喬 碩 李紀(jì)龍 石文超 薛克敏

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 合肥 230009)

齒輪冷精鍛是采用冷鍛工藝獲得完整齒形、且齒面無需后續(xù)加工或僅需少許精加工即可滿足使用要求的工藝。然而，直齒圓柱齒輪冷精鍛技術(shù)難度很大，主要原因是變形抗力大、齒形充填困難、成形力大等。采用浮動(dòng)凹?？捎行Ы鉀Q這些問題[1-4]。以下是以齒數(shù)18、模數(shù)為2.5mm的中心帶六邊形通孔的直齒輪為例，對(duì)采用浮動(dòng)凹模工藝進(jìn)行數(shù)值模擬來分析對(duì)帶六邊形孔的圓柱直齒輪冷精鍛的影響。

1 充填阻力分析

齒輪冷精鍛類似于徑向擠壓，在初始階段，軸向摩擦力影響坯料的流動(dòng)；在終了階段，徑向摩擦力是影響坯料流動(dòng)的主要因素[5]。在輪齒整個(gè)寬度方向上都要受到徑向摩擦力，中部材料僅僅受到齒形槽對(duì)坯料流動(dòng)的阻力，而和上下模面接觸的坯料不僅受到齒形槽對(duì)其的摩擦力，還受到上下模面的摩擦力，充填阻力大于中部材料，如圖1所示。

圖1 徑向摩擦力分布情況

2 浮動(dòng)凹模對(duì)坯料充填能力的影響

在對(duì)齒輪進(jìn)行冷精鍛時(shí)，上模以速度Vs下行，對(duì)坯料表面施加壓力Fs。由于凹模不動(dòng)，坯料受到向上的摩擦力，造成軸向壓力損失。在上模繼續(xù)下行時(shí)，坯料上部更容易屈服發(fā)生變形，充填能力較強(qiáng)，如圖2所示。

圖2 凹模不動(dòng)時(shí)坯料所受摩擦力和軸向壓力分布

浮動(dòng)凹模和上凸模以相同的速度(Vf=Vs)一起下行時(shí)，凹模作用于坯料上的摩擦力方向向下，造成越靠近下模部分的坯料所受壓力越大。隨著上凸模下行，下部坯料首先發(fā)生變形，采用浮動(dòng)凹模工藝時(shí)，坯料所受摩擦力和軸向壓力分布情況如圖3所示。

圖3 浮動(dòng)凹模工藝坯料所受摩擦力和軸向壓力分布

3 數(shù)值模擬及結(jié)果

3.1 工藝方案

提出以下3種浮動(dòng)凹模工藝來冷精鍛帶六邊形通孔的直齒輪，方案一:浮動(dòng)凹模工藝；方案二:浮動(dòng)凹模配合軸分流工藝；方案三:浮動(dòng)凹模預(yù)鍛＋浮動(dòng)凹模軸分流終鍛工藝。

方案一采用了浮動(dòng)凹模工藝，凹模和上凸模以相同的速度下行；方案二采用了浮動(dòng)凹模配合軸分流工藝，上凸模上有一個(gè)孔，該孔可保證坯料既可以充填齒形，又可以向該孔內(nèi)流動(dòng)，可降低成形載荷，取其直徑為25mm；方案三采用了浮動(dòng)凹模預(yù)鍛＋浮動(dòng)凹模軸分流終鍛工藝，預(yù)鍛模型和方案一相同。在成形載荷達(dá)到某一設(shè)定值后停止預(yù)鍛，將預(yù)鍛后的坯料倒置進(jìn)行終鍛，終鍛模型和方案二類似，上凸模分流孔的直徑是28mm。

3.2 有限元模型的建立

根據(jù)體積不變的原則，確定外徑為38mm、內(nèi)徑為24mm、高度為19.5mm的環(huán)形坯料。運(yùn)用DEFORM-3D軟件，采用剛塑性有限元法對(duì)圓柱直齒輪成形過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。為了進(jìn)行快速運(yùn)算，利用圓柱直齒輪的對(duì)稱性，這里只模擬 1?2坯料的成形。在模擬時(shí)坯料選用 AISI-1045，將模具視為剛性體，不發(fā)生彈塑性變形，坯料、上凸模、下凸模和浮動(dòng)凹模的初始溫度設(shè)置為室溫20℃。在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于直齒輪成形時(shí)的變形部分主要集中在坯料邊緣，故對(duì)坯料周邊區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)劃。摩擦模型為剪切摩擦，取摩擦因數(shù)為0.12。將上凸模和浮動(dòng)凹模的下行速度設(shè)為5mm?s?；诜桨敢缓头桨付⒌挠邢拊Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 有限元模型示意圖

