基于數(shù)值模擬的多楔帶輪的內(nèi)筒端面瓣齒成形模具設(shè)計(jì)

文/吳超，解貴華·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

周敏，嚴(yán)軍·南通福樂達(dá)汽車配件有限公司

端面齒嚙合傳動(dòng)是將兩個(gè)軸連接在一起，其特征在于錐形齒在每個(gè)半軸的端面上嚙合在一起，最先應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜曲軸零件，通過齒面嚙合連接的方式，輸出來自中央驅(qū)動(dòng)齒輪的扭矩，由此把具有非常高扭矩負(fù)荷轉(zhuǎn)移到曲軸外殼。常見端面齒聯(lián)軸器的齒形結(jié)構(gòu)多設(shè)計(jì)成60°或90°錐形，通過所有齒端面嚙合在一起，由于該種接頭方式是自定心的，扭矩傳動(dòng)過程中不發(fā)生延遲，故端面齒嚙合接頭被用于非常高轉(zhuǎn)速的渦輪機(jī)，扭矩輸出端一側(cè)多連接鋼制軸結(jié)構(gòu)、齒盤、機(jī)械轉(zhuǎn)子、皮帶輪以及曲柄等配套零件。與齒輪傳動(dòng)不同，端面齒嚙合傳動(dòng)的關(guān)鍵特征是接連處的受力面是錐形齒面，故只需螺栓固定或通過對(duì)外部殼體施加彈簧壓力來施加一個(gè)軸向載荷，使齒面嚙合結(jié)構(gòu)收緊，從而不會(huì)產(chǎn)生反彈，這種不反彈也減少了磨損，且當(dāng)出現(xiàn)微磨損導(dǎo)致松動(dòng)時(shí)，為避免跳齒，可通過擰緊固定螺栓等方式達(dá)到恢復(fù)齒面嚙合緊度。當(dāng)力矩達(dá)到15000kN·m時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無磨損傳遞。

帶端面瓣齒結(jié)構(gòu)的多楔帶輪多用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)中，其工作原理與端面齒聯(lián)軸器相似，而瓣齒結(jié)構(gòu)不同于錐形齒形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，該類齒形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不同于以往的的車削成形，多采用閉式模鍛通過一次沖壓成形，由于傳動(dòng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性要求較為嚴(yán)格，故對(duì)端面瓣齒結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量和尺寸精度提出很高的要求。

圖1 帶端面瓣齒的多楔帶輪零件

零件工藝分析

本次以發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的某多楔帶輪為研究對(duì)象，其主要特征是包括內(nèi)筒端面瓣齒、外壁多楔齒、腹板三部分，具有端面瓣齒多楔帶輪的三維零件圖如圖1所示，采用閉式模鍛一次成形內(nèi)筒端面瓣齒的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于實(shí)際生產(chǎn)過程中存在成形噸位過大且端面瓣齒表面質(zhì)量差等缺陷，工藝過程要求內(nèi)筒端面瓣齒成形載荷控制在600kN左右，內(nèi)筒端面瓣齒結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。本次主要研究?jī)?nèi)容：針對(duì)零件局部結(jié)構(gòu)成形的特殊性，設(shè)計(jì)成形模具并根據(jù)成形結(jié)果進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證端面瓣齒結(jié)構(gòu)成形飽滿和成形質(zhì)量滿足要求。

根據(jù)該零件整體結(jié)構(gòu)尺寸和端面瓣齒結(jié)構(gòu)的成形尺寸要求，選擇厚度為4.5mm的板坯按體積不變?cè)瓌t落料，經(jīng)幾道次的沖壓成形得到端面瓣齒成形前的沖壓預(yù)制坯，預(yù)制坯結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3所示。

圖2 內(nèi)筒端面瓣齒結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 沖鍛預(yù)制坯結(jié)構(gòu)尺寸

有限元模型建立

根據(jù)零件內(nèi)筒端面瓣齒多楔帶輪零件的結(jié)構(gòu)特征和成形工藝選擇，設(shè)計(jì)成形模具，通過固定模將坯料自由端通過鎖模力固定在下模座上，由于瓣齒結(jié)構(gòu)成形力較大，為了避免板坯外緣發(fā)生翹曲，模擬過程將鎖模力定為500t，上模與坯料接觸區(qū)域?yàn)椴牧现饕冃螀^(qū)，上模的運(yùn)動(dòng)速度為50mm/s，成形過程為冷成形，摩擦系數(shù)設(shè)為0.12，采用Deform-3D軟件的網(wǎng)格局部細(xì)化功能，能有效模擬出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬成形過程以及變形區(qū)金屬流動(dòng)情況，有限元模擬模型如圖4所示。坯料選用材料庫(kù)Steel中的AISI-1008，坯料總網(wǎng)格數(shù)為200000個(gè)，并對(duì)變形區(qū)坯料進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化（圖5）。

