齒輪毛坯鍛造有限元分析
陳 飛，吳 昊，韓靈全，吳 建，溫慧華，聶嘉呈，徐 月
（太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）
摘要：本著“優(yōu)化設計”的理念，建立齒輪毛坯模型，對其進行數(shù)值計算和有限元分析。通過對不同尺寸的毛坯進行金屬流動性、等效應變分布以及上模具行程載荷分析，為其進行精密鍛造的最佳工藝參數(shù)選取提供依據(jù)。
關鍵詞：齒輪毛坯；鍛造；有限元中圖分類號：TP391.7：TH132. 41
0引言
傳統(tǒng)工藝上，齒輪加工要經(jīng)過毛坯熱處理、齒坯加工、齒形加工、齒端加工、齒面熱處理、精基準修正及齒形精加工等過程。近年來，以精鍛工藝加工齒輪成為一種具有良好開發(fā)前景的新工藝，相對于傳統(tǒng)的切削加工方法而言，它不僅可以使齒輪加工的材料利用率提高到70%以上，齒輪強度提高20%以上，還可以使生產(chǎn)效率提高40%左右。本文基于DEFORM-3D有限元軟件，針對齒輪毛坯的鍛造成形工藝進行數(shù)值模擬，旨在提高材料利用率的同時，可以更好地觀察毛坯鍛造成形過程中金屬內(nèi)部的流線狀況，優(yōu)化選擇齒輪的成形工藝方案，提高齒輪零件的機械性能。
1建立齒輪及其模具的模型
本文研究的是一個要求精鍛的齒輪毛坯。該齒輪的齒數(shù)為29，齒頂圓直徑為Ф155 mm，齒厚為8 mm，輪轂高為40 mm，輪轂直徑為Ф50 mm，內(nèi)孔直徑為Ф20 mm，留有5 mm的沖孔連皮。因為要留有一定的加工余量，故取齒輪毛坯外圓直徑為Ф158 mm。齒輪毛坯結構示意圖如圖1所示，齒輪毛坯精鍛模具結構示意圖如圖2所示，齒輪毛坯精鍛的相關工藝參數(shù)見表1。
經(jīng)計算，該齒輪毛坯體積V≈208 689. 717 mm3。毛坯的體積除了鍛件本身體積之外，還應該加上少量的加工余量、飛邊等，故取其體積為214 413. 699 mm3。
2精鍛方案的初步制定
由于齒輪毛坯為回轉體，故選取圓柱棒料對其進行精密鍛造。取不同直徑的圓柱體棒料對該齒輪毛坯成形過程進行模擬。本文基于DEFORM-3D有限元分析軟件，分析不同高徑比下金屬的流動規(guī)律及齒輪內(nèi)部等效應變場分布情況。
根據(jù)體積不變原則，每種方案的有限元網(wǎng)格單元數(shù)均為50 000，仿真步長取最小單元長度的1／3。各方案初始參數(shù)設置見表2。
3計算結果分析
3.1 齒輪毛坯成形參考標準
評定齒輪毛坯最終成形優(yōu)劣的主要參考標準如下：
(1)輪轂部分首先充滿模具型腔，之后輪緣部分再充滿型腔，這兩個步驟之間的時間差要盡可能小，以保證輪緣部分擠出的毛刺盡可能少。
(2)齒輪內(nèi)部金屬流動要有一定的方向性，不能出現(xiàn)金屬回流現(xiàn)象。
(3)齒輪在成形過程中不能出現(xiàn)金屬折疊現(xiàn)象。
3.2 各方案比較
各方案鍛造過程金屬流動性數(shù)值模擬結果見圖3。
由圖3(a)和圖3(b)可知，Ф120 mm與Ф110 mm的棒料在鍛造成形過程中，輪緣部分首先充滿模具型腔，而輪轂部分成形較為困難，直到模具行程結束，輪轂部分才能完全充滿模具；此外，當輪緣部分充滿模具型腔之后，輪緣的厚度將明顯大于齒輪要求的尺寸，因此，隨著模具的下壓，輪緣部分的金屬將回流至輪轂部分，這會造成工件內(nèi)部金屬流動性的破壞，最終導致工件機械性能的下降。
