齿轮毛坯锻造有限元分析

 陈  飞，吴  昊，韩灵全，吴  建，温慧华，聂嘉呈，徐  月

 （太原科技大学材料科学与工程学院，山西  太原  030024）

摘要：本着“优化设计”的理念，建立齿轮毛坯模型，对其进行数值计算和有限元分析。通过对不同尺寸的毛坯进行金属流动性、等效应变分布以及上模具行程载荷分析，为其进行精密锻造的最佳工艺参数选取提供依据。

关键词：齿轮毛坯；锻造；有限元中图分类号：TP391.7：TH132. 41 

0引言

  传统工艺上，齿轮加工要经过毛坯热处理、齿坯加工、齿形加工、齿端加工、齿面热处理、精基准修正及齿形精加工等过程。近年来，以精锻工艺加工齿轮成为一种具有良好开发前景的新工艺，相对于传统的切削加工方法而言，它不仅可以使齿轮加工的材料利用率提高到70%以上，齿轮强度提高20%以上，还可以使生产效率提高40%左右。本文基于DEFORM-3D有限元软件，针对齿轮毛坯的锻造成形工艺进行数值模拟，旨在提高材料利用率的同时，可以更好地观察毛坯锻造成形过程中金属内部的流线状况，优化选择齿轮的成形工艺方案，提高齿轮零件的机械性能。

1建立齿轮及其模具的模型

  本文研究的是一个要求精锻的齿轮毛坯。该齿轮的齿数为29，齿顶圆直径为Ф155 mm，齿厚为8 mm，轮毂高为40 mm，轮毂直径为Ф50 mm，内孔直径为Ф20 mm，留有5 mm的冲孔连皮。因为要留有一定的加工余量，故取齿轮毛坯外圆直径为Ф158 mm。齿轮毛坯结构示意图如图1所示，齿轮毛坯精锻模具结构示意图如图2所示，齿轮毛坯精锻的相关工艺参数见表1。

  经计算，该齿轮毛坯体积V≈208 689. 717 mm3。毛坯的体积除了锻件本身体积之外，还应该加上少量的加工余量、飞边等，故取其体积为214 413. 699 mm3。

2精锻方案的初步制定

 由于齿轮毛坯为回转体，故选取圆柱棒料对其进行精密锻造。取不同直径的圆柱体棒料对该齿轮毛坯成形过程进行模拟。本文基于DEFORM-3D有限元分析软件，分析不同高径比下金属的流动规律及齿轮内部等效应变场分布情况。

 根据体积不变原则，每种方案的有限元网格单元数均为50 000，仿真步长取最小单元长度的1／3。各方案初始参数设置见表2。

3计算结果分析

3.1  齿轮毛坯成形参考标准

 评定齿轮毛坯最终成形优劣的主要参考标准如下：

 (1)轮毂部分首先充满模具型腔，之后轮缘部分再充满型腔，这两个步骤之间的时间差要尽可能小，以保证轮缘部分挤出的毛刺尽可能少。

 (2)齿轮内部金属流动要有一定的方向性，不能出现金属回流现象。

 (3)齿轮在成形过程中不能出现金属折叠现象。

3.2  各方案比较

 各方案锻造过程金属流动性数值模拟结果见图3。

 由图3(a)和图3(b)可知，Ф120 mm与Ф110 mm的棒料在锻造成形过程中，轮缘部分首先充满模具型腔，而轮毂部分成形较为困难，直到模具行程结束，轮毂部分才能完全充满模具；此外，当轮缘部分充满模具型腔之后，轮缘的厚度将明显大于齿轮要求的尺寸，因此，随着模具的下压，轮缘部分的金属将回流至轮毂部分，这会造成工件内部金属流动性的破坏，最终导致工件机械性能的下降。

 由图3(c)可知，Ф100 mm棒料在锻造成形过程中，轮毂部分首先充满模具型腔，随后轮缘部分刚好充满型腔，并且工件从上、下模具间隙挤出毛刺较少；从金属的流动状态分析，该棒料在整个成形过程中，金属的流动方向趋于一致，没有发生金属回流现象，故此棒料的成形状态良好。

 由图3(d)可知，Ф90 mm棒料的锻造成形过程与Ф100 mm棒料类似，金属的流动性也基本上能够趋于一致，但轮毂与轮缘部分型腔充满时间差较大，其性能仍需要进一步分析。

3.3  参数优化分析

 通过以上4个方案的对比分析可以看出，Ф100 mm的棒料成形效果最好，能够很好地成形齿轮毛坯，但是否是最佳方案需要进一步分析。后续优化各方案参数设置如表3所示。

 通过仿真分析可知，Ф108 mm棒料在成形过程中，轮缘部分首先充满模具型腔，轮毂部分后充满，造成了金属回流现象，此方案不可取；Ф105 mm棒料在成形过程中没有出现失稳、折叠以及金属回流现象，但是成形时从模具间隙挤出的毛刺较多，容易引起应力集中；Ф102 mm棒料拥有良好的成形效果，除了没有出现失稳、折叠以及金属回流现象外，此方案在锻造终了的前一步略微挤出一点毛刺，因此，此方案有一定的可取性。

 Ф90 mm、Ф100 mm、Ф102 mm和Ф105 mm棒料锻造终了等效应变分布云图如图4所示。由图4可以明显看出，这4个齿轮毛坯轮毂部分的等效应变值较小，而轮缘部分以及冲孔连皮部分的等效应变值较大；轮缘部分和轮毂部分的等效应变均较为均匀，相对而言，Ф90 mm棒料在轮缘部分的等效应变均匀性最差，这可能是由于Ф90 mm棒料在成形时轮毂充满型腔时间与轮缘充满时间相差较大导致的，Ф100 mm和Ф102mm棒料成形后，整个工件的等效应变最为均匀。因此，从等效应变的均匀性方面来看，使用Ф100 mm和Ф102 mm棒料来对此齿轮毛坯进行锻造，从理论上讲性能是最好的。

 Ф90 mm、Ф100 mm、Ф102 mm和Ф105 mm棒料在成形过程中上模具行程载荷曲线如图5所示。由图5可知，载荷均随时间的增长而增大，最大载荷分别为2. 47×107 N、2. 46×107 N、2. 61×107 N、2. 98×10 7N。从行程载荷来看，这4种棒料在小型压力机上就

能够成形，其中Ф90 mm和Ф100 mm棒料所需要的载荷最小，最节省能量。

 根据以上分析可知，使用直径Ф100 mm、高度27.3 mm的棒料进行齿轮毛坯的锻造最为合适，无论是从金属的流动性、等效应变的均匀性，还是压力机的吨位能耗角度来说，此棒料均是最佳选择。

4结论

 本文基于DEFORM-3D有限元软件，针对齿轮毛坯的锻造成形工艺进行数值模拟，得到如下结论：

 (1)当棒料直径为Ф105 mm～Ф120 mm时，齿轮毛坯在成形过程中轮缘部分容易出现金属回流．对齿轮毛坯的力学性能不利。

 (2)当棒料直径小于Ф90 mm时，齿轮毛坯在成形过程中，轮毂部分首先充满型腔，轮缘部分后充满型腔，二者相差时间较长，会在一定程度上造成等效应变不均匀。

 (3)当棒料直径为Ф90 mm～Ф105 mm时，齿轮毛坯成形过程中，轮缘部分不出现金属回流现象，也不发生折叠，成形效果较好，其中，直径为Ф100 mm棒料成形出的齿轮毛坯无论是从金属的流动性、等效应变的均匀性，还是压力机的吨位能耗角度来说均最好。