3.3 三種方案模擬結(jié)果分析

1)等效應(yīng)變場分布

圖5所示是三種方案等效應(yīng)變分布情況。對(duì)于方案一，等效應(yīng)變最大值均勻地分布在齒根處。齒形及齒形中間部分是由坯料相應(yīng)部分的材料鐓粗成形，材料的流動(dòng)沒有轉(zhuǎn)角，所以等效應(yīng)變小。而齒形外圍的材料是由齒形附近的材料流動(dòng)補(bǔ)充過去的，這些材料是沿著彎曲線流動(dòng)過去的，材料的轉(zhuǎn)移經(jīng)過一個(gè)很大的轉(zhuǎn)角，而且齒根部分越往邊緣，與模具的摩擦越大，所以變形劇烈，等效應(yīng)變大。

對(duì)于方案二，等效應(yīng)變最大值位于分流孔和齒形的過渡區(qū)域。該處坯料在上凸模的擠壓作用下，向上流動(dòng)成形出六邊形直壁，坯料進(jìn)入分流孔，變形較大，等效應(yīng)變較大。而該部分坯料和上凸模的摩擦嚴(yán)重，所以材料變形大，等效應(yīng)變較大。

對(duì)于方案三，等效應(yīng)變最大值也分布在齒根處，該方案的預(yù)鍛和方案一相同，所以等效應(yīng)變最大值也分布在齒根處，終鍛只是改善齒輪上端的充填情況。在分流孔和齒形部分的過渡區(qū)域等效應(yīng)變比周圍坯料的等效應(yīng)變大，但不是等效應(yīng)變的最大值，由于分流孔直徑較大，坯料進(jìn)入分流孔的阻力較小，所以該處等效應(yīng)變較方案二小。

圖5 三種方案等效應(yīng)變分布圖

2)充填情況對(duì)比

方案一齒形充填情況如圖6(a)所示。浮動(dòng)凹模和上凸模以相同的速度向下運(yùn)動(dòng)，凹模作用于坯料上的摩擦力方向向下，造成越靠近下模部分的坯料所受壓力越大，下端充填能力較上端強(qiáng)，從圖6(a)中可以看出齒形的上端有少量未充滿現(xiàn)象，而且齒形充填不飽滿。

圖6 三種方案的充填情況

方案二齒形充填結(jié)果如圖6(b)所示。由于在上凸模上有一個(gè)分流孔，所以該工藝的加載形式是局部加載，在局部加載時(shí)沿加載方向的正應(yīng)力將隨受力面積不斷擴(kuò)大，其絕對(duì)值會(huì)逐漸減小，所以雖然由于浮動(dòng)凹模對(duì)坯料的摩擦作用有利于下端的充填，靠近下凸模部分的坯料所受的軸向壓力依然較小，造成下端坯料充填能力較小，所以應(yīng)該先充填上端的坯料。同時(shí)由于坯料和下凸模之間的摩擦的影響，也使下端坯料變形困難，因而較后充填。圖7所示是坯料的充填情況示意圖，從圖7可中以看出，上端坯料先完成充填，然后下端坯料再完成充填。

圖7 充填情況示意圖

方案三齒形充填效果如圖6(c)所示。將浮動(dòng)凹模預(yù)鍛后的坯料倒置，再次利用浮動(dòng)凹模鍛造齒輪坯料，此時(shí)預(yù)鍛后坯料充填情況較好的下端成為終鍛坯料的“上端”，上端成為終鍛坯料的“下端”，有利于齒輪上端的充填。齒形部分上下端充填效果都較好，而且分流孔并沒有充填很高。

從齒形充填情況來看，方案一有少量未充滿現(xiàn)象；方案二充填效果較好，但是分流孔充填較高；方案三齒形充填效果較好，而且分流孔充填不高，效果優(yōu)于方案一和方案二。

