直齒圓柱齒輪冷精鍛成形數值模擬及優化

陳昶

摘 要：采用DEFORM-3D有限元軟件對直齒圓柱齒輪的單終鍛工步無飛邊模鍛工藝進行了數值模擬，分析了成形過程和模具載荷。提出孔分流法改進工藝，即對毛坯加工中心孔，改進后工藝降低了模具所受載荷，有利于減少能源的消耗，增加模具的使用壽命，同時提升了材料的利用率。

關鍵詞：直齒圓柱齒輪；冷精鍛；數值模擬；優化

中圖分類號：TG316 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0111-03

Abstract： DEFORM-3D finite element software was used to simulate the single end forging process of spur gear， and the forming process and die load were analyzed. This paper puts forward the improved technology of hole shunt method， that is， the improved process can reduce the load on the mould， reduce the energy consumption， increase the service life of the mould， and improve the utilization ratio of the material after the improvement of the blank machining center hole.

Keywords： spur gear； cold precision forging； numerical simulation； optimization

引言

直齒圓柱齒輪作為一種重要的傳遞力和運動的元件，在汽車、船舶、航空、軍工以及儀器儀表等行業有著極為廣泛的應用[1]。常用的齒輪加工方法有銑齒、磨齒、插齒、剃齒和滾齒等等，這類切削加工方法生產的齒輪雖然精度較高，但是存在效率及材料利用率較低等問題，并且由于金屬流線在切削加工過程中被切斷以及產生殘余應力等因素，通常需要通過大量后續熱處理來提高強度和消除應力，因此部分齒輪的切削加工已經逐漸被其他方法所替代[2]。

上世紀五十年代，由于沒有足夠的切削加工機床，德國人開始研究使用精密鍛造的方法生產錐齒輪并獲得了成功，經過幾十年的發展，精鍛工藝已經應用到了直齒輪、斜齒輪、人字齒輪等絕大部分同類零件的生產[3]。根據鍛造溫度的不同，精鍛分為冷精鍛、溫精鍛和熱精鍛，冷精鍛加工的制件金屬流線完整，沒有再結晶過程抵消所產生的加工硬化，因此強度較高，此外，冷精鍛是在室溫下進行，不存在氧化、過熱、脫碳、熱脹冷縮等缺陷，鍛件精度和材料利用率高，表面粗糙度低，所以在精鍛齒輪領域應用尤為普遍[4-7]。

某型號直齒圓柱齒輪為批量生產的定制機械關鍵零件，本文通過DEFORM-3D有限元軟件，在傳統封閉式無飛邊冷精鍛的基礎上提出了孔分流法降壓的改進工藝，在保證零件成形完整和較高的材料利用率的前提下，有效的降低了模具載荷，提高了模具的使用壽命。

1 初始工藝方案的提出

齒輪零件參數如表1所示，零件圖如圖1所示。該齒輪采用20CrMnMo制造，為典型的盤餅類零件，只需采用單終鍛工步無飛邊模鍛成形，軸孔及鍵槽由少量后續切削加工獲得。

初步采用傳統的全封閉無飛邊模鍛方法，其三維模型見圖2。坯料采用齒根圓定位方式，通過PRO/E測的鍛件體積為138648mm3，因此采用坯料尺寸為Φ82.5×26mm。

2 數值模擬分析

由于該零件具有對稱性，為了提高計算效率，取1/10個模型進行分析。毛坯選用DEFORM-3D材料庫中與20CrMnMo相對應的AISI-4120，采用絕對網格劃分法，并對坯料外緣形成齒形部分進行網格局部細化處理，定義模具為剛性，摩擦系數選擇剪切摩擦模型中的硬質合金冷成形通用值0.08，視凸模為主模具，下壓速度10mm·s-1，設置步長為0.15mm，約等于最小網格尺寸的1/3，忽略溫度效應[8]，對初始鍛造工藝方案進行數值模擬。

圖3為初始工藝方案下鍛件的成形過程及時間-載荷曲線。

（a）成形第一階段；（b）成形第二階段；（c）時間-載荷曲線

圖3 初始工藝方案下鍛件的成形過程及時間-載荷曲線

由圖可知鍛件成形分為兩個階段，第一個階段為鐓粗階段，從坯料上表面與凸模接觸開始到坯料鼓起側面與凹模型腔齒頂壁接觸結束。此階段，金屬的軸向尺寸減小，并且逐步沿徑向流入齒形型腔，變形程度相對較小，由于冷作硬化降低了坯料的塑性，因此模具所受載荷相應有所增加。第二階段為充滿階段，從坯料鼓起側面與凹模型腔齒頂壁接觸開始到上下模打靠且坯料填充滿整個型腔的角隙結束。此階段，變形金屬各部分處于不同的三向壓應力狀態，齒形部分坯料變形愈發劇烈，并且受模壁的限制逐步流向型腔角隙，并且由于模膛的封閉性，金屬無法流入模膛之外形成飛邊，從而使模壁受到的側向壓力顯著上升，直到模膛完全被充滿，模鍛過程結束，此時模具所受最大載荷為2400kN。

采用傳統的全封閉無飛邊模鍛工藝得到的鍛件充型完整，齒形飽滿，未見折疊、裂紋等明顯缺陷。由于零件的體積為134118mm3材料利用率為96.50%。較大的成形載荷導致能源消耗過高，模具壽命降低等問題，增加了零件批量生產的成本。

3 工藝改進及模擬分析

為了提高模具壽命，節約生產成本，需對初始鍛造工藝作出相應改進以降低成形壓力，常用的減壓工藝有孔分流法、軸分流法以及約束分流法等等[7]。孔分流法即在毛坯中心預留一定直徑的孔，使其在成形過程中具備更多自由流動空間，孔分流法無需修改模具結構，僅對毛坯進行加工，易于實現，成本低，故采用該方法改進鍛造工藝。

在保證鍛件成形完整的前提下，毛坯體積應盡量小以提高材料利用率，因此選用坯料尺寸為Φ82.5×Φ15×26.5mm。不改變參數，對孔分流法改進工藝進行模擬。

（a）成形第一階段；（b）成形第二階段；（c）時間-載荷曲線

圖4 改進工藝方案下鍛件的成形過程及時間-載荷曲線

由圖可知，采用孔分流法改進后的鍛造成形過程同樣分為兩個階段，與初始工藝一致。但由于中心分流孔的存在，會在環狀坯料徑向產生分流面，在凸模下壓的作用下，分流面以外的金屬向外流動充型，分流面以內的金屬向內流動，通過中心分流孔的收縮而實現減壓。鍛造終了時，中心分流孔趨于閉合，齒形充填完整，模具所受最大載荷為1710kN。

孔分流法減少了28.75%的模具載荷，可以在一定程度延長模具使用壽命，降低能耗。同時改進工藝的材料利用率增加到97.91%，節約了成本。

4 結束語

（1）傳統的全封閉無飛邊模鍛可以得到成形完整的直齒圓柱齒輪，但模具載荷高。（2）采用孔分流法工藝改進工藝，可以在保證鍛件質量的前提下降低載荷，提高能效，延長模具使用壽命。（3）通過有限元數值模擬技術，可以分析鍛造中金屬的流動規律、場量變化等過程，為實際的工藝制定及模具設計提供參考，從而縮短生產周期，提高生產效率。

參考文獻：

[1]田維，安喜梅，程旺軍.大模數直齒圓柱齒輪精鍛數值模擬及模具設計[J].重型機械，2016（2）：70-73.

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[3]王忠雷，趙國群.精密鍛造技術的研究現狀及發展趨勢[J].精密成形工程，2009，1（1）：32-38.

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