂力及間隙對直齒輪齒面光亮帶比例的影響

2.3 外環(huán)填充率對直齒輪齒面的影響

圖4是外環(huán)填充率對直齒輪齒面光亮帶的影響。從圖4可以看出，齒面光亮帶比例隨著外環(huán)填充率的增加而增大。這是因為外環(huán)填充率越大，變形區(qū)材料所受的三向壓應力越大。靜水壓應力可以有效地抑制裂紋的產(chǎn)生和擴展，使變形區(qū)材料塑性得以充分發(fā)揮，因而能夠精沖出高質(zhì)量的齒輪齒面。

2.4 試驗驗證

圖5是利用齒面光亮帶為質(zhì)量指標，使用優(yōu)化參數(shù)得到的模擬結(jié)果和物理試驗結(jié)果進行比對。結(jié)果表明:通過有限元模擬得出的直齒輪齒面光亮帶比例為93.4%，試驗試件的實際光亮帶比例為96.7%，模擬值和實際值誤差為3.3%。通過物理試驗，證實采用優(yōu)化參數(shù)后的閉擠式精沖工藝能夠顯著提高直齒輪齒面的光亮帶比例。

圖4 外環(huán)填充率對直齒輪齒面光亮帶的影響

圖5 采用優(yōu)化參數(shù)模擬結(jié)果和試驗直齒輪試件齒面質(zhì)量比對

圖6是在不同填充率情況下加工的試件。從圖6可以看出:填充率越大，直齒輪齒面光亮帶比例越高，且齒輪成形質(zhì)量越好。

圖6 不同填充率下的直齒輪試件

3 結(jié)論

1)凸、凹模間隙，主凹模圓角半徑和反頂力對小模數(shù)直齒輪齒面光亮帶有顯著的影響，凹模型腔錐面傾斜角度對齒面光亮帶幾乎沒有影響。

2)凸、凹模間隙對小模數(shù)直齒輪零件齒面光亮帶的影響程度要大于其他影響因數(shù)，影響程度從大到小依次為:凸、凹模間隙﹥凹模圓角半徑﹥反頂力﹥主、副凹模型腔傾斜角度。

3)坯料填充率越大，直齒輪齒面光亮帶比例越大，且齒面光潔度越好。

［1］鄧明，陳明明，呂琳，等.閉擠式精沖成形材料流動及變形區(qū)顯微狀態(tài)分析［J］.精密成形工程，2010(1):57－60.

［2］鄧明.面向21世紀的精沖成形技術(shù)［J］.重慶工學院學報，2001(5):65－67.

［3］鄧明，張會杰，呂琳，等.閉擠式精沖工藝及其成形規(guī)律［J］.鍛壓技術(shù)，2009(6):43－46.

［4］鄧明，呂琳，王正立.基于正交方案的閉擠式精沖工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.鍛壓技術(shù)，2012，36(6):107 －109.

［5］鄧明，王正立，呂琳.閉擠式精沖變形區(qū)應力狀態(tài)對斷裂損傷的影響［J］.塑性工程學報，2011，18(1):67－71.

［6］Hambli R.Finite element simulation of fine blanking process using a pressure-dependent damage model［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，116(23):252－264.

［7］Kwak T S，Kim Y J，Bae W B.Finite element analysis on the effect of die clearance on shear planes in fine blanking［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，130 －131:70 －75.

［8］Samuel M.FEM simulation and experiment analysis of parameters of influence in the blanking process［J］.Journal of Materials Processing Technology，1998，84(1):97－106.

［9］Klocke F，Sweeney K.Improved tool design for fine blanking through the application of numerical modeling techniques［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，115(1):70 －75.