田 維，安喜梅，程旺軍

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司物資采購(gòu)管理部，陜西 西安 710018)

大模數(shù)直齒圓柱齒輪精鍛數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)

田 維1，安喜梅2，程旺軍1

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司物資采購(gòu)管理部，陜西 西安 710018)

采用閉塞式精密模鍛技術(shù)的40Cr直齒圓柱齒輪，設(shè)計(jì)了一種全新的圓柱直齒輪溫精鍛成形模具，利用UG軟件對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維造型，通過(guò)有限元分析軟件DEFORM-3D對(duì)精鍛成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了齒輪成形過(guò)程的等效應(yīng)力圖和變形速度圖。結(jié)果表明：采用閉塞式溫鐓擠復(fù)合成形工藝，能夠得到齒形完整，強(qiáng)度和精度較高的齒輪產(chǎn)品。

直齒圓柱齒輪；閉式精密模鍛；模具設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

0 前言

齒輪作為一類傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的零件，廣泛應(yīng)用在汽車、化工、儀表及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。齒輪的制造方法有很多種，如：切削加工法、鑄造法及鍛造法等。切削加工法生產(chǎn)齒輪，其材料利用率和生產(chǎn)效率較低；鑄造法主要生產(chǎn)一些形狀比較復(fù)雜，外形尺寸比較大的齒輪，但鑄造齒輪強(qiáng)度低，缺陷多，廢品率較高；鍛造法主要生產(chǎn)一些對(duì)強(qiáng)度要求比較高的齒輪，如汽車變速箱，減速機(jī)，齒輪箱等[1-4]。鍛造法生產(chǎn)齒輪包括很多種類型，比如：普通鍛造，半精密鍛造和精密鍛造等[5-7]。目前，精密鍛造法生產(chǎn)的全纖維齒輪因其高精度，高強(qiáng)度和較高的材料利用率，越來(lái)越受到廣大專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的青睞；加快開發(fā)與齒輪精鍛有關(guān)的新技術(shù)、新工藝已經(jīng)成為當(dāng)前我國(guó)齒輪制造行業(yè)所面臨的最緊迫任務(wù)[8-10]。本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)40Cr直齒圓柱齒輪的精鍛成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析，設(shè)計(jì)了直齒圓柱齒輪精密鍛造成形模具。

1 工藝分析及計(jì)算

直齒圓柱齒輪在結(jié)構(gòu)上屬于回轉(zhuǎn)體，精鍛時(shí)只成形齒輪的輪齒部分[11]，其零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。材料為40Cr，模數(shù)m=3，齒數(shù)z=27，壓力角a=20°，χ=0.1，h*=1.0。利用分度圓法計(jì)算的齒輪毛坯體積為59665 mm3。根據(jù)直齒圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)特征，采用閉塞式溫鐓擠復(fù)合成形工藝，即軸向鐓粗+徑向充型的一次復(fù)合工藝[12]。整個(gè)工藝路線：棒材下料-前處理-坯料加熱-毛坯溫精鍛-冷精整-后處理。最后根據(jù)齒輪的零件特點(diǎn)及參量，計(jì)算并繪制的齒輪鍛件如圖2所示。

圖1 齒輪零件圖Fig.1 Gear part drawing

圖2 齒輪鍛件圖Fig.2 Gear forging

2 數(shù)值模擬

根據(jù)直齒圓柱齒輪閉塞式溫鐓擠復(fù)合成形工藝，利用DEFORM-3D V10.2模擬軟件對(duì)直齒圓柱齒輪精鍛成形進(jìn)行分析。通過(guò)三維軟件UG 6.0對(duì)模具成形部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行造型并導(dǎo)出STL格式的裝配文件，建立的有限元模型如圖3所示。整個(gè)模擬過(guò)程只考慮實(shí)心坯料的變形，不考慮模具受力和變形情況，故設(shè)坯料為塑性體，模具為剛性體[13]。坯料材質(zhì)為40Cr，即德國(guó)牌號(hào)DIN-41Cr4；模具材料為4Cr5MoSiV1，即美國(guó)牌號(hào)AISI-H13。坯料鍛造溫度為900 ℃，模具預(yù)熱為300 ℃。坯料四面體網(wǎng)格數(shù)為80000，步長(zhǎng)為0.2 mm，剪切摩擦系數(shù)為0.25，坯料與模具之間的導(dǎo)熱系數(shù)為5，模擬溫鍛速度為6 mm/s。

