三聯(lián)齒輪鍛造成形數(shù)值模擬及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

文／周智慧，李旭東·江蘇飛船股份有限公司

彭銳，華?？?，解玄·江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院

采用傳統(tǒng)鍛造流程成形復(fù)雜鍛件時，模具結(jié)構(gòu)往往需要多次優(yōu)化才能達到使用要求，既費時又費力，影響企業(yè)生產(chǎn)。但通過三維設(shè)計軟件和有限元分析軟件結(jié)合的方式可大大改善此情況。本文以重卡用三聯(lián)齒輪為研究對象，采用“一火兩鍛”工藝成形，針對鍛造過程中終鍛件產(chǎn)生折疊缺陷進行了有限元模擬，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生缺陷的原因是預(yù)鍛件形狀設(shè)計不合理。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對預(yù)鍛件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而保證齒腔順利充填，避免了折疊缺陷產(chǎn)生，使鍛件達到使用要求。

齒輪是各種傳動機構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的零件之一，具有傳動平穩(wěn)、噪聲小、承載能力大等優(yōu)點，所以廣泛用于高速重載的場合，尤其是汽車行業(yè)。齒輪形狀復(fù)雜，材質(zhì)、尺寸精度、表面質(zhì)量及綜合機械性能均要求很高，傳統(tǒng)的加工方法是通過機械加工的方式得到需要的齒輪，為改進齒輪切削加工的缺點，用鍛造工藝快速生產(chǎn)高質(zhì)量的齒輪已成全球趨勢。目前，提高齒輪的成形質(zhì)量主要通過改善鍛造模具的結(jié)構(gòu)、鍛造工藝、齒輪結(jié)構(gòu)等有關(guān)變量，實現(xiàn)鍛件使用壽命和性能的提高。齒輪的成形難點是齒形型腔不能完整充滿，隨著工業(yè)和生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，一次鍛造工藝已經(jīng)滿足不了齒輪鍛件對齒形的鍛造要求，所以出現(xiàn)了“一火兩鍛”工藝，預(yù)鍛工步能改善金屬在終鍛時的充填性，避免終鍛時鍛件出現(xiàn)折疊、裂紋等缺陷，且有利于提高模具壽命。本文從終鍛件產(chǎn)生的折疊缺陷出發(fā)，通過模擬發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生缺陷的原因在于預(yù)鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。根據(jù)模擬分析結(jié)果，在預(yù)鍛件齒頂處增大過渡斜角，且以大R角連接，可提高鍛件的成形質(zhì)量，保證使用要求。

三聯(lián)齒輪鍛造數(shù)值模擬

模擬方案

與傳統(tǒng)鍛造流程相比，采用三維設(shè)計軟件和有限元分析軟件結(jié)合的方式能夠大大提高成形質(zhì)量和工作效率。應(yīng)用三維CAD繪圖軟件在機械產(chǎn)品設(shè)計中不僅能用三維圖形象直觀逼真地表達設(shè)計思想，而且能很方便地將創(chuàng)建的三維實體模型用作分析模型。圖1所示零件為重卡汽車使用的三聯(lián)齒輪，該零件一般采用熱鍛成形，本研究中考慮其鍛件尺寸較大，一次成形變形抗力太大，很難保證三聯(lián)齒輪成形質(zhì)量和模具壽命，且模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化難度大、成本高，故改用“一火兩鍛”工藝成形。通過有限元軟件模擬鍛件成形過程，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生成形缺陷的原因，為了保證鍛件的成形質(zhì)量，根據(jù)分析結(jié)果采取增大預(yù)鍛件過渡斜角，并以大R角連接的方案。

圖1 三聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)