由圖3(c)可知，Ф100 mm棒料在鍛造成形過程中，輪轂部分首先充滿模具型腔，隨后輪緣部分剛好充滿型腔，并且工件從上、下模具間隙擠出毛刺較少；從金屬的流動狀態(tài)分析，該棒料在整個成形過程中，金屬的流動方向趨于一致，沒有發(fā)生金屬回流現(xiàn)象，故此棒料的成形狀態(tài)良好。
由圖3(d)可知，Ф90 mm棒料的鍛造成形過程與Ф100 mm棒料類似，金屬的流動性也基本上能夠趨于一致，但輪轂與輪緣部分型腔充滿時間差較大，其性能仍需要進一步分析。
3.3 參數(shù)優(yōu)化分析
通過以上4個方案的對比分析可以看出，Ф100 mm的棒料成形效果最好，能夠很好地成形齒輪毛坯，但是否是最佳方案需要進一步分析。后續(xù)優(yōu)化各方案參數(shù)設置如表3所示。
通過仿真分析可知，Ф108 mm棒料在成形過程中，輪緣部分首先充滿模具型腔，輪轂部分后充滿，造成了金屬回流現(xiàn)象，此方案不可��；Ф105 mm棒料在成形過程中沒有出現(xiàn)失穩(wěn)、折疊以及金屬回流現(xiàn)象，但是成形時從模具間隙擠出的毛刺較多，容易引起應力集中；Ф102 mm棒料擁有良好的成形效果，除了沒有出現(xiàn)失穩(wěn)、折疊以及金屬回流現(xiàn)象外，此方案在鍛造終了的前一步略微擠出一點毛刺，因此，此方案有一定的可取性。
Ф90 mm、Ф100 mm、Ф102 mm和Ф105 mm棒料鍛造終了等效應變分布云圖如圖4所示。由圖4可以明顯看出，這4個齒輪毛坯輪轂部分的等效應變值較小，而輪緣部分以及沖孔連皮部分的等效應變值較大；輪緣部分和輪轂部分的等效應變均較為均勻，相對而言，Ф90 mm棒料在輪緣部分的等效應變均勻性最差，這可能是由于Ф90 mm棒料在成形時輪轂充滿型腔時間與輪緣充滿時間相差較大導致的，Ф100 mm和Ф102mm棒料成形后，整個工件的等效應變最為均勻。因此，從等效應變的均勻性方面來看，使用Ф100 mm和Ф102 mm棒料來對此齒輪毛坯進行鍛造，從理論上講性能是最好的。
Ф90 mm、Ф100 mm、Ф102 mm和Ф105 mm棒料在成形過程中上模具行程載荷曲線如圖5所示。由圖5可知，載荷均隨時間的增長而增大，最大載荷分別為2. 47×107 N、2. 46×107 N、2. 61×107 N、2. 98×10 7N。從行程載荷來看，這4種棒料在小型壓力機上就
能夠成形，其中Ф90 mm和Ф100 mm棒料所需要的載荷最小，最節(jié)省能量。
根據(jù)以上分析可知，使用直徑Ф100 mm、高度27.3 mm的棒料進行齒輪毛坯的鍛造最為合適，無論是從金屬的流動性、等效應變的均勻性，還是壓力機的噸位能耗角度來說，此棒料均是最佳選擇。
4結論
本文基于DEFORM-3D有限元軟件，針對齒輪毛坯的鍛造成形工藝進行數(shù)值模擬，得到如下結論：
(1)當棒料直徑為Ф105 mm～Ф120 mm時，齒輪毛坯在成形過程中輪緣部分容易出現(xiàn)金屬回流．對齒輪毛坯的力學性能不利。
(2)當棒料直徑小于Ф90 mm時，齒輪毛坯在成形過程中，輪轂部分首先充滿型腔，輪緣部分后充滿型腔，二者相差時間較長，會在一定程度上造成等效應變不均勻。
(3)當棒料直徑為Ф90 mm～Ф105 mm時，齒輪毛坯成形過程中，輪緣部分不出現(xiàn)金屬回流現(xiàn)象，也不發(fā)生折疊，成形效果較好，其中，直徑為Ф100 mm棒料成形出的齒輪毛坯無論是從金屬的流動性、等效應變的均勻性，還是壓力機的噸位能耗角度來說均最好。
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