直齒圓柱齒輪冷精鍛成形數(shù)值模擬及優(yōu)化

陳昶

摘 要：采用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)直齒圓柱齒輪的單終鍛工步無(wú)飛邊模鍛工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了成形過(guò)程和模具載荷。提出孔分流法改進(jìn)工藝，即對(duì)毛坯加工中心孔，改進(jìn)后工藝降低了模具所受載荷，有利于減少能源的消耗，增加模具的使用壽命，同時(shí)提升了材料的利用率。

關(guān)鍵詞：直齒圓柱齒輪；冷精鍛；數(shù)值模擬；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TG316 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）20-0111-03

Abstract： DEFORM-3D finite element software was used to simulate the single end forging process of spur gear， and the forming process and die load were analyzed. This paper puts forward the improved technology of hole shunt method， that is， the improved process can reduce the load on the mould， reduce the energy consumption， increase the service life of the mould， and improve the utilization ratio of the material after the improvement of the blank machining center hole.

Keywords： spur gear； cold precision forging； numerical simulation； optimization

引言

直齒圓柱齒輪作為一種重要的傳遞力和運(yùn)動(dòng)的元件，在汽車(chē)、船舶、航空、軍工以及儀器儀表等行業(yè)有著極為廣泛的應(yīng)用[1]。常用的齒輪加工方法有銑齒、磨齒、插齒、剃齒和滾齒等等，這類切削加工方法生產(chǎn)的齒輪雖然精度較高，但是存在效率及材料利用率較低等問(wèn)題，并且由于金屬流線在切削加工過(guò)程中被切斷以及產(chǎn)生殘余應(yīng)力等因素，通常需要通過(guò)大量后續(xù)熱處理來(lái)提高強(qiáng)度和消除應(yīng)力，因此部分齒輪的切削加工已經(jīng)逐漸被其他方法所替代[2]。

上世紀(jì)五十年代，由于沒(méi)有足夠的切削加工機(jī)床，德國(guó)人開(kāi)始研究使用精密鍛造的方法生產(chǎn)錐齒輪并獲得了成功，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，精鍛工藝已經(jīng)應(yīng)用到了直齒輪、斜齒輪、人字齒輪等絕大部分同類零件的生產(chǎn)[3]。根據(jù)鍛造溫度的不同，精鍛分為冷精鍛、溫精鍛和熱精鍛，冷精鍛加工的制件金屬流線完整，沒(méi)有再結(jié)晶過(guò)程抵消所產(chǎn)生的加工硬化，因此強(qiáng)度較高，此外，冷精鍛是在室溫下進(jìn)行，不存在氧化、過(guò)熱、脫碳、熱脹冷縮等缺陷，鍛件精度和材料利用率高，表面粗糙度低，所以在精鍛齒輪領(lǐng)域應(yīng)用尤為普遍[4-7]。

某型號(hào)直齒圓柱齒輪為批量生產(chǎn)的定制機(jī)械關(guān)鍵零件，本文通過(guò)DEFORM-3D有限元軟件，在傳統(tǒng)封閉式無(wú)飛邊冷精鍛的基礎(chǔ)上提出了孔分流法降壓的改進(jìn)工藝，在保證零件成形完整和較高的材料利用率的前提下，有效的降低了模具載荷，提高了模具的使用壽命。

1 初始工藝方案的提出

齒輪零件參數(shù)如表1所示，零件圖如圖1所示。該齒輪采用20CrMnMo制造，為典型的盤(pán)餅類零件，只需采用單終鍛工步無(wú)飛邊模鍛成形，軸孔及鍵槽由少量后續(xù)切削加工獲得。

初步采用傳統(tǒng)的全封閉無(wú)飛邊模鍛方法，其三維模型見(jiàn)圖2。坯料采用齒根圓定位方式，通過(guò)PRO/E測(cè)的鍛件體積為138648mm3，因此采用坯料尺寸為Φ82.5×26mm。

2 數(shù)值模擬分析

由于該零件具有對(duì)稱性，為了提高計(jì)算效率，取1/10個(gè)模型進(jìn)行分析。毛坯選用DEFORM-3D材料庫(kù)中與20CrMnMo相對(duì)應(yīng)的AISI-4120，采用絕對(duì)網(wǎng)格劃分法，并對(duì)坯料外緣形成齒形部分進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化處理，定義模具為剛性，摩擦系數(shù)選擇剪切摩擦模型中的硬質(zhì)合金冷成形通用值0.08，視凸模為主模具，下壓速度10mm·s-1，設(shè)置步長(zhǎng)為0.15mm，約等于最小網(wǎng)格尺寸的1/3，忽略溫度效應(yīng)[8]，對(duì)初始鍛造工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3為初始工藝方案下鍛件的成形過(guò)程及時(shí)間-載荷曲線。

