某結合齒熱鍛模具開裂數值模擬分析及改進*

徐 偉 肖鐵忠

(四川工程職業技術學院，四川 德陽 618000)

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某結合齒熱鍛模具開裂數值模擬分析及改進*

徐 偉 肖鐵忠

(四川工程職業技術學院，四川 德陽 618000)

針對某結合齒熱鍛過程中模具發生開裂失效的問題，通過有限元模擬軟件對鍛造過程進行了模擬分析，得出模具發生開裂的主要原因為危險處拉應力超過模具材料的抗拉強度。針對模具開裂失效原因，提出兩種解決模具開裂失效的方法，一是優化預鍛坯形狀，二是優化模具結構，即采用分體式模具結構代替整體式模具結構。優化后的模擬結果表明，采用分體式模具結構大大減小了危險處拉應力值，從而避免了模具的早期失效。實際生產結果也表明，采用分體式模具結構大大提高了模具壽命。

結合齒; 模具開裂; 有限元模擬; 模具結構

結合齒是汽車變速箱內的重要傳動零件。目前結合齒成形主要采用以下兩種方法：傳統切削加工成形和精密鍛造成形。同傳統切削加工方法相比，鍛造結合齒具有材料利用率高、金屬流線連續、齒形強度高、生產效率高等優點[1-2]。

由于結合齒形狀復雜、充填困難，國內外很多學者對其成形工藝進行了一些列的研究。其中，鄭英俊等[3-4]對某結合齒提出冷鍛預成形加冷精整倒錐的工藝方案，但該工藝方案只適用于無缺齒卡槽并且壁薄的結合齒。王黎等[5]通過優化預鍛坯形狀，改善了帶定位凹槽齒形充填不飽滿的問題，并且減小了終鍛成形載荷，對結合齒鍛造成形具有一定的指導意義。駱靜等[6-7]提出溫鍛加冷整形復合成形的工藝方案并設計了相應的成形模具，但未見其工藝驗證。目前對結合齒的研究多從成形工藝方面著手考慮，對成形模具壽命的研究較少，而模具壽命直接關系到生產質量和成本的問題。因此如何提高結合齒鍛造模具壽命成為了結合齒精密鍛造成形研究的重點[8]。

本文針對某結合齒終鍛模具易開裂失效問題，分析了失效產生的原因，提出兩種工藝改進方案，并分別對其成形過程進行了數值模擬分析，確定了解決失效問題的工藝方案。

1 工藝分析

某汽車結合齒熱鍛坯如圖1所示，材質為20CrMnTi，熱鍛成形工藝流程為：鋸床下料，下料重量1.56 kg—中頻感應加熱至1 100 ℃—鐓粗—終鍛—切邊。實際生產中，終鍛模具壽命較低，模具在鍛打約100件時發生開裂而失效。如圖2所示，模具開裂發生在圖中標示區域。

2 有限元模擬

2.1 模擬參數設置

采用有限元軟件對鍛造過程進行數值模擬，如圖3所示為建立的鐓粗和終鍛有限元模型。由于結合齒為軸對稱零件，為了減少計算時間，取1/6鍛件模型作為研究對象，坯料定義為塑性體，模具定義為剛體。模擬參數見表1。

表1 模擬參數

坯料材質始鍛溫度/℃模具預熱溫度/℃傳熱系數/(N/s·mm·C)摩擦類型摩擦系數20CrMnTi11002505剪切0.3

2.2 結合齒鍛造過程模擬分析

結合齒原終鍛成形過程如圖4所示。終鍛成形初期，金屬隨著上模向下充填，在齒形部分以金屬向下擠入為主要的充填方式。隨著上模下行，金屬逐漸充填模具型腔，由于采用開式鍛造的方式，此時已有小飛邊產生。在成形末期，金屬充滿模具型腔，多余金屬流出形成飛邊，模擬結果顯示，終鍛件充填飽滿，沒有出現折疊、缺肉等缺陷，成形質量滿足設計要求。

實際生產中，終鍛模具壽命較低，容易發生開裂而失效，因此對容易發生開裂的終鍛下模進行模具應力分析，如圖5所示為原工藝終鍛下模最大主應力分布圖。從圖可看出，下模模具應力分布不均勻，最大拉應力值達到1 920 MPa，而終鍛模具在連續鍛打時溫度在400～500 ℃左右，模具材料H13在該溫度區間的抗拉強度約為1 380～1 550 MPa[9]，危險處最大拉應力遠遠大于模具材料的抗拉強度。在成形過程中，模具會因應力超過材料的抗拉強度產生裂紋而失效。危險位置與實際生產中模具發生開裂的位置完全吻合。

由模擬結果可得，模具開裂失效的主要原因為：預鍛坯形狀不合理，導致終鍛時材料變形量大，成形困難，成形力大，而模具危險處應力集中，成形過程中隨著成形力增大，危險處拉應力值超過了模具材料的抗拉強度，導致模具開裂失效。

