蔡瑜瑜，周著學，王 偉

(閩南理工學院光電與機電工程學院，福建 石獅362700)

現(xiàn)代社會工藝技術(shù)水平得到很大的提升，齒輪加工技術(shù)也有了很大的發(fā)展，凈成形與接近凈成形成為人們研究的目標，并取得了很大的進步，極大的推動齒輪領(lǐng)域的發(fā)展。研究學者加強金屬塑性的研究，使得精鍛成形必然成為發(fā)展趨勢，其可以提高材料使用率、提升加工速度，且產(chǎn)品的質(zhì)量好，是目前國際社會進行制造領(lǐng)域研究的重大突破［1-4］。

張清萍［5-7］在研究中指出了兩部成形的方式來進行直齒圓柱齒輪的加工，以“閉式模鍛—向內(nèi)分流”作為重要加工方式，研發(fā)出模具成形方式，能夠有效地控制工藝技術(shù)參數(shù)；利用分流方案的調(diào)整，就能夠確定具體的變形規(guī)律與角隅充填飽滿度，能夠有效的緩解載荷過大的問題，可以提升產(chǎn)品質(zhì)量水平。張琳［8］在研究中主要使用的是分流鍛造方式，總結(jié)出具體的直齒圓錐齒輪的中心分流精鍛作業(yè)方式，并且應用DEFORM-3D 分軟件來進行中心分流精鍛成形與傳統(tǒng)的開式精鍛展開了必要的技術(shù)分析和對比。當前的加工制造領(lǐng)域內(nèi)，直齒輪、直齒圓錐齒輪在進行制作中，精密成形已經(jīng)全面的使用，但是弧齒錐齒輪的外形部分有彎曲的形狀，內(nèi)部的空間組成相對比較復雜，精密成形難度很高且材料復雜，成形載荷也相對比較大，稍有不慎就會導致質(zhì)量不合格，并且弧齒錐齒輪的各個方面尺寸要求精度都比較高，所以當前該類的尺寸并未有精密成形技術(shù)可以使用，還是在研發(fā)與試驗的環(huán)節(jié)中［9］?；↓X錐齒輪齒廓形狀有著較高復雜性，并且成形難度高、載荷大，所以這樣會直接造成加工精度難以保證，使用壽命也比較短。因此，深入研究成形載荷以及工藝參數(shù)有著非常重要的意義。

基于此，本文重點分析坯料溫度、變形速度和摩擦系數(shù)等參數(shù)對于弧齒錐齒輪精鍛加工階段所造成的影響，以及各個參數(shù)給成形載荷產(chǎn)生的變化規(guī)律。

1 成形工藝

選擇應用閉式預鍛-分流終鍛工藝進行弧齒錐齒輪加工工藝可見圖1 所示。首先是能夠閉式模鍛預鍛成形的處理，因為上下結(jié)構(gòu)部分中都有相同的凸臺結(jié)構(gòu)，所以應該從上到下進行凹腔的預鍛處理；終鍛階段，應該做好凹腔的分流處理，在給內(nèi)部進行填充作業(yè)環(huán)節(jié)，也會直接向凹腔開展充填作業(yè)，從而可以更好的做分流處理，提升坯料的性能水平。在加工中進行坯料體積的控制，可以在齒形充填結(jié)束之后，凹腔沒有完成充滿，這樣可以避免端部齒形充填壓力陡增，要有效地避免載荷過大的情況出現(xiàn)，能夠保證齒廓的精度符合要求。

圖1 閉式預鍛-分流終鍛工藝簡圖

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

為了能夠有效的掌握工藝參數(shù)給成形階段所產(chǎn)生的影響，圖2 中能夠反映出模型形式，然后將弧齒錐齒輪閉式模塊部分的加工工藝進行研究，具體技術(shù)參數(shù)可見表1。根據(jù)設(shè)計要求，把這些參數(shù)全部輸入到DEFORM 中，上凹模、上凸模、齒形凹模、下凸模定義為剛性體，工件則看做是塑性體的結(jié)構(gòu)，坯料的離散單元數(shù)52 936，然后就可以根據(jù)實際需要設(shè)計成為模型作出分析，如圖3 所示。工藝參數(shù)如下所示：齒數(shù) Z = 18，模數(shù) m = 4 mm，螺旋角 β = 31°，壓力角α = 20°，齒頂高系數(shù)ha* = 1，法面頂隙系數(shù)c= 0.2，旋向為左旋。

圖2 弧齒錐齒輪模型

圖3 弧齒錐齒輪閉式模鍛有限元模型

表1 弧齒錐齒輪閉塞式模鍛工藝參數(shù)

2.2 坯料溫度對成形過程的影響

坯料溫度對于精鍛的影響是最為直接的，其主要是關(guān)系到成形效果、變形力大小、產(chǎn)品性能與表面質(zhì)量等方面。為了能夠使得20Cr 鍛造加工階段有著較高的可鍛性，且成品中有非常好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織形態(tài)，這就需要做好鍛造溫度的管控。