數(shù)值模擬結(jié)果與分析

零件在鍛造時，終鍛件（圖2）紅色標記處出現(xiàn)折疊缺陷。按傳統(tǒng)方法經(jīng)過幾次優(yōu)化預(yù)鍛模具都未能消除缺陷，也未曾找到缺陷出現(xiàn)的根本原因。通過三維設(shè)計軟件造型預(yù)鍛模具、終鍛模具，并用有限元分析軟件進行成形鍛件模擬分析，發(fā)現(xiàn)在模擬終鍛時也出現(xiàn)了和實際鍛造一樣的折疊缺陷。折疊缺陷導(dǎo)致鍛件在終鍛時的充填性變差，而角落填充不足會導(dǎo)致齒輪成形質(zhì)量不足，過度的成形力又會導(dǎo)致模具損壞。因此急需一種有效的解決方案。

精密鍛造成形技術(shù)（凈成形）是指零件鍛造成形后，只需少量加工或不再加工即符合零件要求的成形技術(shù)，“一火兩鍛”是精密鍛造的一種。在有限元分析中，最后用于求解的模型只能是已離散化的有限元模型（FEM）。因此，進行求解之前，實體模型必須轉(zhuǎn)化為FEM，即創(chuàng)建節(jié)點、單元。分析結(jié)果為工藝參數(shù)選擇和模具設(shè)計及在生產(chǎn)中應(yīng)用此新工藝提供技術(shù)資料和理論指導(dǎo)。對預(yù)鍛件模型進行網(wǎng)格化劃分，通過有限元分析軟件對預(yù)鍛件進行成形模擬，根據(jù)模擬分析軟件進行模擬仿真可以直觀發(fā)現(xiàn)終鍛件產(chǎn)生缺陷的原因：預(yù)鍛件（圖3）在紅色標記處的形狀設(shè)計不合理，在終鍛變形過程中，如圖4步驟882所示，P1面的金屬徑向向外擴張，P2平面金屬軸向向上流動，且P2面金屬流速大于P1處，故P1面與P2面交接處金屬對流使鍛件最終產(chǎn)生內(nèi)陷的折疊缺陷。

圖2 終鍛件缺陷

圖3 預(yù)鍛件設(shè)計

結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)有限元模擬結(jié)果及終鍛件表現(xiàn)出的缺陷，對預(yù)鍛件模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在紅色標記處增加了大的過渡斜角，且斜角銜接處以大R角連接，控制圖4中P2面與P1面金屬流動速度，以解決成形缺陷問題。最終預(yù)鍛件的形狀如圖5所示。

圖4 金屬流動

圖5 預(yù)鍛件優(yōu)化

圖6 優(yōu)化后模擬過程

工藝試驗

對優(yōu)化后的預(yù)鍛件進行終鍛成形模擬，其模擬過程如圖6所示。在終鍛成形過程中，P1大斜角面上金屬隨P2平面金屬一起沿軸向向上流動，而斜角兩端銜接處的大R角，保證了金屬的順暢流動，避免了折疊產(chǎn)生。最終按此優(yōu)化方案對實際預(yù)鍛件優(yōu)化后，進行實際鍛造試驗，采用“一火兩鍛”成形工藝，第一次試驗成功獲得符合要求的齒輪鍛件，實際鍛件如圖7所示，隨后在企業(yè)的多次鍛件生產(chǎn)過程中，三聯(lián)齒輪鍛件沒有產(chǎn)生折疊缺陷。

圖7 最終成形鍛件

結(jié)論

⑴采用三維設(shè)計軟件與有限元分析軟件相結(jié)合的方法，在鍛造上應(yīng)用模擬仿真技術(shù)能夠充分保證模具成形質(zhì)量，從而提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

⑵通過數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，當增大預(yù)鍛件齒頂處過渡斜角，以大R角連接時，可以保證終鍛件成形質(zhì)量，避免產(chǎn)生折疊缺陷。

⑶由上述分析可知，一般多工序鍛造的產(chǎn)品，當鍛件圖確定時，終鍛鍛件圖也隨之確定，不會有什么大的變動，其鍛造設(shè)計重點在預(yù)鍛件設(shè)計。預(yù)鍛件設(shè)計不合理，就會導(dǎo)致終鍛件產(chǎn)生各種缺陷。