基于數值模擬的多楔帶輪的內筒端面瓣齒成形模具設計

文/吳超，解貴華·合肥工業大學材料科學與工程學院

周敏，嚴軍·南通福樂達汽車配件有限公司

端面齒嚙合傳動是將兩個軸連接在一起，其特征在于錐形齒在每個半軸的端面上嚙合在一起，最先應用于航空發動機的復雜曲軸零件，通過齒面嚙合連接的方式，輸出來自中央驅動齒輪的扭矩，由此把具有非常高扭矩負荷轉移到曲軸外殼。常見端面齒聯軸器的齒形結構多設計成60°或90°錐形，通過所有齒端面嚙合在一起，由于該種接頭方式是自定心的，扭矩傳動過程中不發生延遲，故端面齒嚙合接頭被用于非常高轉速的渦輪機，扭矩輸出端一側多連接鋼制軸結構、齒盤、機械轉子、皮帶輪以及曲柄等配套零件。與齒輪傳動不同，端面齒嚙合傳動的關鍵特征是接連處的受力面是錐形齒面，故只需螺栓固定或通過對外部殼體施加彈簧壓力來施加一個軸向載荷，使齒面嚙合結構收緊，從而不會產生反彈，這種不反彈也減少了磨損，且當出現微磨損導致松動時，為避免跳齒，可通過擰緊固定螺栓等方式達到恢復齒面嚙合緊度。當力矩達到15000kN·m時，可以實現無磨損傳遞。

帶端面瓣齒結構的多楔帶輪多用于發動機曲軸扭轉傳動系統中，其工作原理與端面齒聯軸器相似，而瓣齒結構不同于錐形齒形對稱結構，該類齒形結構較為復雜，不同于以往的的車削成形，多采用閉式模鍛通過一次沖壓成形，由于傳動系統的精準度和穩定性要求較為嚴格，故對端面瓣齒結構的表面質量和尺寸精度提出很高的要求。

圖1 帶端面瓣齒的多楔帶輪零件

零件工藝分析

本次以發動機傳動系統中的某多楔帶輪為研究對象，其主要特征是包括內筒端面瓣齒、外壁多楔齒、腹板三部分，具有端面瓣齒多楔帶輪的三維零件圖如圖1所示，采用閉式模鍛一次成形內筒端面瓣齒的復雜結構，由于實際生產過程中存在成形噸位過大且端面瓣齒表面質量差等缺陷，工藝過程要求內筒端面瓣齒成形載荷控制在600kN左右，內筒端面瓣齒結構及尺寸如圖2所示。本次主要研究內容：針對零件局部結構成形的特殊性，設計成形模具并根據成形結果進行模具結構優化，保證端面瓣齒結構成形飽滿和成形質量滿足要求。

根據該零件整體結構尺寸和端面瓣齒結構的成形尺寸要求，選擇厚度為4.5mm的板坯按體積不變原則落料，經幾道次的沖壓成形得到端面瓣齒成形前的沖壓預制坯，預制坯結構及尺寸如圖3所示。

圖2 內筒端面瓣齒結構尺寸

圖3 沖鍛預制坯結構尺寸

有限元模型建立

根據零件內筒端面瓣齒多楔帶輪零件的結構特征和成形工藝選擇，設計成形模具，通過固定模將坯料自由端通過鎖模力固定在下模座上，由于瓣齒結構成形力較大，為了避免板坯外緣發生翹曲，模擬過程將鎖模力定為500t，上模與坯料接觸區域為材料主要變形區，上模的運動速度為50mm/s，成形過程為冷成形，摩擦系數設為0.12，采用Deform-3D軟件的網格局部細化功能，能有效模擬出復雜結構的金屬成形過程以及變形區金屬流動情況，有限元模擬模型如圖4所示。坯料選用材料庫Steel中的AISI-1008，坯料總網格數為200000個，并對變形區坯料進行網格細化（圖5）。

圖4 模擬

圖5 坯料局部網格細化示意圖

模擬結果分析

根據Deform-3D有限元仿真軟件，得到內筒端面瓣齒的成形結果，通過對成形過程中不同階段點接觸情況分析可得，成形過程中上模與預制坯內筒端面材料均勻接觸，如圖6(b）所示，接觸點分布情況與瓣齒結構一致。

圖6 成形過程點接觸情況

根據內筒端面瓣齒成形過程中的等效應變云圖可知，成形過程中，上模瓣齒成形結構面與坯料接觸過程中的材料應變相對較小，當上模與預制坯內筒端面近乎完全接觸時，隨著成形力的增加，相對難成形區的結構逐漸成形，瓣齒前端和末端處對應上模端面兩側，在變形后期，材料累積應變較大，如圖7(c）所示。

圖7 端面瓣齒成形應變分布圖

內筒端面瓣齒的成形結果如圖8所示，瓣齒成形較為清晰，對該結構尺寸進行測量，齒深度為1.67mm滿足要求，但零件表面存在毛刺，毛刺分布位置為瓣齒的前后兩端，因為圖9所示的成形載荷曲線存在一段陡增，且成形力最大為652t，故該組模擬結果存在可優化空間。

圖8 端面瓣齒成形結果

圖9 成形過程載荷分布曲線

圖10 下模成形面

圖11 端面瓣齒模擬優化結果

圖12 優化后的成形過程載荷分布曲線

成形結果優化

端面瓣齒的成形過程中對于材料流動的控制最為關鍵，材料流動較好則瓣齒成形清晰，反之，則端面瓣齒成形不足且有毛刺，最初設計的下模成形面為平面結構，由于瓣齒結構的內密外疏的分布特征，內側金屬流動貼合上模結構較為困難，若該處結構材料流動受阻，會伴隨著成形載荷的上升，所以根據實際情況將下模成形面設計成帶斜度的結構，在其他參數一致情況下，設計兩組成形模擬，其傾角分別為1°和1.5°的斜面。

優化后的兩組內筒端面瓣齒的成形結果如圖11所示，齒形清晰，尺寸合格，但后期需要對瓣齒成形另一側進行車削得到合格平面。以上兩組的成形載荷較第一組下降明顯，零件成形載荷最大值為393t，故針對這類端面瓣齒結構的曲軸帶輪成形，1.5°的下模成形面傾角較好。后期根據模擬結果加工模具，對零件進行試制，其成形結果與模擬結果較為吻合，零件實物如圖13所示。

圖13 端面瓣齒成形

結論

⑴對于具體零件局部結構的一道次成形，可采用閉式模鍛，其成形效果較好且效率更高。

⑵模具的設計需考慮零件結構的特殊性，合理設計模具，一定程度上能較好的提高零件的成形質量。

⑶結合有限元模擬軟件對成形過程進行仿真，并根據成形結果合理的進行模具優化，可更好的實現具體零件的成形。