直齿圆柱齿轮冷精锻成形数值模拟及优化

陈昶

摘 要：采用DEFORM-3D有限元软件对直齿圆柱齿轮的单终锻工步无飞边模锻工艺进行了数值模拟，分析了成形过程和模具载荷。提出孔分流法改进工艺，即对毛坯加工中心孔，改进后工艺降低了模具所受载荷，有利于减少能源的消耗，增加模具的使用寿命，同时提升了材料的利用率。

关键词：直齿圆柱齿轮；冷精锻；数值模拟；优化

中图分类号：TG316 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0111-03

Abstract： DEFORM-3D finite element software was used to simulate the single end forging process of spur gear， and the forming process and die load were analyzed. This paper puts forward the improved technology of hole shunt method， that is， the improved process can reduce the load on the mould， reduce the energy consumption， increase the service life of the mould， and improve the utilization ratio of the material after the improvement of the blank machining center hole.

Keywords： spur gear； cold precision forging； numerical simulation； optimization

引言

直齒圆柱齿轮作为一种重要的传递力和运动的元件，在汽车、船舶、航空、军工以及仪器仪表等行业有着极为广泛的应用[1]。常用的齿轮加工方法有铣齿、磨齿、插齿、剃齿和滚齿等等，这类切削加工方法生产的齿轮虽然精度较高，但是存在效率及材料利用率较低等问题，并且由于金属流线在切削加工过程中被切断以及产生残余应力等因素，通常需要通过大量后续热处理来提高强度和消除应力，因此部分齿轮的切削加工已经逐渐被其他方法所替代[2]。

上世纪五十年代，由于没有足够的切削加工机床，德国人开始研究使用精密锻造的方法生产锥齿轮并获得了成功，经过几十年的发展，精锻工艺已经应用到了直齿轮、斜齿轮、人字齿轮等绝大部分同类零件的生产[3]。根据锻造温度的不同，精锻分为冷精锻、温精锻和热精锻，冷精锻加工的制件金属流线完整，没有再结晶过程抵消所产生的加工硬化，因此强度较高，此外，冷精锻是在室温下进行，不存在氧化、过热、脱碳、热胀冷缩等缺陷，锻件精度和材料利用率高，表面粗糙度低，所以在精锻齿轮领域应用尤为普遍[4-7]。

某型号直齿圆柱齿轮为批量生产的定制机械关键零件，本文通过DEFORM-3D有限元软件，在传统封闭式无飞边冷精锻的基础上提出了孔分流法降压的改进工艺，在保证零件成形完整和较高的材料利用率的前提下，有效的降低了模具载荷，提高了模具的使用寿命。

1 初始工艺方案的提出

齿轮零件参数如表1所示，零件图如图1所示。该齿轮采用20CrMnMo制造，为典型的盘饼类零件，只需采用单终锻工步无飞边模锻成形，轴孔及键槽由少量后续切削加工获得。

初步采用传统的全封闭无飞边模锻方法，其三维模型见图2。坯料采用齿根圆定位方式，通过PRO/E测的锻件体积为138648mm3，因此采用坯料尺寸为Φ82.5×26mm。

2 数值模拟分析

由于该零件具有对称性，为了提高计算效率，取1/10个模型进行分析。毛坯选用DEFORM-3D材料库中与20CrMnMo相对应的AISI-4120，采用绝对网格划分法，并对坯料外缘形成齿形部分进行网格局部细化处理，定义模具为刚性，摩擦系数选择剪切摩擦模型中的硬质合金冷成形通用值0.08，视凸模为主模具，下压速度10mm·s-1，设置步长为0.15mm，约等于最小网格尺寸的1/3，忽略温度效应[8]，对初始锻造工艺方案进行数值模拟。