（a）成形第一階段；（b）成形第二階段；（c）時(shí)間-載荷曲線

圖3 初始工藝方案下鍛件的成形過(guò)程及時(shí)間-載荷曲線

由圖可知鍛件成形分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為鐓粗階段，從坯料上表面與凸模接觸開(kāi)始到坯料鼓起側(cè)面與凹模型腔齒頂壁接觸結(jié)束。此階段，金屬的軸向尺寸減小，并且逐步沿徑向流入齒形型腔，變形程度相對(duì)較小，由于冷作硬化降低了坯料的塑性，因此模具所受載荷相應(yīng)有所增加。第二階段為充滿階段，從坯料鼓起側(cè)面與凹模型腔齒頂壁接觸開(kāi)始到上下模打靠且坯料填充滿整個(gè)型腔的角隙結(jié)束。此階段，變形金屬各部分處于不同的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，齒形部分坯料變形愈發(fā)劇烈，并且受模壁的限制逐步流向型腔角隙，并且由于模膛的封閉性，金屬無(wú)法流入模膛之外形成飛邊，從而使模壁受到的側(cè)向壓力顯著上升，直到模膛完全被充滿，模鍛過(guò)程結(jié)束，此時(shí)模具所受最大載荷為2400kN。

采用傳統(tǒng)的全封閉無(wú)飛邊模鍛工藝得到的鍛件充型完整，齒形飽滿，未見(jiàn)折疊、裂紋等明顯缺陷。由于零件的體積為134118mm3材料利用率為96.50%。較大的成形載荷導(dǎo)致能源消耗過(guò)高，模具壽命降低等問(wèn)題，增加了零件批量生產(chǎn)的成本。

3 工藝改進(jìn)及模擬分析

為了提高模具壽命，節(jié)約生產(chǎn)成本，需對(duì)初始鍛造工藝作出相應(yīng)改進(jìn)以降低成形壓力，常用的減壓工藝有孔分流法、軸分流法以及約束分流法等等[7]。孔分流法即在毛坯中心預(yù)留一定直徑的孔，使其在成形過(guò)程中具備更多自由流動(dòng)空間，孔分流法無(wú)需修改模具結(jié)構(gòu)，僅對(duì)毛坯進(jìn)行加工，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，故采用該方法改進(jìn)鍛造工藝。

在保證鍛件成形完整的前提下，毛坯體積應(yīng)盡量小以提高材料利用率，因此選用坯料尺寸為Φ82.5×Φ15×26.5mm。不改變參數(shù)，對(duì)孔分流法改進(jìn)工藝進(jìn)行模擬。

（a）成形第一階段；（b）成形第二階段；（c）時(shí)間-載荷曲線

圖4 改進(jìn)工藝方案下鍛件的成形過(guò)程及時(shí)間-載荷曲線

由圖可知，采用孔分流法改進(jìn)后的鍛造成形過(guò)程同樣分為兩個(gè)階段，與初始工藝一致。但由于中心分流孔的存在，會(huì)在環(huán)狀坯料徑向產(chǎn)生分流面，在凸模下壓的作用下，分流面以外的金屬向外流動(dòng)充型，分流面以內(nèi)的金屬向內(nèi)流動(dòng)，通過(guò)中心分流孔的收縮而實(shí)現(xiàn)減壓。鍛造終了時(shí)，中心分流孔趨于閉合，齒形充填完整，模具所受最大載荷為1710kN。

孔分流法減少了28.75%的模具載荷，可以在一定程度延長(zhǎng)模具使用壽命，降低能耗。同時(shí)改進(jìn)工藝的材料利用率增加到97.91%，節(jié)約了成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）傳統(tǒng)的全封閉無(wú)飛邊模鍛可以得到成形完整的直齒圓柱齒輪，但模具載荷高。（2）采用孔分流法工藝改進(jìn)工藝，可以在保證鍛件質(zhì)量的前提下降低載荷，提高能效，延長(zhǎng)模具使用壽命。（3）通過(guò)有限元數(shù)值模擬技術(shù)，可以分析鍛造中金屬的流動(dòng)規(guī)律、場(chǎng)量變化等過(guò)程，為實(shí)際的工藝制定及模具設(shè)計(jì)提供參考，從而縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

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