直齒圓錐齒輪預(yù)鍛齒形設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

張 琳

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710089）

為克服齒輪切削加工的缺點(diǎn)，用精鍛工藝快速生產(chǎn)高質(zhì)量的齒輪已成全球趨勢(shì)[1-3]。齒輪作為在車輛、機(jī)床、船舶等工程領(lǐng)域被廣泛使用的重要傳動(dòng)件，其精鍛成形的關(guān)鍵部位是齒形[4]。隨著工業(yè)和生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，單純的精鍛方法已經(jīng)滿足不了齒輪精鍛件對(duì)齒形的鍛造要求，所以出現(xiàn)了熱預(yù)鍛-冷終鍛、熱預(yù)鍛-溫終鍛、溫預(yù)鍛-冷終鍛等復(fù)合精鍛工藝，亦即通常需經(jīng)預(yù)鍛和終鍛兩步才能獲得質(zhì)量滿意的齒形。預(yù)鍛工步能改善金屬在終鍛時(shí)的充填性[5]，避免終鍛時(shí)鍛件出現(xiàn)折疊、裂紋等缺陷，且有利于提高模具壽命。因此，設(shè)計(jì)合理的預(yù)鍛件形狀，尤其是合理的預(yù)鍛齒形對(duì)保證終鍛件的質(zhì)量有重要意義。

本文針對(duì)中心分流法精鍛直齒圓錐齒輪，通過對(duì)直齒圓錐齒輪預(yù)鍛件齒形設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出了梯形非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形，并利用DEFORM-3D 軟件對(duì)預(yù)鍛、終鍛成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，證明了梯形非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形的可行性。

1 中心分流法精鍛直齒圓錐齒輪工藝路線

中心分流法是在分流鍛造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的被應(yīng)用于錐齒輪的精鍛成形工藝[6-9]。其原理是：利用帶凸臺(tái)的凸模在預(yù)鍛坯料的端面中心部位鍛出分流區(qū)（一部分空間），同時(shí)凸模的凸臺(tái)也有利于迫使材料向齒形型腔流動(dòng)。終鍛時(shí)，利用預(yù)鍛分流區(qū)的作用，使材料易于繼續(xù)填充齒形，從而保證終鍛件的成形質(zhì)量。本文研究對(duì)象如圖1 所示，中心分流鍛造時(shí)采用預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)工步完成，其精鍛工藝路線為：精密下料→車削或磨削外圓、除去表面缺陷層→少無氧化加熱→預(yù)鍛→終鍛→冷切邊→熱處理→后續(xù)切削加工。

圖1 直齒圓錐齒輪

2 中心分流法成形直齒圓錐齒輪預(yù)鍛齒形設(shè)計(jì)

2.1 齒輪預(yù)鍛齒形設(shè)計(jì)研究總結(jié)

目前，齒輪預(yù)鍛齒形的設(shè)計(jì)多采用標(biāo)準(zhǔn)齒形，即采用標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒廓。采用標(biāo)準(zhǔn)齒形的最大優(yōu)點(diǎn)是預(yù)鍛件非常接近終鍛件形狀，從而使終鍛的變形量大大減少。

山東大學(xué)的張艷娥為了保證行星齒輪終鍛時(shí)齒形以鐓粗形式充型，預(yù)鍛件設(shè)計(jì)采用了標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒廓，但齒高比終鍛件的增大，如圖2 所示。其終鍛模擬結(jié)果顯示[10]：隨著壓下量的增大，輪齒以鐓粗方式成形，保證了齒頂?shù)某涮睢５捎陬A(yù)鍛件齒高比終鍛齒形模的齒高大，所以整個(gè)齒寬方向沒有同時(shí)被鐓粗，而是由小端至大端逐漸發(fā)生變形，即終鍛成了逐漸鐓擠的過程。這樣容易造成齒面發(fā)生折疊，而且使更多的材料流向分型面處，導(dǎo)致齒輪大端齒形不飽滿。

圖2 增大齒高的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形

北京機(jī)電研究所的邱德花等對(duì)直齒圓錐齒輪預(yù)鍛件進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)齒形和非標(biāo)準(zhǔn)齒形的優(yōu)化設(shè)計(jì)[11]。標(biāo)準(zhǔn)齒形設(shè)計(jì)仍采用標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒廓，只是根據(jù)終鍛的精整量將齒面均勻向外偏移，考慮到體積不變，將齒根圓向內(nèi)偏移，如圖3 所示。其終鍛模擬結(jié)果顯示：標(biāo)準(zhǔn)齒形預(yù)鍛件終鍛時(shí)的最大成形力隨精整量的增大而增大，而且終鍛件齒根處出現(xiàn)了折疊缺陷，折疊隨著精整量的減少而改善。為了解決上述問題，預(yù)鍛件采用如圖4 所示的非標(biāo)準(zhǔn)齒形，即增大齒面1/2處的精整量。最終的模擬結(jié)果顯示，優(yōu)化后的非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形冷精整時(shí)沒有出現(xiàn)折疊缺陷。

