基于數值模擬分析結合齒溫鍛成形工藝及缺陷控制研究

2021-02-26 11:29:10黃斯韜代先東曹建國

模具工業 2021年1期

孫陽，黃斯韜，武歡，代先東，曹建國

（四川大學機械工程學院，四川成都 610065）

0 引言

結合齒用于汽車變速箱的傳動和換擋，是變速箱內關鍵零件之一。國內結合齒一般采用傳統機加工成形，因其效率低，切削后金屬流線被破壞，導致結合齒強度降低及使用壽命短等問題。齒輪精密塑性成形方法消除了上述缺陷，使結合齒具有材料利用率高、制造力學性能好、制造成本低、使用壽命長等優點。溫精鍛結合冷、熱精鍛的優點，既有較低的材料變形抗力，又能保證零件表面質量和尺寸精度，但不同工藝方案對于溫精鍛影響較大，如齒形填充不滿、折疊缺陷、成形載荷大、模具零件磨損快等。因此通過數值模擬技術可以快捷、低成本優化溫精鍛工藝方案。

結合齒結構較復雜，難以在保證成形質量和精度的前提下一步成形，需要經過預鍛+終鍛，成形直齒后擠壓倒錐。現以某結合齒成形直齒為例，利用SolidWorks 建模技術，采用DeForm-3D 進行數值模擬，利用Archard 公式，分析研究結合齒預鍛成形過程中不同連皮位置、不同成形方案對成形質量的影響。

1 結合齒成形工藝分析及優化

1.1 工藝分析

結合齒如圖1 所示，齒輪模數為1.58 mm，齒數為54，材料為20MnCr。開式模鍛是材料在不完全受限制的模膛內流動，首先材料流向模膛，當模膛阻力增加后，部分材料會沿水平方向流動形成飛邊。隨著飛邊不斷減薄與該處材料溫度降低，導致形成飛邊的流動阻力加大，迫使更多材料流入模膛。多余材料在模膛充滿后，逐漸形成飛邊流出。傳統開式模鍛成形方案有2 種：一種是金屬沿徑向流動填充齒形，即徑向擠壓；另一種是金屬向下流動充填齒形，即正向擠壓。這2 種方法預鍛坯料不同，將導致模具所受載荷與磨損有較大區別。為了有利于鍛造后沖孔，沖孔連皮一般設置在坯料中心或坯料下表面。由理論分析可知，成形方案和沖孔連皮位置必然會對齒輪成形質量產生重要影響。現研究不同成形方案與不同位置的沖孔連皮的成形效果，進行模擬試驗對比，獲得適用于該結合齒成形的最佳工藝方案。

圖1 結合齒

1.2 確定工藝方案

2種沖孔連皮位置如圖2所示，為保證最終結合齒尺寸精度，設置1.5°拔模角以便鍛造后將成形零件取出。零件設置1～2 mm 加工余量，以便溫鍛后僅需要少量機加工。

圖2 2種連皮位置的齒輪鍛件

4 種成形方案如圖3 所示，方案1 為徑向擠壓且沖孔連皮設在坯料下表面，方案2 為正向擠壓且沖孔連皮設在坯料下表面，方案3 為徑向擠壓且沖孔連皮設在坯料中心，方案4 為正向擠壓且沖孔連皮設在坯料中心。采用SolidWorks計算鍛件三維模型體積，并對模具進行三維建模，導出后借助DeForm-3D 進行模擬分析，采用修正的Archard 模型進行模具零件磨損分析。

圖3 4種成形方案

1.3 確定工藝參數

坯料為20MnCr，凸、凹模為H13 鋼。溫鍛成形中坯料成形溫度一般為650～900 ℃，坯料塑性變形難易程度與溫度設置密切相關，根據參考文獻坯料溫度設置為850 ℃，凸模預熱溫度設置為150 ℃，凹模預熱溫度設置為300 ℃，摩擦因數設置為0.25，熱傳導系數取5 N/（s?mm?℃）。由于零件對稱性，4 種方案取整個模型的1/9，即6 個齒為研究對象。對坯料和模具進行網格細化，并設置對稱面和熱交換面。凸模運行速度設置為100 mm/s。

