基于DEFORM的直齒錐齒輪復合鍛造冷整成形

文／周智慧，李旭東·江蘇飛船股份有限公司

周穎鴻，解玄，華希俊·江蘇大學機械工程學院

基于熱鍛冷整工藝，利用DEFORM-3D對直齒錐齒輪冷整工序成形進行有限元數值模擬。通過對直齒錐齒輪冷整成形過程中的行程載荷、材料流動速度場、應力應變進行分析，提出優化方案，并進行成形試驗對比，結果表明，較大的齒厚和較小的齒高直齒錐齒輪的材料流動速度場分布更優，應力應變分布更合理，模具所受載荷更低，成形件齒面符合產品精度要求。

齒輪是傳動系統和轉向系統的關鍵核心零件，如何改善優化齒輪性能得到越來越多研究學者的關注。傳統的齒輪加工方法為切削加工和鍛造，相比切削加工鍛造可獲得完整的金屬流線、更優的材料組織和性能，獲得更可靠更安全和使用壽命更長的齒輪產品。雖然熱精鍛加工精度高，但是加工時由于高溫易發生氧化作用，影響工件的表面精度和表面質量。近年來，熱鍛冷整復合加工工藝不僅具備熱鍛工藝的優勢，獲得具備完整流線的工件，還可減小中間成形工步，降低成形載荷，冷整工序可保證工件的尺寸精度和表面質量，提高齒輪的使用壽命，是齒輪復合鍛造成形工藝中重要的一環。因此有必要對冷整成形工藝進行優化設計，以保證最佳成形質量。

隨著計算機技術的不斷發展，實際生產中，為優化產品工藝、減小生產周期、降低生產成本，數值模擬方法得到廣泛應用。本文基于熱鍛冷整復合加工工藝，利用DEFORM軟件對直齒錐齒輪復合鍛造冷整工序進行數值模擬，提出優化方案并進行成形驗證，對直齒錐齒輪復合鍛造成形工藝設計具有指導意義。

有限元模型及模擬方案

有限元模型的建立

本文基于熱鍛冷整成形工藝，模擬工序為熱鍛后的冷整工序。選取兩個不同齒高、齒厚的直齒錐齒輪熱鍛成形件，運用Pro/E建立直齒錐齒輪與上下模具的三維模型，并保存為stl文件導入DEFORM軟件進行有限元數值模擬。圖1為直齒錐齒輪熱鍛成形件示意圖，圖2為模具的有限元數值模擬模型。

模擬參數設置

熱鍛件/冷整成形件尺寸對比和模擬參數設置如表1所示。

表1 熱鍛件/冷整成形件尺寸對比及模擬參數設置

圖1 直齒錐齒輪熱鍛件示意圖

圖2 模具有限元模擬模型

有限元數值模擬結果與分析

成形載荷分析

圖3為不同熱鍛件尺寸冷整時上模對應的行程載荷，二者行程載荷相差較大。這是由于熱鍛件1齒厚較小、齒高較高，冷整時直齒錐齒輪齒頂和齒根區域先于齒面區域與上模發生并保持接觸，材料流動所受阻力增加且材料變形范圍小，齒頂、齒根區域承受的作用力大，齒面受力較小。熱鍛件2由于減小了齒高、增大了齒厚，齒面先于齒頂與上模發生接觸作用，直齒錐齒輪可自由流動材料增加且變形范圍擴大，有效降低了成形載荷。

金屬流動速度場分析

圖4為不同齒高、齒厚熱鍛件冷整工序最終材料流動情況。圖4(a)為高齒高、薄齒厚的熱鍛件1，上模下行，與工件接觸并發生擠壓，從而使齒面材料向齒頂流動，因此齒頂存在一定的速度場；下模與工件始終處于接觸階段，在冷整過程中材料流動受到下模限制，其向飛邊區域以及工件底部流動；最大流動速度在工件底部區域，為40mm/s。圖4(b)為齒高減小0.2mm、齒厚增加0.4mm的熱鍛成形件，由于齒厚增加，工件受到上模的擠壓作用，齒面材料向齒頂流動，因此齒頂存在材料流動速度場，且齒面平均流動速度比熱鍛件1增加了約1.5倍，齒面冷整效果良好；由于冷整過程中下模與工件始終接觸，其材料流動受下模的限制作用，所以材料向飛邊區域和工件底部流動；最大流動速度在工件底部區域。工件減小齒高、增加齒厚后最大材料流動速度減小，可能原因是上模與工件接觸后，工件齒面發生的形變增大，齒頂面受到的擠壓力變小，導致工件底部受到的擠壓力減小，底部材料流動速度減小。

圖3 上模載荷行程曲線

圖4 材料流動速度場

應力應變分析

熱鍛件1和熱鍛件2最終成形對應的應力、應變圖如圖5、圖6所示。通過對比可知，隨著變形的完成，熱鍛件1最大應力為834MPa，熱鍛件2最大應力為827MPa，熱鍛件1齒根處出現了應力集中區域，可能會導致成形件在工作中更容易失效、減小其使用壽命。由圖6可知，熱鍛件2的平均應變比熱鍛件1小，熱鍛件1齒根齒頂區域應變大，說明熱鍛件2的材料流動更為合理。熱鍛件1的應變分布差值較大，應變分布不均可能會導致附加應力和殘余應力的產生，影響成形件精度，影響傳動過程中的平穩性。

成形對比試驗

傳統單一的熱/溫模鍛造或者冷精鍛工藝無法滿足產品要求，本文基于復合鍛造（熱鍛冷整）工藝進行成形試驗對比，將前文中數值模擬的方案1和方案2進行實際鍛造加工，在冷整上一工序，即熱鍛工序修整直齒錐齒輪齒高、齒厚，圖7為方案1和方案2成形件對比圖。圖中灰白色部分屬于未精整部分，圖7(a)中大面積灰白色區域分布在齒面上，可能的原因是熱鍛工序溫度較高，冷卻時成形件收縮較大，導致冷整時由于齒厚偏小導致冷整不到位；圖7(b)為優化后的冷整件，即增加熱鍛件齒厚減小齒高，增加齒厚充分考慮到熱鍛坯冷收縮量及模具彈性變形，確保齒面被精整達到加工要求，減小齒高是為了增加材料流動空間，減小模具的承載力，提高模具使用壽命，從圖中可以看出灰白色區域分布于成形件的齒頂和齒高部分，齒面被完全精整，符合加工要求。成形試驗結果驗證了數值模擬結果的可靠性，說明了方案2可以有效優化復合鍛造工藝，顯著提高成形質量。

圖5 應力分布圖

圖6 應變分布圖

圖7 直齒錐齒輪冷整成形件對比圖

結論

本文針對熱鍛冷整復合鍛造工藝中的冷整工序，對直齒錐齒輪冷整成形進行有限元數值模擬。通過對不同齒厚、齒高的直齒錐齒輪冷整成形過程中的成形載荷、流動速度場、應力應變的分析，對直齒錐齒輪齒厚、齒高進行了修正和優化。通過成形試驗結果對比分析發現，適當的增加齒厚、減小齒高可有效提高冷整工序的產品合格率，降低模具成形載荷，提高模具使用壽命，對實際的鍛造生產加工具有指導意義。