基于数值模拟分析结合齿温锻成形工艺及缺陷控制研究

孙 阳，黄斯韬，武 欢，代先东，曹建国

（四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065）

0 引 言

结合齿用于汽车变速箱的传动和换挡，是变速箱内关键零件之一。国内结合齿一般采用传统机加工成形，因其效率低，切削后金属流线被破坏，导致结合齿强度降低及使用寿命短等问题。齿轮精密塑性成形方法消除了上述缺陷，使结合齿具有材料利用率高、制造力学性能好、制造成本低、使用寿命长等优点。温精锻结合冷、热精锻的优点，既有较低的材料变形抗力，又能保证零件表面质量和尺寸精度，但不同工艺方案对于温精锻影响较大，如齿形填充不满、折叠缺陷、成形载荷大、模具零件磨损快等。因此通过数值模拟技术可以快捷、低成本优化温精锻工艺方案。

结合齿结构较复杂，难以在保证成形质量和精度的前提下一步成形，需要经过预锻+终锻，成形直齿后挤压倒锥。现以某结合齿成形直齿为例，利用SolidWorks 建模技术，采用DeForm-3D 进行数值模拟，利用Archard 公式，分析研究结合齿预锻成形过程中不同连皮位置、不同成形方案对成形质量的影响。

1 结合齿成形工艺分析及优化

1.1 工艺分析

结合齿如图1 所示，齿轮模数为1.58 mm，齿数为54，材料为20MnCr。开式模锻是材料在不完全受限制的模膛内流动，首先材料流向模膛，当模膛阻力增加后，部分材料会沿水平方向流动形成飞边。随着飞边不断减薄与该处材料温度降低，导致形成飞边的流动阻力加大，迫使更多材料流入模膛。多余材料在模膛充满后，逐渐形成飞边流出。传统开式模锻成形方案有2 种：一种是金属沿径向流动填充齿形，即径向挤压；另一种是金属向下流动充填齿形，即正向挤压。这2 种方法预锻坯料不同，将导致模具所受载荷与磨损有较大区别。为了有利于锻造后冲孔，冲孔连皮一般设置在坯料中心或坯料下表面。由理论分析可知，成形方案和冲孔连皮位置必然会对齿轮成形质量产生重要影响。现研究不同成形方案与不同位置的冲孔连皮的成形效果，进行模拟试验对比，获得适用于该结合齿成形的最佳工艺方案。

图1 结合齿

1.2 确定工艺方案

2种冲孔连皮位置如图2所示，为保证最终结合齿尺寸精度，设置1.5°拔模角以便锻造后将成形零件取出。零件设置1～2 mm 加工余量，以便温锻后仅需要少量机加工。

图2 2种连皮位置的齿轮锻件

4 种成形方案如图3 所示，方案1 为径向挤压且冲孔连皮设在坯料下表面，方案2 为正向挤压且冲孔连皮设在坯料下表面，方案3 为径向挤压且冲孔连皮设在坯料中心，方案4 为正向挤压且冲孔连皮设在坯料中心。采用SolidWorks计算锻件三维模型体积，并对模具进行三维建模，导出后借助DeForm-3D 进行模拟分析，采用修正的Archard 模型进行模具零件磨损分析。

图3 4种成形方案

1.3 确定工艺参数

坯料为20MnCr，凸、凹模为H13 钢。温锻成形中坯料成形温度一般为650～900 ℃，坯料塑性变形难易程度与温度设置密切相关，根据参考文献坯料温度设置为850 ℃，凸模预热温度设置为150 ℃，凹模预热温度设置为300 ℃，摩擦因数设置为0.25，热传导系数取5 N/（s⋅mm⋅℃）。由于零件对称性，4 种方案取整个模型的1/9，即6 个齿为研究对象。对坯料和模具进行网格细化，并设置对称面和热交换面。凸模运行速度设置为100 mm/s。

2 有限元模拟结果及分析

模拟结果如图4所示，方案1和方案2最后齿形填充饱满且形状完整，但成形过程中坯料出现材料折叠缺陷。方案1 凸模接触坯料后对其进行挤压，底部和侧壁材料受力向齿形与空隙部位流动，随着凸模继续下行，底部材料受力将会斜向上流动，侧壁材料向径向流动，在中心孔侧壁相遇并形成折叠缺陷。方案2 不仅在中心孔侧壁形成折叠缺陷，还在齿形顶部所在的横端面形成折叠缺陷。将方案1和方案2 底部材料减薄、增加侧壁材料依然出现折叠缺陷，甚至出现齿形填充不饱满，说明冲孔连皮留在坯料下表面不合理。方案3 和方案4 成形后齿轮形状完整、饱满，材料未发生折叠缺陷，说明方案3 和方案4 可以得到满足要求的结合齿。因此选取方案3 和方案4 进行成形载荷、应力应变分布及模具零件磨损分析。