2 有限元模擬結果及分析

模擬結果如圖4所示，方案1和方案2最后齒形填充飽滿且形狀完整，但成形過程中坯料出現材料折疊缺陷。方案1 凸模接觸坯料后對其進行擠壓，底部和側壁材料受力向齒形與空隙部位流動，隨著凸模繼續下行，底部材料受力將會斜向上流動，側壁材料向徑向流動，在中心孔側壁相遇并形成折疊缺陷。方案2 不僅在中心孔側壁形成折疊缺陷，還在齒形頂部所在的橫端面形成折疊缺陷。將方案1和方案2 底部材料減薄、增加側壁材料依然出現折疊缺陷，甚至出現齒形填充不飽滿，說明沖孔連皮留在坯料下表面不合理。方案3 和方案4 成形后齒輪形狀完整、飽滿，材料未發生折疊缺陷，說明方案3 和方案4 可以得到滿足要求的結合齒。因此選取方案3 和方案4 進行成形載荷、應力應變分布及模具零件磨損分析。

圖4 模擬結果

2.1 成形載荷分析

圖5 所示為方案3 和方案4 的凸模運動行程-載荷曲線，方案3當凸模下行接觸坯料后，材料向下流動，成形阻力相對較小且變化緩慢，隨后材料將沿著徑向方向流動填充齒形，載荷不斷增加，當齒形填充飽滿后，材料流向齒形上面的空隙區域，材料流動阻力明顯增加，導致載荷變化速率提高，直到材料填充飽滿，多余材料形成飛邊。方案4 運動方式與方案3 相近，但方案4 坯料外形尺寸與凹模更接近，其行程路徑少，材料后期成形阻力小于方案3，能更快速成形。方案4的成形載荷開始低于方案3，平均成形載荷減少了28.5%，方案3和方案4凸模最大載荷分別為10.3×103kN 和9.6×103kN，表明方案4成形合理，能減少成形載荷。

圖5 2種方案的行程-載荷曲線

2.2 應力應變分析

圖6 所示為結合齒溫鍛結束時等效應力分布，方案3的等效應力最大值為345 MPa，集中在齒坯頂部凹槽和連皮，齒部與齒根附近等效應力均勻分布，約255 MPa，底部等效應力最小。這是由于徑向成形過程中，凸模向下運動同時接觸坯料頂部及連皮，導致坯料頂部及連皮先受到力的作用并在達到屈服條件后產生變形，少部分坯料向下流動，大部分坯料徑向流動到齒形，所有成形力均由坯料頂部及連皮傳遞。方案4的等效應力最大值為333 MPa，集中在齒坯頂部凹槽，齒部與齒根附近等效應力均勻分布約230 MPa，底部等效應力最小。這是由于正向成形過程中，坯料在凸模擠壓開始后向下流動到齒形和底部，待其填充飽滿后材料在推動力作用下繼續流動到其他部位。方案4的等效應力分布更均勻，且低于方案3，對結合齒的成形及模具使用壽命的延長有較好的作用。

圖6 等效應力分布

研究等效應變在成形過程中的分布規律，分別在連皮、齒根中間、齒頂選取3 個點，其取平均值后的應變曲線如圖7 所示。2 種方案主要成形部分集中在齒根中間和齒頂處，等效應變較大，連皮位置材料流動順暢，其等效應變較小。方案3 在成形初期被擠壓的材料徑向流動到齒形型腔部分，其等效應變增加緩慢。隨著凸模繼續擠壓，坯料開始接觸鎖止角型腔后，其等效應變快速增加。齒頂處等效應變在運行0.13 s 突然增大，這是由于齒形已經完全填充飽滿，材料無法流動到齒形。方案4 齒根與齒頂中間平均應變趨勢相近，這是因為材料受力從齒形上端面擠壓形成齒形，齒形部分幾乎同時充滿，未出現等效應變突然增加的情況。經對比，方案4可有效降低等效應變。

圖7 等效應變分布

2.3 模具零件磨損量分析

為了使模具零件磨損模擬更加準確，引入了Archard 磨損模型。為保證模具零件磨損參數與實際情況相似，設置模具零件初始硬度為55 HRC，磨損系數K為2×10-6，模擬結果如圖8 所示。方案3 凹模最大磨損量為3.34×10-6mm，位于凹模接觸連皮處，齒形位置最大磨損量為1.72×10-6mm。方案4 凹模最大磨損量為2.60×10-6mm，也是位于凹模接觸連皮處，齒形位置最大磨損量為1.55×10-6mm。方案4比方案3 凹模最大磨損量少0.74×10-6mm，齒形位置最大磨損量少0.17×10-6mm，選取方案4 可延長模具使用壽命，降低模具開發成本。