因為弧齒錐齒輪在進行精鍛加工階段，鍛坯部件所出現(xiàn)的彈性變形會比塑性變形要小很多，所以在分析中就不會再分析彈性變形方面，本次在分析中，模型中主要是進行流動應力與材料狀態(tài)函數(shù)展開分析，同時應該考慮到應變、溫度、應力等多個因素。考慮到剛性材料的特點，其流動應力可考慮為應變、應變速率以及溫度的函數(shù)：

為了能夠保證坯料鍛造開始階段能夠消除溫度所產(chǎn)生的影響，所以應該做好溫度的控制，一般確定始鍛溫度為 600 ℃、700 ℃、800 ℃，因為各個部分的初始狀態(tài)會有比較大的不同，那么在進行閉式模鍛加工環(huán)節(jié)就會形成如下的載荷-行程曲線如圖4 所示。從圖內(nèi)分析可以發(fā)現(xiàn)，溫度的增加，相應的行程位置所承受的荷載是很小的。800 ℃時的最大成形載荷比600 ℃時的最大成形載荷降低了39.8%。結(jié)合該規(guī)律進行分析，主要的原因就是溫度的增大，會出現(xiàn)軟化明顯的情況，材料的屈服極限逐漸降低，塑性則會升高，那么此時的變形量會相應的減小。因此，弧齒錐齒輪開展精鍛加工時，應該做好溫度的調(diào)整，以保證金屬流動性合理，從而可以保證成形載荷更加的科學合理。

圖4 不同坯料溫度條件下載荷-行程曲線

2.3 變形速度對成形過程的影響

從實際加工的情況分析能夠發(fā)現(xiàn)，材料變形抗力會由于溫度的增大而產(chǎn)生比較大的變形，而反過來，變形速度也會給溫度造成比較大的影響，從這個方面出發(fā)，變形速度分析尤為關(guān)鍵。為了可以有效地計算出鍛造溫度給成型所存在的影響，分別取變形速度為 1 mm/s、10 mm/s 和 20 mm/s 三種情況，其他因素全部一致，此時就能夠繪制出行程-載荷曲線如圖5 所示。從變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，變形速度從1 mm/s增加到10 mm/s 時，成形載荷是比較低的，而從10 mm/s 到20 mm/s 時，此時最終荷載變化趨勢是很小的。雖然在某種程度上會導致變形速度比較高，金屬應變速率應該得到提升，所以導致變形抗力也很大，而坯料溫度也會是影響較大的因素，鍛造速度超高會造成坯料與模具方面的熱交換量是很小的。

圖5 不同變形速度條件下載荷-行程曲線

2.4 摩擦系數(shù)對成形過程的影響

摩擦系數(shù)主要是影響充填速度。塑性成形時，摩擦的變化有著很高的復雜性，此時所產(chǎn)生的影響也比較大，但是目前機理尚未進行研究，但是多種摩擦模型已經(jīng)能夠展開模擬分析確定，比如進行庫倫摩擦模型分析、 常數(shù)模型分析等等。當前在成形分析中，具體就是通過常數(shù)系數(shù)剪切模型的方式作出深入分析，具體摩擦力參數(shù)通過下式(2)計算：

其中fs是摩擦應力，k 是剪切屈服應力，m 是摩擦系數(shù)。

為了能夠綜合分析具體的摩擦系數(shù)會給弧齒錐齒輪鍛造成形載荷所造成的較大影響，在其他初始條件完全相同條件下，確定取摩擦系數(shù)為0.15、0.25、0.35 的條件下模擬分析精鍛過程，其載荷-行程曲線如圖6 所示。

圖6 不同摩擦系數(shù)下的最大載荷

從圖6 的載荷-行程曲線方面分析能夠確定，在其他條件完全一致的條件下，摩擦系數(shù)如果持續(xù)的增大，會造成成形載荷也會變大。因此，在齒形填充符合技術(shù)要求時，要通過合適潤滑劑來進行潤滑處理，此時可以有效的降低摩擦系數(shù)，然后進行成形載荷的下降，從而不會給設(shè)備造成任何的影響，避免造成使用壽命下降的情況。

3 結(jié)論

選用閉式模鍛工藝作為研究對象，分析了工藝參數(shù)對成形的影響，然后得到如下結(jié)論：

(1) 成形載荷會因為坯料模鍛溫度而下降。因此，對于材料符合要求的基礎(chǔ)下，應該促進溫度的上升以保證金屬流動性，成形載荷達到標準。

(2)變形速度如果持續(xù)上升，金屬流動速度也會相應提升，載荷會下降，但是變化趨勢并不明顯。因此，要合理控制鍛造速度，會出現(xiàn)載荷增大的情況。

(3)摩擦系數(shù)變大也會導致載荷增加。因此，齒形充填符合要求的條件下，要選擇合適潤滑劑進行潤滑處理，能夠保證載荷下降，延長模具使用壽命。