图3为初始工艺方案下锻件的成形过程及时间-载荷曲线。

（a）成形第一阶段；（b）成形第二阶段；（c）时间-载荷曲线

图3 初始工艺方案下锻件的成形过程及时间-载荷曲线

由图可知锻件成形分为两个阶段，第一个阶段为镦粗阶段，从坯料上表面与凸模接触开始到坯料鼓起侧面与凹模型腔齿顶壁接触结束。此阶段，金属的轴向尺寸减小，并且逐步沿径向流入齿形型腔，变形程度相对较小，由于冷作硬化降低了坯料的塑性，因此模具所受载荷相应有所增加。第二阶段为充满阶段，从坯料鼓起侧面与凹模型腔齿顶壁接触开始到上下模打靠且坯料填充满整个型腔的角隙结束。此阶段，变形金属各部分处于不同的三向压应力状态，齿形部分坯料变形愈发剧烈，并且受模壁的限制逐步流向型腔角隙，并且由于模膛的封闭性，金属无法流入模膛之外形成飞边，从而使模壁受到的侧向压力显著上升，直到模膛完全被充满，模锻过程结束，此时模具所受最大载荷为2400kN。

采用传统的全封闭无飞边模锻工艺得到的锻件充型完整，齿形饱满，未见折叠、裂纹等明显缺陷。由于零件的体积为134118mm3材料利用率为96.50%。较大的成形载荷导致能源消耗过高，模具寿命降低等问题，增加了零件批量生产的成本。

3 工艺改进及模拟分析

为了提高模具寿命，节约生产成本，需对初始锻造工艺作出相应改进以降低成形压力，常用的减压工艺有孔分流法、轴分流法以及约束分流法等等[7]。孔分流法即在毛坯中心预留一定直径的孔，使其在成形过程中具备更多自由流动空间，孔分流法无需修改模具结构，仅对毛坯进行加工，易于实现，成本低，故采用该方法改进锻造工艺。

在保证锻件成形完整的前提下，毛坯体积应尽量小以提高材料利用率，因此选用坯料尺寸为Φ82.5×Φ15×26.5mm。不改变参数，对孔分流法改进工艺进行模拟。

（a）成形第一阶段；（b）成形第二階段；（c）时间-载荷曲线

图4 改进工艺方案下锻件的成形过程及时间-载荷曲线

由图可知，采用孔分流法改进后的锻造成形过程同样分为两个阶段，与初始工艺一致。但由于中心分流孔的存在，会在环状坯料径向产生分流面，在凸模下压的作用下，分流面以外的金属向外流动充型，分流面以内的金属向内流动，通过中心分流孔的收缩而实现减压。锻造终了时，中心分流孔趋于闭合，齿形充填完整，模具所受最大载荷为1710kN。

孔分流法减少了28.75%的模具载荷，可以在一定程度延长模具使用寿命，降低能耗。同时改进工艺的材料利用率增加到97.91%，节约了成本。

4 结束语

（1）传统的全封闭无飞边模锻可以得到成形完整的直齿圆柱齿轮，但模具载荷高。（2）采用孔分流法工艺改进工艺，可以在保证锻件质量的前提下降低载荷，提高能效，延长模具使用寿命。（3）通过有限元数值模拟技术，可以分析锻造中金属的流动规律、场量变化等过程，为实际的工艺制定及模具设计提供参考，从而缩短生产周期，提高生产效率。

参考文献：

[1]田维，安喜梅，程旺军.大模数直齿圆柱齿轮精锻数值模拟及模具设计[J].重型机械，2016（2）：70-73.

[2]杨波.高精度齿轮的加工工艺分析[J].机械工人（冷加工），2007（6）：30-31.

[3]王忠雷，赵国群.精密锻造技术的研究现状及发展趋势[J].精密成形工程，2009，1（1）：32-38.

[4]张清萍，高常青，王玉增，等.锥齿轮精锻成形过程数值模拟及参数分析[J].组合机床与自动化加工技术，2009（6）：13-15.

[5]张明，石岳林.探讨精密锻造工艺[J].金属加工（热加工），2014（13）：52-53.

[6]廖泽寰.冷精锻齿轮精密成形技术[J].金属加工（热加工），2013（19）：15.

[7]王岗超，薛克敏，许锋，等.齿腔分流法冷精锻大模数圆柱直齿轮[J].塑性工程学报，2010，17（3）：18-21.

[8]张琳.分流法在齿轮精密锻造中的应用[J].锻压装备与制造技术，2015，50（4）：48-51.