基于正交試驗(yàn)的某齒輪軸工藝參數(shù)優(yōu)化

雷建波

（海裝重慶局，重慶 400042）

0 引言

齒輪軸作為一種極為重要的傳動(dòng)零件，越來越多地應(yīng)用于汽車、航天、儀表等行業(yè)，其產(chǎn)品質(zhì)量要求也越來越高[1]。傳統(tǒng)的齒輪軸的生產(chǎn)工藝，存在著產(chǎn)品質(zhì)量較難保證、模具使用壽命有限、成形工藝需較大的變現(xiàn)力的問題[2]。在齒輪軸精密成形工藝中，其預(yù)制坯工藝在整個(gè)工藝中有著至關(guān)重要的影響[3]。因而通過優(yōu)化預(yù)鍛工藝來提高齒輪軸生產(chǎn)質(zhì)量，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對某型號(hào)（如圖1所示）的齒輪軸，對其預(yù)制坯形狀進(jìn)行分析研究，為優(yōu)化齒輪預(yù)制工藝參數(shù)，選取4個(gè)工藝參數(shù)——凸模速度、摩擦因數(shù)、預(yù)鍛凸模拐角處斜度、預(yù)鍛凹模斜度為設(shè)計(jì)變量，終鍛成形載荷與坯料充填情況（坯料與模具最大距離）為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用正交試驗(yàn)，利用Deform-3D軟件分別模擬分析了各個(gè)不同試驗(yàn)方案，分析得出最佳的不同參數(shù)工藝參數(shù)組合，并分析不同工藝參數(shù)對成形載荷已經(jīng)成形質(zhì)量的影響比重。

圖1 齒輪軸

1 試驗(yàn)方案的建立與設(shè)計(jì)

1.1 有限元模型的建立

采用Deform-3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對相關(guān)數(shù)據(jù)作簡化處理，坯料設(shè)置為塑性材料、上下模具設(shè)置為剛性體，坯料的網(wǎng)格劃分為50000，步距0.5mm，坯料材料選擇為20CrMnTiH3，坯料溫度設(shè)置為800℃，凸模與凹模的溫度設(shè)置為300℃，熱交換系數(shù)設(shè)置為5。

1.2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法[4]，因而在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)之前，必須確定合理試驗(yàn)因素及相應(yīng)的水平數(shù)。本文在進(jìn)行正交試驗(yàn)前，根據(jù)工藝生產(chǎn)實(shí)際情況作了相應(yīng)的單因素試驗(yàn)分析，得出了凸模速度v、摩擦因數(shù)f、預(yù)鍛凸模拐角處斜度d1、預(yù)鍛凹模斜度d2為設(shè)計(jì)變量。各因素的范圍及水平，如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素和因子水平

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用4因素×5水平的L9（43）試驗(yàn)表，如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 極差分析

利用極差分析法，分別分析了各個(gè)因素對成形載荷和最大距離的影響程度，結(jié)果如表3、表4所示。表中R為極差分析值，R值越大則相應(yīng)影響因素對目標(biāo)影響就越大，反之亦然。Ki表示工藝參數(shù)第i個(gè)水平下質(zhì)量指標(biāo)的平均值。

表2 正交試驗(yàn)方案與模擬結(jié)果

從表3可知，4個(gè)因素對成形載荷的影響程度依次是：摩擦因素＞預(yù)鍛凹模斜度＞成形速度＞預(yù)鍛凸模斜度；同理從表4可知，4個(gè)因素對成形載荷的影響程度依次是：預(yù)鍛凹模斜度＞成形速度＞預(yù)鍛凸模斜度＞摩擦因素。基于以上的分析可知，對齒輪軸成形質(zhì)量影響比較關(guān)鍵的兩個(gè)因素為預(yù)鍛凹模斜度和成形速度。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果（成形載荷）

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果（最大距離）

2.2 效應(yīng)曲線分析

為得到一組各個(gè)因素的最佳組合，現(xiàn)分別對成形載荷與最大距離做相應(yīng)的效應(yīng)分析，如圖2所示。

通過圖2對比分析成形載荷與最大距離效應(yīng)圖可知，齒輪軸的最佳成形工藝組合為成形速度300mm/s、摩擦因數(shù) 0.3、凸模拐角斜度 d1為 30°、預(yù)鍛凹模斜度d2為7°。

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性，把通過正交優(yōu)化工藝參數(shù)的組合應(yīng)用于數(shù)值模擬中，借助Deform-3D驗(yàn)證其優(yōu)化結(jié)果的可行性，坯料的最小距離云圖情況如圖3所示。

圖2 效應(yīng)示意圖

從圖3可知，此時(shí)坯料與模具型腔的最大距離小于1mm，充填情況比較好，成形載荷為4.5×103t，說明優(yōu)化結(jié)果比較理想。

3 總結(jié)

（1）首次把數(shù)字模擬和正交試驗(yàn)的數(shù)學(xué)分析法相結(jié)合運(yùn)用于對齒輪軸成形質(zhì)量的工藝參數(shù)中。

（2）通過分析可知，影響齒輪軸成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素為預(yù)鍛凹模斜度和成形速度。

（3）得到了生產(chǎn)齒輪軸預(yù)制坯的最佳工藝參數(shù)：成形速度300mm/s、摩擦因數(shù)0.3、凸模拐角斜度d1為30°、預(yù)鍛凹模斜度d2為7°，對生產(chǎn)實(shí)踐具有一定指導(dǎo)作用。

[1] 閆 冬.扇形齒輪軸熱鍛成形的數(shù)值模擬研究[D].山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2012.

[2] 胡亞民，王 偉，孫金剛，等.從《鍛造工藝過程及模具設(shè)計(jì)》教材看鍛造工藝發(fā)展的新進(jìn)展 [J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（1）：53-57.

[3] 付 翔.汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（1）：58-62.

[4] 蔣章雷，孫文雷.基于正交試驗(yàn)的注塑制件翹曲變形模擬分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，（12）：222-223.