齒輪托架的精密鍛造成形及數(shù)值模擬

文/馬雪飛，郭鋼成·天津平高智能電氣有限公司

陳磊·平高集團有限公司

齒輪托架的精密鍛造成形及數(shù)值模擬

文/馬雪飛，郭鋼成·天津平高智能電氣有限公司

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本文分析了齒輪托架鍛造成形的特點，對傳統(tǒng)鍛造工藝進行改進，制定熱鍛和冷精整相結(jié)合的反向擠壓新工藝?；贒EFORM-3D軟件，應(yīng)用剛塑性有限元算法對齒輪托架精密鍛造成形新工藝進行數(shù)值模擬，得到鍛造過程中材料的流動狀態(tài)和等效應(yīng)變分布規(guī)律。

齒輪傳動作為動力傳動的主體，在21世紀的成套機械裝置中仍然是重要的基本部件。它具有恒功率輸出、實用可靠、效率高、生產(chǎn)技術(shù)成熟等優(yōu)點，因此在傳遞動力，尤其是較大動力為主的場合，仍然具有不可取代的地位。

本次研究采用德國制造工業(yè)標準協(xié)會基于工業(yè)實踐的試驗零件，其形狀如圖1所示。該零件形狀比較復(fù)雜，托架尖部只有2.8mm寬，高度26.8mm，比較細小，金屬塑性成形時型腔較難填充滿。

圖1 齒輪托架零件圖

齒輪托架的精密鍛造工藝

該零件早期采用鑄造工藝，生產(chǎn)出的齒輪托架存在縮孔、疏松、偏析等缺陷，嚴重影響齒輪托架的機械性能，不能滿足其性能要求。根據(jù)零件形狀，采用塑性成形時材料由中間向四周流動，最后填充六個架爪部位。傳統(tǒng)的齒輪托架鍛造工藝為：下料→加熱→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→切邊，該工藝工序復(fù)雜，材料利用率低且預(yù)鍛型腔和終鍛型腔較難配合，在終鍛時容易出現(xiàn)折疊和型腔填充不滿。

改進后的齒輪托架精密鍛造工藝為：下料→加熱→鐓粗→反擠壓成形→熱切邊→余溫正火→磷化皂化處理→冷精整。反擠壓成形時采用異形沖頭，如圖2（a）所示。塑性成形時，隨著沖頭的下壓材料被異形沖頭的六個凸臺分成六份，繼續(xù)下壓后材料受阻于凹模內(nèi)壁，轉(zhuǎn)而向與沖頭運動相反的方向流動，填充六個架爪。由于下料體積尺寸的誤差、模具的加工精度、毛坯溫度和模具溫度的波動等種種因素的影響，很難保證下料體積與模具型腔體積相同，因此在凹模的凹形邊部加設(shè)1mm深的溢流腔，可以抑制鍛造結(jié)束時變形抗力的無限增大，提高了模具壽命。利用鍛后余熱進行等溫正火，可省去一次退火加熱，降低了能耗和生產(chǎn)成本。

圖2 反擠壓異形模具

齒輪托架精密鍛造的數(shù)值模擬

本文采用DEFORM-3D軟件，對齒輪托架的精密成形過程進行模擬。根據(jù)零件的對稱性，取毛坯的1/12做模擬計算，齒輪托架材料為15鋼，鍛造溫度為1230℃，模具與坯料的摩擦系數(shù)設(shè)為0.3。齒輪托架的變形過程，如圖3所示。坯料鐓粗后，被異形沖頭的六個凸臺分成六份，沖頭繼續(xù)下壓，材料受阻于凹模內(nèi)壁，向上流動填充齒輪托架的架爪部位，由于凹腔底部設(shè)有1mm深的溢流腔，因此架爪尖部不夠平整，在冷精整后可達到要求。圖4為終鍛時的應(yīng)變分布，圖5為終鍛時的應(yīng)力分布。由圖4和圖5可知終鍛時應(yīng)變和應(yīng)力的最大值分別分布在齒輪托架的架爪的側(cè)面和頂部，這說明齒輪托架在成形時六個架爪部分極難填充，在加工模具時，要提高模具型腔精度，利于架爪部分的填充。

圖3 齒輪托架的變形過程

圖4 終鍛時的應(yīng)變分布

圖5 終鍛時的應(yīng)力分布

結(jié)束語

通過DEFORM-3D軟件對齒輪托架精密鍛造成形過程的模擬，得到了材料的填充規(guī)律、應(yīng)力和應(yīng)變的分布狀態(tài)，成形后架爪填充飽滿，無折疊等缺陷。采用精密鍛造技術(shù)既能提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能提高材料利用率，縮短成品周期，經(jīng)濟效益顯著。