可以看出，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形雖然和終鍛件齒形非常接近，可以使終鍛時(shí)的變形量減小。但是采用標(biāo)準(zhǔn)齒形預(yù)鍛件鍛得的終鍛件大多容易發(fā)生折疊等缺陷，而且標(biāo)準(zhǔn)齒形的預(yù)鍛模具齒形模復(fù)雜程度與終鍛模的接近，使得預(yù)鍛模具制造成本增大。

圖3 增加精整量的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形

圖4 非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形

2.2 直齒圓錐齒輪預(yù)鍛齒形設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

2.2.1 預(yù)鍛齒形設(shè)計(jì)

從以上研究可以看出：采用非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形比標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形在改善齒輪成形質(zhì)量上具有一定的優(yōu)越性。如果能在保證終鍛件成形質(zhì)量的前提下，使得預(yù)鍛件齒形越簡(jiǎn)化，這樣還將有利于降低預(yù)鍛齒形模的加工難度和制造成本。本文在分析對(duì)比的基礎(chǔ)上，擬采用梯形非標(biāo)準(zhǔn)齒形，如圖5a 所示。考慮到采用全高梯形齒會(huì)使預(yù)鍛齒形模槽窄而深，造成預(yù)鍛時(shí)金屬充型困難。而且有研究表明，將齒頂分流工藝應(yīng)用于齒輪成形，不僅能有效解決齒形角隅棱線處填充不滿的缺陷，而且可以降低成形載荷[12-13]。故最終采用略大于1/2 終鍛件全齒高的梯形齒作為預(yù)鍛齒形，如圖5b 所示，此方案保證了終鍛時(shí)齒面和齒頂處都存在分流空間。

圖5 梯形非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形

2.2.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

根據(jù)以上結(jié)論，利用UG 軟件設(shè)計(jì)了梯形齒槽預(yù)鍛模具和標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒槽終鍛模具的模型，分別導(dǎo)入DEFORM-3D 系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)值模擬[14]。模擬的參數(shù)設(shè)置為：①網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為80000 個(gè)，采用自動(dòng)補(bǔ)償彌補(bǔ)變形過程中網(wǎng)格畸變引起的體積減少；②上下模初始溫度為200℃，初始鍛造溫度為800℃；③坯料與模具間的摩擦系數(shù)取0.25，潤(rùn)滑條件良好；④上模運(yùn)動(dòng)速度為50mm/s；⑤坯料與空氣間的換熱系數(shù)取0.02N/s·mm·℃，坯料與上下模間的換熱系數(shù)取5N/s·mm·℃。

通過模擬，發(fā)現(xiàn)采用梯形非標(biāo)準(zhǔn)齒形的預(yù)鍛件能保證標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒形終鍛件的完整成形，獲得的終鍛件齒面光滑飽滿，齒廓形狀對(duì)稱，如圖6所示。

圖6 中心分流精鍛模擬成形的鍛件

圖7 為采用梯形非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形模擬中心分流法成形直齒圓錐齒輪獲得的速度場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，由于預(yù)鍛齒形模齒槽為形狀簡(jiǎn)單且高度略大于終鍛件1/2 齒高的梯形齒，所以預(yù)鍛時(shí)從上模凸臺(tái)對(duì)坯料的下壓開始，坯料經(jīng)歷了逐漸與齒模小端齒頂接觸直至與整個(gè)齒模齒頂接觸發(fā)生鐓粗變形，充滿上模腔成為圓錐臺(tái)狀直至徑向壓入基本充滿梯形齒槽，繼續(xù)向小端齒頂和大端齒頂?shù)任闯錆M區(qū)域及分模面方向流動(dòng)直至梯形齒完全充滿三個(gè)階段，很容易獲得了完整的梯形齒預(yù)鍛件。終鍛時(shí)，除了預(yù)鍛件小端面的凹坑起到了分流作用外，梯形齒預(yù)鍛件與終鍛齒形模齒槽之間的空間也起到了分流作用。金屬在上模的下壓作用下，向預(yù)鍛件與終鍛齒形模齒槽的間隙流動(dòng)，直至完全充滿齒形槽。采用梯形非標(biāo)準(zhǔn)齒形預(yù)鍛件終鍛時(shí)，金屬流動(dòng)劇烈，保證了終鍛件齒形的快速成形，尤其是齒頂角隅棱線處的填充。

圖7 中心分流法速度場(chǎng)分布圖

3 結(jié)論

（1）在直齒圓錐齒輪的精鍛成形工藝中，預(yù)鍛齒形的設(shè)計(jì)對(duì)改善材料的充填性具有重要意義。非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形比標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛齒形在改善齒輪成形質(zhì)量上具有一定的優(yōu)越性。

（2）中心分流法鍛造直齒圓錐齒輪時(shí)，采用形狀簡(jiǎn)單的非全高梯形預(yù)鍛齒形具有一定的可行性，可以保證終鍛件的完整成形。

（3）由于預(yù)鍛不是最終工步，所以設(shè)計(jì)預(yù)鍛件齒形時(shí)，在保證終鍛件成形質(zhì)量的前提下，還應(yīng)考慮盡量使預(yù)鍛件齒形簡(jiǎn)化，從而降低預(yù)鍛齒形模的加工難度和制造成本。

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