計算機模擬分析在粉末冶金齒轂開發中的應用

文／錢夏晨，石小榮，張艷偉，夏敏，申寶林·江蘇智造新材有限公司

粉末冶金齒轂作為變速器關鍵零件，在變速器中大量應用，粉末冶金成形方法具有加工節拍高、產品質量好等優點，其成形的關鍵點主要是壓制工藝及模具，對于齒轂來說模具結構通常都是上三下三或者上三下四，模具結構復雜、成本高。在以往的產品開發過程中大部分還是憑經驗進行模具設計和調模，調試過程非常依賴有經驗的調模工程師。模具一旦發生異常損壞，因影響因素較多，只能將各原因逐一進行排除。本文介紹了借助于計算機模擬分析軟件Deform-3D 對壓制成形分析和模具應力進行分析，找到零件壓制工藝調整與模具之間的關系，提前發現零件可能出現的缺陷和模具應力最大點，并針對性地進行改進，保證產品的批量生產。

隨著我國汽車工業的發展，對汽車關鍵部件變速器要求越來越高，除了強度和穩定性的要求外，進一步降低制造成本也是一個重要的課題。粉末冶金工藝制造的同步器齒轂具有成本低、形狀復雜、一致性高等特點，廣泛用于汽車同步器齒轂的生產上，同步器齒轂生產的關鍵是粉末壓制工藝及模具，其決定了產品質量和批量穩定性，本文通過Deform-3D 模擬分析，可以模擬齒轂壓制工藝及模具的受力狀態，提前預知零件的壓制缺陷和模具應力集中部位，為后續的調模及模具設計提供理論指導。

圖1 為某轎車變速箱同步器齒轂示意圖，該產品月需求量5 萬件。零件結構復雜，有45 個均布的外花鍵直齒，36 個內花鍵直齒和2 組均布的卡簧槽。零件材料為JF4141，密度為7.0g/cm3，燒結后硬度在300HV 以上。本文以此件為例闡述軟件模擬在粉末冶金齒轂開發中的應用。

圖1 某轎車變速箱同步器齒轂示意圖

分析模型的建立

根據零件圖及粉末冶金工藝特點，利用三維軟件建立零件及模具的分析模型，如圖2 所示。

圖2 零件及模具的分析模型

軟件介紹

利用Deform-3D 軟件，模擬分析零件成形過程，可快速直觀地獲得粉末成形模具粉料填充、材料流動、密度變化、成形噸位、溫度場分布、應力應變、能量及裂紋等信息，同時，該數值仿真系統可對粉末成形后的產品進行燒結工藝分析，預測燒結后的產品體積變化及內應力、密度等。通過數值模擬技術可以讓設計工程師更直觀地了解粉末冶金制品在壓制過程中的狀態變化，幫助經驗不足的工程師早期發現可能存在的設計問題，輔助分析產品生產過程中可能導致缺陷的原因。指導成形模具和工藝參數的優化設計，越來越多的工業化應用也能推動粉末冶金工藝的設計科學發展。圖3 為Deform-3D 軟件模擬齒轂成形建立的3D 分析模型。

圖3 模擬齒轂成形建立的3D 分析模型

邊界條件

由于載荷和幾何形狀的對稱性，為了減少計算量，將齒轂壓制分析模型簡化為1/3 對稱模型，并進行網格劃分，如圖4 所示。材料為JF4141(企業材料庫)，模具為硬質合金和SKD11。摩擦系數為0.08，松裝密度為2.8g/cm3，求解器為共軛梯度法，迭代方法采取直接迭代法。

圖4 成形模型示意圖

成形工藝有限元模擬

零件成品尺寸如圖5 所示，根據零件圖及粉末冶金工藝特點，初步設計兩種成形移粉方案，如圖6所示。

圖5 零件成品尺寸

圖6 成形移粉方案

根據Deform-3D 模擬分析結果顯示(圖7)，方案一可以清楚看到在圓角處出現了密度極低的情況，這也表明該處出現裂紋的幾率非常大。方案二可以看出密度分布比較均勻，產品狀態良好。

圖7 兩種方案的成形模擬結果

通過對比分析，方案二更加符合設計要求，方案二主要模擬成形壓制過程如圖8 所示，通過分析產品在壓制過程中的密度變化，可以發現零件成形過程中密度變化比較均衡，密度分布比較均勻。

圖8 方案二主要成形過程模擬

通過模擬分析，方案二成形壓力情況如圖9 所示，1/3 模型零件模具合計受力為82.2t，總成形理論噸位：83.2×3=249.6t。根據我司現有設備情況，推薦使用DORST 500t CNC 壓力機。實際生產噸位約為230t，與模擬結果較接近。

圖9 方案二成形壓力預測分析

如圖10 所示，通過模具應力分析，將產品壓制后產生的壓力作為模具的受力情況，這樣可以得到更準確的模具應力分析。如圖11 所示，同樣對其他模具進行分析，可以清楚地得到每個模具上的應力分布情況，經過分析，模具未出現應力集中點，所受應力均在模具許可范圍內。

圖10 方案二單個模具受力加載及應力分析

圖11 方案二所有模具應力分析結果

結論

⑴通過Deform-3D 模擬分析確認，方案二成形過程，零件密度分布均勻，模具受力狀態合理，大大降低了零件產生裂紋的風險，降低了模具開裂早期失效的風險。

⑵通過工程驗證，方案二成功試制出粉末冶金齒轂零件，如圖12 所示。零件無裂紋缺陷，密度均勻，強度滿足客戶要求，與模擬結果一致。說明通過Deform-3D 模擬，可以輔助解決成形過程中的一系列問題，提高成形過程穩定性，降低生產成本。

圖12 齒轂成品零件

⑶利用計算機軟件分析可以幫助新入門的工程師設計模具壓制工藝，指導模具設計。