圖3 齒輪精鍛有限元模型Fig.3 FEM model for gear forging

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 等效應(yīng)力分析

直齒圓柱齒輪精鍛等效應(yīng)力分布如圖4所示，整個(gè)精鍛過(guò)程坯料的變形主要分為兩個(gè)階段：擠軸孔和擠齒形兩個(gè)階段。凸模向下擠壓是一個(gè)局部加載的過(guò)程，當(dāng)凸模與坯料接觸時(shí)，與凹模型腔接觸的部位首先發(fā)生變形，凸模主要擠齒輪中間的軸孔，應(yīng)力集中最先出現(xiàn)在凸模和坯料相接觸的部位，并在凸模圓角半徑處達(dá)到最大；隨著坯料繼續(xù)變形，當(dāng)坯料外徑與凹模型腔接觸時(shí)，坯料齒形部位由于凹模型腔的約束作用而產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，整個(gè)過(guò)程等效應(yīng)力沿毛坯直徑方向由里到外先增大后減小，在齒頂處達(dá)到最大；精鍛后期主要成形齒輪齒形，在鍛件齒形處的應(yīng)力集中最為明顯，最大等效應(yīng)力為635 MPa，明顯小于40Cr的屈服極限。坯料成形后期在齒輪齒尖部位出現(xiàn)了凸耳，模腔齒形部位填充飽滿，無(wú)明顯的斷料缺口和余料飛邊，表明整個(gè)凹模型腔已經(jīng)完全充滿。

圖4 第20、30、40、50步時(shí)的等效應(yīng)力分布Fig.4 Distributions of equivalent stress field in the 20th step, 30th step, 40th step and 50th step

3.2 變形速度分析

直齒圓柱齒輪精鍛的變形速度分布如圖5所示，整個(gè)成形過(guò)程隨著坯料形變量的累積，坯料各處的流動(dòng)速度呈逐漸增大的趨勢(shì)。變形開始時(shí)實(shí)心坯料的部分金屬流體沿徑向流動(dòng)，變形速度逐漸增加，而齒輪齒形部位的坯料基本沒(méi)有發(fā)生較大變形，此時(shí)最大變形速度為9.14 mm/s，如圖5a所示。隨著坯料的繼續(xù)變形，坯料齒形部位金屬流體的變形速度逐漸增大，金屬流體呈輻射狀并沿四周流動(dòng)，此時(shí)軸孔處的變形速度逐漸減小，在與凸模相接觸的部位速度產(chǎn)生了回流，此時(shí)坯料的最大變形速度為61.8 mm/s，如圖5c所示。模腔齒形填充是齒輪成形的最關(guān)鍵階段[14]，在填充完成時(shí)坯料流體的最大變形速度達(dá)到142 mm/s。在齒形填充后期，金屬流體總的流動(dòng)方向基本沒(méi)有發(fā)生變化，齒形填充飽滿，并沒(méi)有出現(xiàn)大量的金屬回流和速度交織現(xiàn)象，充分說(shuō)明了此工藝的可行性。

圖5 第20、30、40、50步時(shí)的變形速度分布Fig.5 Distributions of velocity field in the 20th step, 30th step, 40th step and 50th step

