基于Deform 機械齒輪加工成型計算機模擬

吳 俊,樓越升

義烏工商職業技術學院,浙江 義烏 322000

機械齒輪作為機械設備中的重要傳動系統，具有傳動效率高、傳動精度高、使用范圍廣、工作可靠等優良特點，在航空航天、航海、汽車、煤礦、工程機械、電子等眾多領域應用廣泛。機械齒輪的加工成型直接影響齒輪的疲勞壽命、強度和剛度，因此對機械齒輪加工成型進行研究顯得尤為的必要。國內外眾多學者對齒輪加工成型進行研究和分析；其中，楊劍波等[1]對造林機械的齒輪成型工藝及數字化建模方法進行研究和分析；李祥等[2]設計了微型齒輪半熱流道多腔成型工藝，并對結構和成型工藝進行優化；彭亞運等[3]對PEEK 微小齒輪注射成型過程中的傳熱特性進行分析和研究；李心景等[4]基于有限元分析軟件DEFORM-3D 對齒輪沖壓成形進行仿真分析；賈穎等[5]對諧波齒輪漸開線齒形的成型方法及砂輪修整裝置進行研究和分析；支月蓉等[6]對直齒面齒輪的特種加工工藝進行研究和分析；時曉飛等[7]對直齒圓柱齒輪的冷鍛成型技術進行研究和分析；唐銳等[8]對圓弧齒線圓柱齒輪的改進加工方法進行研究。基于上述眾多學者對齒輪成型工藝的研究基礎，以某機械齒輪為研究對象，運用計算機輔助技術對機械齒輪加工成型進行模擬仿真，為機械齒輪成型工藝和模具結構優化等方面提供有意的參考。

1 機械齒輪成型工藝分析

機械齒輪在模鍛成型過程存在充型不足、裂紋等缺陷。為了克服傳統機械齒輪生產僅僅依靠經驗的局限不足，實現模鍛成型過程中填充好、變形力較小、模具使用壽命高等目標，對機械齒輪模鍛成型進行仿真分析，分析了機械齒輪在成型過程中載荷、破壞系數、等效應力分布規律，為機械齒輪在實際成型過程中工藝參數優化與工藝完善提供理論依據和技術支持。本研究機械齒輪模鍛成型主要包含鐓粗成型和模鍛成型兩個成型工藝，對應機械齒輪模鍛成型如圖1 所示。

圖1 機械齒輪模鍛成型Fig.1 Mechanical gear die forging forming

由圖1 可知，在機械齒輪模鍛成型工藝過程中，圓柱坯料在鐓粗工藝下成型為鐓粗件，成型的鐓粗件在模鍛成型工藝下成型為目標機械齒輪模鍛件。

2 機械齒輪成型仿真建模

根據上文分析的機械齒輪模鍛成型件成型工藝可知，機械齒輪在模鍛成型過程中有鐓粗和模鍛成型兩個主要成型工藝。基于Deform 建立機械齒輪鐓粗、模鍛成型仿真模型如圖2 所示。

圖2 機械齒輪鐓粗、模鍛成型仿真模型Fig.2 Mechanical gear upsetting and die forging simulation model

圖2 中的鐓粗上模、鐓粗下模、模鍛上模、模鍛下模的材料均為H13 模具鋼，機械齒輪初始圓柱坯料材料45#鋼，對應圓柱坯料及模具材料機械和物理特性如下表1 所示。

表1 圓柱坯料及模具材料機械和物理特性Table 1 Mechanical and physical properties of cylindrical blanks and mold materials

根據圖2 機械齒輪鐓粗、模鍛仿真模型和表1 圓柱坯料及模具材料機械和物理特性參數。設置常溫為20 ℃，模具為剛性體、成型件為塑性體，鐓粗速度為5 mm/s、模鍛速度為30 mm/s，鐓粗上模與圓柱毛坯摩擦系數、圓柱毛坯與鐓粗下模摩擦系數、模鍛上模與鐓粗成型件摩擦系數、模鍛下模與鐓粗成型件摩擦系數均為0.12。對機械齒輪鐓粗、模鍛成型進行仿真分析，為了簡化計算，結合機械齒輪鍛件對稱特性，取1/4 模型進行計算機仿真分析，運用計算機計算得到機械齒輪成型仿真結果如下文所示。

3 仿真結果與分析

3.1 機械齒輪鐓粗成型分析

仿真計算得到機械齒輪初始圓柱坯料鐓粗成型等效應力如圖3 所示。

圖3 機械齒輪初始圓柱坯料鐓粗成型等效應力Fig.3 The equivalent stress of upsetting forming of initial cylindrical blank of mechanical gear

由圖3 可知，機械齒輪初始圓柱坯料在鐓粗成型工藝中，在不同仿真時間下，鐓粗件等效應力不同；在開始階段不同半徑處的鐓粗件等效應力無差異，隨著鐓粗不斷的進行，不同半徑處鐓粗件等效應力存在差異，且半徑越大，等效應力越小，但三個不同位置的等效應力差值較小；在鐓粗時圓柱坯料產生較大的塑性變形至鐓粗終鐓時，鐓粗成型件保持較高的應力，機械齒輪坯心部時高應變區域，對應等效應力場呈現由內向外沿徑向方向逐漸減小最后趨于穩定的趨勢，整體等效應力場分布比較均勻。

3.2 機械齒輪模鍛成型分析

仿真計算得到機械齒輪鐓粗成型件模鍛成型等效應力如圖4 所示。由圖4 可知，機械齒輪鐓粗成型件模鍛成型工藝中，在不同仿真時間下，模鍛成型件等效應力不同；在開始階段不同半徑處的鐓粗件等效應力無差異，隨著模鍛成型不斷的進行，不同半徑處鐓粗件等效應力存在差異，且半徑越大，等效應力越小，但三個不同位置的等效應力差值較小；在鐓粗成型件進行模鍛模具組成的模膛時，由于模膛內部較為復雜，再次發生較大的塑性變形，且模鍛成型件整體等效應力場分布比較均勻。

圖4 機械齒輪鐓粗成型件模鍛成型等效應力Fig.4 Mechanical gear upsetting molding equivalent stress

4 結論

模鍛成型是機械齒輪成型方式之一，為了獲得力學性能優良和加工性能好的機械齒輪，以某機械齒輪為研究對象，運用專業成型分析軟件Deform 對機械齒輪模鍛成型進行計算機模擬，分析了機械齒輪模鍛成型過程中效應力的分布規律。該研究為機械齒輪模鍛成型工藝改善及工藝參數優化提供理論基礎及技術支撐，同時也為高性能齒輪傳動系統成型提供基礎。