三聯齒輪鍛造成形數值模擬及模具結構優化

文／周智慧，李旭東·江蘇飛船股份有限公司

彭銳，華希俊，解玄·江蘇大學機械工程學院

采用傳統鍛造流程成形復雜鍛件時，模具結構往往需要多次優化才能達到使用要求，既費時又費力，影響企業生產。但通過三維設計軟件和有限元分析軟件結合的方式可大大改善此情況。本文以重卡用三聯齒輪為研究對象，采用“一火兩鍛”工藝成形，針對鍛造過程中終鍛件產生折疊缺陷進行了有限元模擬，發現產生缺陷的原因是預鍛件形狀設計不合理。根據數值模擬結果對預鍛件結構進行優化，從而保證齒腔順利充填，避免了折疊缺陷產生，使鍛件達到使用要求。

齒輪是各種傳動機構中應用最為廣泛的零件之一，具有傳動平穩、噪聲小、承載能力大等優點，所以廣泛用于高速重載的場合，尤其是汽車行業。齒輪形狀復雜，材質、尺寸精度、表面質量及綜合機械性能均要求很高，傳統的加工方法是通過機械加工的方式得到需要的齒輪，為改進齒輪切削加工的缺點，用鍛造工藝快速生產高質量的齒輪已成全球趨勢。目前，提高齒輪的成形質量主要通過改善鍛造模具的結構、鍛造工藝、齒輪結構等有關變量，實現鍛件使用壽命和性能的提高。齒輪的成形難點是齒形型腔不能完整充滿，隨著工業和生產技術的不斷發展，一次鍛造工藝已經滿足不了齒輪鍛件對齒形的鍛造要求，所以出現了“一火兩鍛”工藝，預鍛工步能改善金屬在終鍛時的充填性，避免終鍛時鍛件出現折疊、裂紋等缺陷，且有利于提高模具壽命。本文從終鍛件產生的折疊缺陷出發，通過模擬發現產生缺陷的原因在于預鍛件結構設計不合理。根據模擬分析結果，在預鍛件齒頂處增大過渡斜角，且以大R角連接，可提高鍛件的成形質量，保證使用要求。

三聯齒輪鍛造數值模擬

模擬方案

與傳統鍛造流程相比，采用三維設計軟件和有限元分析軟件結合的方式能夠大大提高成形質量和工作效率。應用三維CAD繪圖軟件在機械產品設計中不僅能用三維圖形象直觀逼真地表達設計思想，而且能很方便地將創建的三維實體模型用作分析模型。圖1所示零件為重卡汽車使用的三聯齒輪，該零件一般采用熱鍛成形，本研究中考慮其鍛件尺寸較大，一次成形變形抗力太大，很難保證三聯齒輪成形質量和模具壽命，且模具結構優化難度大、成本高，故改用“一火兩鍛”工藝成形。通過有限元軟件模擬鍛件成形過程，發現產生成形缺陷的原因，為了保證鍛件的成形質量，根據分析結果采取增大預鍛件過渡斜角，并以大R角連接的方案。

圖1 三聯齒輪結構

數值模擬結果與分析

零件在鍛造時，終鍛件（圖2）紅色標記處出現折疊缺陷。按傳統方法經過幾次優化預鍛模具都未能消除缺陷，也未曾找到缺陷出現的根本原因。通過三維設計軟件造型預鍛模具、終鍛模具，并用有限元分析軟件進行成形鍛件模擬分析，發現在模擬終鍛時也出現了和實際鍛造一樣的折疊缺陷。折疊缺陷導致鍛件在終鍛時的充填性變差，而角落填充不足會導致齒輪成形質量不足，過度的成形力又會導致模具損壞。因此急需一種有效的解決方案。

精密鍛造成形技術（凈成形）是指零件鍛造成形后，只需少量加工或不再加工即符合零件要求的成形技術，“一火兩鍛”是精密鍛造的一種。在有限元分析中，最后用于求解的模型只能是已離散化的有限元模型（FEM）。因此，進行求解之前，實體模型必須轉化為FEM，即創建節點、單元。分析結果為工藝參數選擇和模具設計及在生產中應用此新工藝提供技術資料和理論指導。對預鍛件模型進行網格化劃分，通過有限元分析軟件對預鍛件進行成形模擬，根據模擬分析軟件進行模擬仿真可以直觀發現終鍛件產生缺陷的原因：預鍛件（圖3）在紅色標記處的形狀設計不合理，在終鍛變形過程中，如圖4步驟882所示，P1面的金屬徑向向外擴張，P2平面金屬軸向向上流動，且P2面金屬流速大于P1處，故P1面與P2面交接處金屬對流使鍛件最終產生內陷的折疊缺陷。

圖2 終鍛件缺陷

圖3 預鍛件設計

結構優化

根據有限元模擬結果及終鍛件表現出的缺陷，對預鍛件模型進行結構優化，在紅色標記處增加了大的過渡斜角，且斜角銜接處以大R角連接，控制圖4中P2面與P1面金屬流動速度，以解決成形缺陷問題。最終預鍛件的形狀如圖5所示。

圖4 金屬流動

圖5 預鍛件優化

圖6 優化后模擬過程

工藝試驗

對優化后的預鍛件進行終鍛成形模擬，其模擬過程如圖6所示。在終鍛成形過程中，P1大斜角面上金屬隨P2平面金屬一起沿軸向向上流動，而斜角兩端銜接處的大R角，保證了金屬的順暢流動，避免了折疊產生。最終按此優化方案對實際預鍛件優化后，進行實際鍛造試驗，采用“一火兩鍛”成形工藝，第一次試驗成功獲得符合要求的齒輪鍛件，實際鍛件如圖7所示，隨后在企業的多次鍛件生產過程中，三聯齒輪鍛件沒有產生折疊缺陷。

圖7 最終成形鍛件

結論

⑴采用三維設計軟件與有限元分析軟件相結合的方法，在鍛造上應用模擬仿真技術能夠充分保證模具成形質量，從而提高企業生產效率。

⑵通過數值模擬分析結果可知，當增大預鍛件齒頂處過渡斜角，以大R角連接時，可以保證終鍛件成形質量，避免產生折疊缺陷。

⑶由上述分析可知，一般多工序鍛造的產品，當鍛件圖確定時，終鍛鍛件圖也隨之確定，不會有什么大的變動，其鍛造設計重點在預鍛件設計。預鍛件設計不合理，就會導致終鍛件產生各種缺陷。