4 模具設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元模型和工藝模擬的結(jié)果，設(shè)計(jì)的直齒圓柱齒輪溫精鍛模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。模具成形部分的結(jié)構(gòu)由凸模9、凹模5、齒輪頂塊10三部分組成；凹模5與預(yù)應(yīng)力圈3過(guò)盈配合在浮動(dòng)模座8上；導(dǎo)柱7和導(dǎo)套2構(gòu)成了浮動(dòng)模座8的導(dǎo)向系統(tǒng)；實(shí)心坯料6放在凹模型腔5中通過(guò)坯料外徑與凹模模腔定位，采用凹模上的斜面坡口(圖6放大所示)對(duì)凸模進(jìn)行定位；利用電阻絲4對(duì)模具和坯料加熱保溫。具體工作過(guò)程：凸模在壓力機(jī)滑塊的作用下沿其軸向向下運(yùn)動(dòng)與實(shí)心坯料的上表面接觸，此過(guò)程開始擠壓齒輪的軸孔；當(dāng)凸模凸緣部位與浮動(dòng)凹模上表面接觸時(shí)，凸模與浮動(dòng)模座整體在彈簧作用下向下浮動(dòng)，此時(shí)凸模、凹模和齒輪頂塊形成了封閉的型腔。實(shí)心坯料在頂料齒輪的作用下，在凹模型腔中發(fā)生徑向流動(dòng)，直至坯料充滿整個(gè)模腔而停止，此過(guò)程主要擠壓齒輪的齒形[15-16]。成形結(jié)束后凸模在彈簧回復(fù)力作用下隨壓力機(jī)的滑塊上行，齒輪鍛件6在頂桿11和齒輪頂塊10組成的推出系統(tǒng)下從凹模型腔5中脫模，完成一個(gè)工作循環(huán)。

1.下模座 2.導(dǎo)套 3.預(yù)應(yīng)力圈 4.電阻絲 5.凹模 6.齒輪鍛件 7.導(dǎo)柱 8.浮動(dòng)模座 9.凸模 10.齒輪頂塊 11.頂桿圖6 齒輪精鍛模具結(jié)構(gòu)Fig.6 Die structure of spur gear precision forging

6 結(jié)論

利用DEFORM-3D軟件對(duì)直齒圓柱齒輪精鍛成形過(guò)程進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，采用的閉塞式溫鐓擠復(fù)合成形工藝是可行的。在有利于坯料充型的同時(shí)又提高了齒輪的精度和質(zhì)量，模具設(shè)計(jì)所采用的浮動(dòng)式凹模結(jié)構(gòu)使成形力降低，在整體式凸模上采用的新型飛邊分流結(jié)構(gòu)能保證齒形部位的完全充滿，采用的斜面定位結(jié)構(gòu)既簡(jiǎn)單又能保證凸模準(zhǔn)確定位。閉塞式溫鐓擠復(fù)合成形工藝，其模具設(shè)計(jì)相對(duì)成熟簡(jiǎn)單，能夠得到齒形完整，強(qiáng)度和精度較高的齒輪產(chǎn)品，此研究為齒輪凈成形技術(shù)的發(fā)展奠定了一定基礎(chǔ)。

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Numerical simulation and die design of big module spur gear for precision forging

TIAN Wei1, AN Xi-mei2, CHENG Wang-jun1

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China;2.PetroChina Changqing Oilfield Branch, Material Purchasing Management, Xi’an 710018, China)

The closed-die precision forging was adopted to manufacture spur gear whose material is 40Cr. A new die structure for closed-die warm precision forging of spur gear was designed. Three-dimensional modeling of the dies was created by UG. The precision forging process was simulated by the FEM software DEFORM-3D, which the distributions of equivalent stress and velocity field in the simulated forging process were acquired. The result shows that the complete tooth, high strength and precision of spur gear products can be obtained by using closed-die upsetting-extrusion compound forming technology.

spur gear; closed-die precision forging; die design; numerical simulation

2015-08-27；

2015-09-18

田維 (1977-)，女，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司工程師，注冊(cè)設(shè)備監(jiān)理工程師，高級(jí)設(shè)備監(jiān)理師。

TG376.2

A

1001-196X(2016)02-0070-04