文/張鐵鎖，黨小荔·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

近年來(lái)，我公司某系列變速箱銷(xiāo)量逐漸增大，贏(yíng)得了市場(chǎng)和客戶(hù)的信賴(lài)。變速箱中的一種分速齒輪零件示意圖見(jiàn)圖1。該齒輪產(chǎn)品外徑為φ153.59mm，總厚度為63.5mm，內(nèi)孔直徑為φ70mm。該零件整體形狀特點(diǎn)：中間輪轂處厚度較大為60mm，輪緣處厚度較小為31.5mm，厚度相差較大有28.5mm，且具有減重槽，形狀較為復(fù)雜。

此類(lèi)零件因輪轂與輪緣厚度相差較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用外圓定位的方式，鐓粗后坯料厚度較薄，下模輪轂處充滿(mǎn)困難。需采用較厚坯料，放置于中間位置，預(yù)鍛時(shí)將材料由內(nèi)孔處擠到外圓位置，才能保證下模輪轂處充滿(mǎn)。但因其內(nèi)孔及輪輻處均較窄，鍛造時(shí)容易形成折疊，需用Deform有限元模擬軟件對(duì)其成形過(guò)程進(jìn)行模擬，尋找最優(yōu)方案。

工藝設(shè)計(jì)

本零件采用三工位熱模鍛壓力機(jī)成形，分為鐓粗、預(yù)鍛、終鍛三工步。鐓粗采用平鐓粗成形，終鍛模具是在熱鍛件圖的基礎(chǔ)上增加熱脹量得出。在這三者之中，預(yù)鍛工步的設(shè)計(jì)最為重要，難度最大。Deform模擬優(yōu)化過(guò)程主要是對(duì)預(yù)鍛工序方案進(jìn)行模擬優(yōu)化。

模擬與優(yōu)化

先采用常規(guī)設(shè)計(jì)思路，預(yù)鍛型腔與終鍛相比，厚度加厚，直徑減小，模具型腔與終鍛型腔接近。設(shè)計(jì)的工步圖如圖2所示。

對(duì)此方案采用Deform有限元模擬軟件進(jìn)行模擬。模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，在輪緣上端面出現(xiàn)折疊趨勢(shì)。圖3為鐓粗后坯料放入預(yù)鍛型腔開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)，圖4為預(yù)鍛模擬時(shí)出現(xiàn)折疊趨勢(shì)的狀態(tài)。為保證輪轂下模處充滿(mǎn)，材料需由內(nèi)孔處擠出。但此零件輪輻處較窄，材料流經(jīng)此處時(shí)，從剖面上看，被擠成細(xì)長(zhǎng)的形狀，接觸外圓后，又開(kāi)始反向回流，與上模輪緣端面處接觸時(shí)，形成折疊趨勢(shì)。

要消除折疊趨勢(shì)，上模輪輻處的厚度需要加大，坯料在此處不能被擠壓的過(guò)薄。其輪緣處所需的材料應(yīng)能保證一定的厚度，要避免流經(jīng)輪輻時(shí)被擠薄，碰到輪緣處又鐓粗的現(xiàn)象。

圖1 中間軸分速齒輪零件示意圖

圖2 預(yù)鍛工步圖

圖3 鐓粗后坯料放入預(yù)鍛型腔時(shí)的狀態(tài)

圖4 預(yù)鍛金屬流動(dòng)出現(xiàn)折疊趨勢(shì)

圖5 新預(yù)鍛工步圖

圖6 鐓粗后坯料放入預(yù)鍛型腔時(shí)的狀態(tài)

圖7 預(yù)鍛模擬到指定步驟的狀態(tài)

圖8 預(yù)鍛后坯料放入終鍛型腔的狀態(tài)

圖9 終鍛金屬流動(dòng)的中間過(guò)程狀態(tài)

圖10 終鍛金屬最終充滿(mǎn)型腔狀態(tài)

圖11 鍛件上端面

圖12 鍛件下端面

根據(jù)此思路，對(duì)預(yù)鍛工步進(jìn)行優(yōu)化。新設(shè)計(jì)的預(yù)鍛工步圖見(jiàn)圖5。與原方案相比，取消上模輪輻處凸臺(tái)，并將此處增加一個(gè)角度，當(dāng)材料由內(nèi)孔擠出后，順著料流動(dòng)的趨勢(shì)及模具角度，將其向下壓彎，保證料的厚度不會(huì)有太大變化，在碰上外模壁后鐓粗時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)折疊的趨勢(shì)。上模輪轂處通過(guò)反擠充滿(mǎn)型腔。

再次利用Deform有限元模擬軟件，對(duì)新方案進(jìn)行模擬，驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路。圖6為鐓粗后坯料放入預(yù)鍛型腔的狀態(tài)，圖7為預(yù)鍛時(shí)金屬流動(dòng)到預(yù)期步驟時(shí)的狀態(tài)。從圖7中可以看出，該預(yù)鍛型腔方案，金屬在流動(dòng)時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)折疊的趨勢(shì)，從而為終鍛做好分料準(zhǔn)備。

圖8為預(yù)鍛件開(kāi)始放入終鍛型腔的狀態(tài)，可以看出預(yù)鍛件在終鍛型腔中能夠有良好的定位，圖9為金屬在終鍛型腔中模擬流動(dòng)的中間狀態(tài)。在上模壓下時(shí)，上模輪輻處，坯料一部分材料向外流動(dòng)，充滿(mǎn)輪緣，一部分材料向上模輪轂處反擠，充滿(mǎn)上模輪轂。金屬流動(dòng)順利，沒(méi)有出現(xiàn)折疊的趨勢(shì)。圖10為金屬最終在終鍛型腔中充滿(mǎn)的狀態(tài)，可以看出，充滿(mǎn)性良好，不存在未充滿(mǎn)的部位及折疊趨勢(shì)。

通過(guò)以上兩種方案的Deform模擬對(duì)比，選擇第二種方案進(jìn)行模具設(shè)計(jì)及加工。

生產(chǎn)驗(yàn)證

采用第二種預(yù)鍛方案（圖5所示新預(yù)鍛工步圖）設(shè)計(jì)和生產(chǎn)分速齒輪的鍛件模具并鍛造驗(yàn)證。坯料經(jīng)過(guò)鐓粗、預(yù)鍛、終鍛、沖孔，最終得到鍛件毛坯見(jiàn)圖11、圖12。 從圖11和圖12可以看到，鍛件充滿(mǎn)良好，沒(méi)有折疊缺陷。預(yù)、終鍛工步鍛件的形狀均與模擬的結(jié)果一致。

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某中間軸分速齒輪零件，設(shè)計(jì)鍛造方案，借助Deform有限元模擬軟件，通過(guò)不斷的模擬、分析、優(yōu)化方案，找出最佳設(shè)計(jì)方案，可以使設(shè)計(jì)過(guò)程更加的準(zhǔn)確，縮短試制時(shí)間，并降低開(kāi)發(fā)成本。