图4 模拟结果

2.1 成形载荷分析

图5 所示为方案3 和方案4 的凸模运动行程-载荷曲线，方案3当凸模下行接触坯料后，材料向下流动，成形阻力相对较小且变化缓慢，随后材料将沿着径向方向流动填充齿形，载荷不断增加，当齿形填充饱满后，材料流向齿形上面的空隙区域，材料流动阻力明显增加，导致载荷变化速率提高，直到材料填充饱满，多余材料形成飞边。方案4 运动方式与方案3 相近，但方案4 坯料外形尺寸与凹模更接近，其行程路径少，材料后期成形阻力小于方案3，能更快速成形。方案4的成形载荷开始低于方案3，平均成形载荷减少了28.5%，方案3和方案4凸模最大载荷分别为10.3×103kN 和9.6×103kN，表明方案4成形合理，能减少成形载荷。

图5 2种方案的行程-载荷曲线

2.2 应力应变分析

图6 所示为结合齿温锻结束时等效应力分布，方案3的等效应力最大值为345 MPa，集中在齿坯顶部凹槽和连皮，齿部与齿根附近等效应力均匀分布，约255 MPa，底部等效应力最小。这是由于径向成形过程中，凸模向下运动同时接触坯料顶部及连皮，导致坯料顶部及连皮先受到力的作用并在达到屈服条件后产生变形，少部分坯料向下流动，大部分坯料径向流动到齿形，所有成形力均由坯料顶部及连皮传递。方案4的等效应力最大值为333 MPa，集中在齿坯顶部凹槽，齿部与齿根附近等效应力均匀分布约230 MPa，底部等效应力最小。这是由于正向成形过程中，坯料在凸模挤压开始后向下流动到齿形和底部，待其填充饱满后材料在推动力作用下继续流动到其他部位。方案4的等效应力分布更均匀，且低于方案3，对结合齿的成形及模具使用寿命的延长有较好的作用。

图6 等效应力分布

研究等效应变在成形过程中的分布规律，分别在连皮、齿根中间、齿顶选取3 个点，其取平均值后的应变曲线如图7 所示。2 种方案主要成形部分集中在齿根中间和齿顶处，等效应变较大，连皮位置材料流动顺畅，其等效应变较小。方案3 在成形初期被挤压的材料径向流动到齿形型腔部分，其等效应变增加缓慢。随着凸模继续挤压，坯料开始接触锁止角型腔后，其等效应变快速增加。齿顶处等效应变在运行0.13 s 突然增大，这是由于齿形已经完全填充饱满，材料无法流动到齿形。方案4 齿根与齿顶中间平均应变趋势相近，这是因为材料受力从齿形上端面挤压形成齿形，齿形部分几乎同时充满，未出现等效应变突然增加的情况。经对比，方案4可有效降低等效应变。

图7 等效应变分布

2.3 模具零件磨损量分析

为了使模具零件磨损模拟更加准确，引入了Archard 磨损模型。为保证模具零件磨损参数与实际情况相似，设置模具零件初始硬度为55 HRC，磨损系数K为2×10-6，模拟结果如图8 所示。方案3 凹模最大磨损量为3.34×10-6mm，位于凹模接触连皮处，齿形位置最大磨损量为1.72×10-6mm。方案4 凹模最大磨损量为2.60×10-6mm，也是位于凹模接触连皮处，齿形位置最大磨损量为1.55×10-6mm。方案4比方案3 凹模最大磨损量少0.74×10-6mm，齿形位置最大磨损量少0.17×10-6mm，选取方案4 可延长模具使用寿命，降低模具开发成本。

图8 凹模磨损量

3 结束语

通过数值模拟分析4 种不同成形方案，结合齿预锻件冲孔连皮位置设在底面易形成折叠缺陷，冲孔连皮设在中间位置齿形填充饱满、无折叠现象产生，此外还得出如下结论。

（1）连皮设在中间位置的正向成形方案平均成形载荷比径向成形方案减少了28.5%。

（2）正向成形方案比径向成形方案的凹模最大磨损量少0.74×10-6mm，齿形位置最大磨损量少0.17×10-6mm，表明了正向成形方案的模具使用寿命会更长，模具开发成本更低。