3)載荷大小對(duì)比

三種方案的載荷－行程曲線如圖8所示。

方案一只用浮動(dòng)凹模工藝的載荷峰值達(dá)到2640×2=5280 kN(模擬1?2坯料的成形，所以載荷峰值要乘2)。該載荷值較大，不僅會(huì)增加設(shè)備的噸位，還有可能會(huì)因?yàn)閱挝粦?yīng)力過大而降低模具壽命。曲線分為3個(gè)階段，oa段為凸模下行至接觸坯料，坯料開始進(jìn)入塑性變形階段，載荷迅速上升；ab段為坯料開始成形出齒形，坯料的自由表面減少，載荷平穩(wěn)緩慢上升，b點(diǎn)處(第47增量步)的齒形充填效果如圖9所示。從圖9中可以看出，齒形上端沒有得到較好的充填；bc段為坯料大面積地和凹模接觸，導(dǎo)致坯料自由表面急劇減少，根據(jù)理想變形的變形抗力[6]P=yln（R/(1-R))。其中y是鍛件材料的名義流動(dòng)應(yīng)力,MPa; R是相對(duì)面積縮減率。由于坯料自由表面急劇減少，導(dǎo)致R值增大，所以載荷急劇上升，c點(diǎn)充填效果如圖10所示，此時(shí)齒形充填已經(jīng)完畢。

圖8 三種方案的上凸模載荷－行程曲線

圖9 b點(diǎn)充填情況

圖10 c點(diǎn)充填情況

方案二是利用浮動(dòng)凹模配合軸分流工藝，不僅利用了齒腔接觸摩擦的有益作用，而且能夠使多余金屬向孔內(nèi)分流，有效地降低了載荷，載荷峰值是1840×2=3680 kN(模擬的是1?2坯料的成形，所以載荷峰值要乘2)。相比于方案一，載荷峰值下降約30.3%。方案二的載荷－行程曲線變化趨勢和方案一類似，曲線分為3個(gè)階段，oa段為凸模下行至接觸坯料，坯料開始進(jìn)入塑性變形階段，載荷迅速上升；a1段為坯料開始成形出齒形，坯料的自由表面減少，載荷平穩(wěn)緩慢上升。由于上凸模有一個(gè)用于分流降壓的孔，多余金屬可以流入該分流孔，所以載荷相對(duì)方案一只用浮動(dòng)凹模工藝要小；12段為坯料大面積地和凹模接觸，導(dǎo)致坯料的自由表面急劇減少，根據(jù)理想變形抗力公式，載荷迅速地增大。由于分流孔的作用，該段載荷的變化趨勢(較方案一)較為平緩。

方案三先用浮動(dòng)凹模預(yù)鍛，預(yù)鍛載荷設(shè)置到1470×2=2940 kN(模擬的是1?2坯料的成形，所以載荷峰值要乘2)時(shí)停止運(yùn)行，圖11所示為預(yù)鍛后的齒輪坯料?？梢钥闯鼋?jīng)過預(yù)鍛后材料在齒腔部位得到積聚，將齒輪坯料倒置進(jìn)行終鍛加載以利于齒輪上下端部位的充填。載荷峰值是1500×2=3000 kN，相比于方案一，該載荷下降了約43.2%。方案三的oc段是方案一的一部分，變化趨勢和方案一致。cd段對(duì)應(yīng)于上凸模對(duì)齒輪坯料進(jìn)行擠壓的過程，同時(shí)完成齒端角隅的充填。由于上凸模分流孔的分流降壓作用，即使上凸模對(duì)齒輪坯料進(jìn)行反擠壓，載荷上升也不明顯，因此載荷出現(xiàn)平緩的波動(dòng)。因此從成形載荷來看，方案一大于方案二大于方案三，三種方案的載荷對(duì)照情況見表1。

圖11 預(yù)鍛后齒輪坯料

表1 三種方案載荷對(duì)照表

4 結(jié)語

通過運(yùn)用有限元仿真軟件DEFORM-3D對(duì)直齒輪冷精鍛的幾種浮動(dòng)凹模工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了浮動(dòng)凹模工藝、浮動(dòng)凹模配合軸分流工藝和浮動(dòng)凹模預(yù)鍛＋浮動(dòng)凹模軸分流終鍛兩步成形三種工藝的充填情況和載荷大小，并得到了以下結(jié)果:

(1)經(jīng)過對(duì)齒形充填阻力和浮動(dòng)凹模對(duì)充填能力影響的分析，得到了徑向摩擦力的分布情況，說明了齒輪冷精鍛時(shí)上下端角隅難以充滿的原因；

(2)只采用浮動(dòng)凹模工藝鍛件充填情況較好，但是成形載荷較大；

(3)采用浮動(dòng)凹模配合軸分流工藝，不僅齒形充填效果較好，而且能有效降低成形載荷，相比于浮動(dòng)凹模工藝載荷峰值降低30.3%；

(4)采用浮動(dòng)凹模預(yù)鍛＋浮動(dòng)凹模軸分流終鍛工藝，齒形充填效果較好，顯著降低成形載荷，相比于采用浮動(dòng)凹模工藝方案，載荷峰值降低了43.2%。

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