圖4 模擬

圖5 坯料局部網(wǎng)格細(xì)化示意圖

模擬結(jié)果分析

根據(jù)Deform-3D有限元仿真軟件，得到內(nèi)筒端面瓣齒的成形結(jié)果，通過對(duì)成形過程中不同階段點(diǎn)接觸情況分析可得，成形過程中上模與預(yù)制坯內(nèi)筒端面材料均勻接觸，如圖6(b）所示，接觸點(diǎn)分布情況與瓣齒結(jié)構(gòu)一致。

圖6 成形過程點(diǎn)接觸情況

根據(jù)內(nèi)筒端面瓣齒成形過程中的等效應(yīng)變?cè)茍D可知，成形過程中，上模瓣齒成形結(jié)構(gòu)面與坯料接觸過程中的材料應(yīng)變相對(duì)較小，當(dāng)上模與預(yù)制坯內(nèi)筒端面近乎完全接觸時(shí)，隨著成形力的增加，相對(duì)難成形區(qū)的結(jié)構(gòu)逐漸成形，瓣齒前端和末端處對(duì)應(yīng)上模端面兩側(cè)，在變形后期，材料累積應(yīng)變較大，如圖7(c）所示。

圖7 端面瓣齒成形應(yīng)變分布圖

內(nèi)筒端面瓣齒的成形結(jié)果如圖8所示，瓣齒成形較為清晰，對(duì)該結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測(cè)量，齒深度為1.67mm滿足要求，但零件表面存在毛刺，毛刺分布位置為瓣齒的前后兩端，因?yàn)閳D9所示的成形載荷曲線存在一段陡增，且成形力最大為652t，故該組模擬結(jié)果存在可優(yōu)化空間。

圖8 端面瓣齒成形結(jié)果

圖9 成形過程載荷分布曲線

圖10 下模成形面

圖11 端面瓣齒模擬優(yōu)化結(jié)果

圖12 優(yōu)化后的成形過程載荷分布曲線

成形結(jié)果優(yōu)化

端面瓣齒的成形過程中對(duì)于材料流動(dòng)的控制最為關(guān)鍵，材料流動(dòng)較好則瓣齒成形清晰，反之，則端面瓣齒成形不足且有毛刺，最初設(shè)計(jì)的下模成形面為平面結(jié)構(gòu)，由于瓣齒結(jié)構(gòu)的內(nèi)密外疏的分布特征，內(nèi)側(cè)金屬流動(dòng)貼合上模結(jié)構(gòu)較為困難，若該處結(jié)構(gòu)材料流動(dòng)受阻，會(huì)伴隨著成形載荷的上升，所以根據(jù)實(shí)際情況將下模成形面設(shè)計(jì)成帶斜度的結(jié)構(gòu)，在其他參數(shù)一致情況下，設(shè)計(jì)兩組成形模擬，其傾角分別為1°和1.5°的斜面。

優(yōu)化后的兩組內(nèi)筒端面瓣齒的成形結(jié)果如圖11所示，齒形清晰，尺寸合格，但后期需要對(duì)瓣齒成形另一側(cè)進(jìn)行車削得到合格平面。以上兩組的成形載荷較第一組下降明顯，零件成形載荷最大值為393t，故針對(duì)這類端面瓣齒結(jié)構(gòu)的曲軸帶輪成形，1.5°的下模成形面傾角較好。后期根據(jù)模擬結(jié)果加工模具，對(duì)零件進(jìn)行試制，其成形結(jié)果與模擬結(jié)果較為吻合，零件實(shí)物如圖13所示。

圖13 端面瓣齒成形

結(jié)論

⑴對(duì)于具體零件局部結(jié)構(gòu)的一道次成形，可采用閉式模鍛，其成形效果較好且效率更高。

⑵模具的設(shè)計(jì)需考慮零件結(jié)構(gòu)的特殊性，合理設(shè)計(jì)模具，一定程度上能較好的提高零件的成形質(zhì)量。

⑶結(jié)合有限元模擬軟件對(duì)成形過程進(jìn)行仿真，并根據(jù)成形結(jié)果合理的進(jìn)行模具優(yōu)化，可更好的實(shí)現(xiàn)具體零件的成形。