3 工藝優化

針對模具發生開裂失效的主要原因，提出兩種工藝改進方案：一是對預鍛坯形狀進行優化，使材料分配更加合理，材料變形量小，成形更容易，從而減小成形力；二是改進模具結構，沿著模具的薄弱環節，將原來的整體式模具改為分體式模具，消除模具的薄弱環節，避免模具產生應力集中。

3.1 預鍛坯形狀優化

原工藝方案中，坯料先經過鐓粗去氧化皮，再進行終鍛成形。鐓粗后的坯料形狀為簡單的餅形，用這種簡單形狀進行終鍛成形，材料分配不合理，終鍛時材料變形劇烈，成形困難，成形力較大。如圖6所示，設計一種臺階形預鍛坯，使其終鍛時材料流動更加合理，變形更加容易，從而減小成形力。

預鍛坯優化前后的終鍛成形力對比如圖7所示。從圖7可以看出，預鍛坯優化前終鍛成形力為940 t，優化后的終鍛成形力為830 t，成形力下降11.7%，下降較明顯。圖8為優化預鍛坯形狀后的終鍛下模最大主應力分布圖。從圖中可以看出，下模薄弱環節仍然產生應力集中，相比原工藝方案有所減小，但最大主應力達到1 860 MPa，仍然遠遠大于模具材料在終鍛溫度時的抗拉強度，終鍛時模具仍會產生開裂而失效。

3.2 模具結構優化

從預鍛坯優化后的模具應力分析可以看出，優化預鍛坯形狀對終鍛模具應力影響不大，應力集中仍然明顯。因此提出一種分體式模具結構，如圖9所示。從模具開裂位置將模具分為內外兩個部分，中間設置活動頂桿，即終鍛下模由頂桿、中間齒形模、外部固定模3部分組成，齒形模與外部固定模采用單邊

0.15 mm的過盈量進行熱套組合。

圖10為分體式模具結構的終鍛下模最大主應力分布圖。從圖中可以看出，原危險處未出現應力集中情況，危險處最大拉應力值減小至1 150 MPa，小于模具材料在鍛造溫度下的抗拉強度。相較于原來的整體式模具，危險處最大拉應力減小了40.1%，降幅明顯。

4 結語

通過有限元模擬軟件對結合齒鍛造過程進行模擬分析，找到實際生產過程中終鍛模具發生開裂失效的主要原因。提出優化預鍛坯形狀和分體式模具結構兩種改進方案。模擬結果表明終鍛模具應力大大減小，沒有產生模具應力集中，最大主應力為1 150 MPa，低于模具材料的抗拉強度。實際生產結果表明，運用優化后的分體式模具結構進行生產，模具壽命從100件提高到3 000件，且未發生開裂，大大提高了模具壽命。

[1]Hu Chengliang. A novel cold precision forging process of spur gear with boss and its numerical simulation [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2009,43(9):1494-1497.

[2]Hu Chengliang, Wang Li, Zhao Zhen, et al. Study on precision forging process of spur in parking brake[C]. Proceedings of the International Congference on Advanced Technology of Design and Manufacture, Beijing, 2010

[3]鄭英俊, 郭成, 章立預，等. 結合齒冷鍛工藝分析及參數優化[J]. 鍛壓技術, 2012, 37(2): 157-160．

[4]曾德濤. 汽車結合齒冷鍛數值模擬與工藝研究[D].重慶：重慶大學, 2011.

[5]王黎. 結合齒預鍛件的精密鍛造成形工藝探討[J]. 鍛壓技術, 2015, 40(4): 9-13．

[6] 張弛, 何巧, 駱靜, 等. 汽車變速器結合齒溫鍛-冷整形復合精鍛工藝及模具研究[J]. 精密成形工程, 2014, 6(1): 9-14．

[7]駱靜. 汽車變速器結合齒精密成形及模具關鍵技術研究[D]. 重慶：重慶理工大學, 2012.

[8]周杰, 張輝, 鄭曉凱, 等. 擋位齒輪坯閉式精鍛有限元分析與工藝優化[J]. 農業機械學報, 2013, 44(3): 251-256．

[9]徐進, 陳再枝. 模具材料應用手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2001.

(編輯 汪 藝)

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Numerical simulation analysis and improvement of hot forging die cracking for combined gear

XU Wei , XIAO Tiezhong

(Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000, CHN)

To solve the problem of die cracking on a combined gear, the forging process is simulated with FE simulation software, the result shows the reasons of die cracking are that die stress concentration. Two solutions are put forward to solve the problem, one is optimizing the shape of billet, the other is optimizing the structure of die, which is replacing integral die with splitting die. Results of simulation shows die stress is greatly decreased, avoiding stress concentration. Practical production results show the die life is greatly increased with splitting die structure.

combined gear; die cracking; finite element analysis; structure of diec

* 四川省教育廳科研項目( 16ZB0495)

TG316

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.029

2016-07-19)

161136