邱 靜，湯 峰，龔冬梅，許 鋒

（1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械工程系，安徽 合肥230051；2.皖西學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 六安237012）

1 引言

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，圓柱直齒輪的市場需求越來越大，在我國，大部分圓柱直齒輪是采用傳統(tǒng)的切削加工方法得到的，生產(chǎn)成本高，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，齒輪強(qiáng)度低是普遍存在的問題［1］。齒輪制造技術(shù)的落后，也為先進(jìn)齒輪加工技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇，圓柱直齒輪的塑性成形技術(shù)可以顯著提高齒輪的內(nèi)部性能和表面質(zhì)量，提高材料的利用率，提高勞動效率，降低能源消耗，同時因?yàn)辇X形處沒有進(jìn)行切削加工，金屬纖維流線完整，承載能力得到了較大的增強(qiáng)。然而，圓柱直齒輪在塑性成形時，由于其齒形形狀復(fù)雜，金屬變形量大，導(dǎo)致成形載荷過大，模具壽命較低，影響了齒輪零件塑性成形工藝的產(chǎn)業(yè)化推廣［2-5］。

本文基于金屬塑形成形有限元數(shù)值模擬技術(shù)，運(yùn)用金屬成形工藝?yán)碚?，對圓柱直齒輪的孔分流成形工藝過程進(jìn)行仿真，以期尋找到一種用較低成形載荷成形出高質(zhì)量圓柱直齒輪的先進(jìn)塑性成形方法。

2 數(shù)值分析模型建立

本文所研究的圓柱直齒輪參數(shù)如表1，數(shù)值分析中模具材料定義為剛性體；坯料與模具的摩擦方式為剪切摩擦，摩擦因子選為0.12［4］；坯料采用 Deform默認(rèn)的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分；為了提高計(jì)算效率，同時考慮齒輪的對稱性，取坯料的1／4作為研究對象；為保證坯料能置入凹模齒腔，同時能較為快速的成形齒形，將坯料外徑選為略小于凹模齒腔齒根圓尺寸，計(jì)算后的坯料尺寸如表2所示。設(shè)置模具移動速度為10mm／s。建立如圖1所示數(shù)值分析模型。

表1 齒輪參數(shù)表

表2 坯料尺寸表

圖1 數(shù)值分析模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

應(yīng)變場、應(yīng)力場能夠綜合反映金屬成形時的塑性流動規(guī)律，因此，研究相關(guān)參數(shù)對圓柱直齒輪塑性成形具有一定的理論參考［2］。

3.1 等效應(yīng)力分析

圖2所示為圓柱直齒輪塑性成形三個階段等效應(yīng)力分布圖?？梢杂^察到在第30增量步，也即坯料剛開始發(fā)生變形時，對應(yīng)凹模齒腔齒形處應(yīng)力較大。坯料中間部位應(yīng)力較小，說明變形集中在齒形處，齒形處的材料主要為坯料中間部分的材料徑向流動得到。到第80增量步時，齒形大部分已成形出來，在齒根處，應(yīng)力達(dá)到最大值，這是因?yàn)榇颂帪榕髁蟽?nèi)部材料流入齒腔所受剪切應(yīng)力最大的位置；同時，分流孔孔徑進(jìn)一步縮小，存在自由流動面，也起到了降載的作用。在成形終了階段，可以看出應(yīng)力分布比較均勻，基本介于615～673MPa之間，此時分流孔完全閉合，應(yīng)力最大處位于齒形頂部與模壁先接觸的地方。在圖2（c）中也可以看出采用該成形工藝成形出的圓柱直齒輪成形質(zhì)量較高，齒形充填飽滿，沒有缺陷。

3.2 等效應(yīng)變分析

圖3所示等效應(yīng)變分布圖。在第30增量步，應(yīng)變主要集中在齒形部位；隨著凸模的下行，坯料被壓入齒形型腔，上下端面和模具工作面直接接觸，存在約束，而齒形中部材料與凹模齒腔還未接觸，影響齒形上下兩端的充填，導(dǎo)致出現(xiàn)“中鼓”形。到第80增量步，齒形中間部位已積聚大量金屬，上下端角隅處還未充滿，齒根處應(yīng)變值最大。在成形終了階段，可以看到應(yīng)變最大值出現(xiàn)在上下端角隅處，此處是最難充填的部位，也是整個齒輪最后充填的部位。其分布規(guī)律與等效應(yīng)力分布規(guī)律一致。

3.3 成形載荷分析

圖4為圓柱直齒輪孔分流成形過程-載荷曲線?？梢钥闯?，在凸模下行0～10mm之間，載荷曲線平緩上升，最大載荷1 000KN，在凸模下行的最后2 mm行程中，載荷急劇上升，最大載荷達(dá)到2 200KN。這是因?yàn)樵陂_始成形階段材料存在自由流動面；而當(dāng)大部分齒形都已得到充填，齒輪中心分流孔也已閉合時，只留下齒形局部角隅沒有充填，此處是整個齒形最后充填區(qū)域，自由流動面少，要將此處充滿，必將克服較大的三向靜水壓力，因此，在最后階段，載荷出現(xiàn)激增現(xiàn)象。

圖2 等效應(yīng)力分布圖

圖3 等效應(yīng)變分布圖

圖4 行程-載荷曲線

4 結(jié)論

通過對圓柱直齒輪孔分流成形過程的模擬分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）隨著凸模的下行，齒形部位逐漸得到充填，中心分流孔逐漸閉合，齒形齒根處出現(xiàn)較大的應(yīng)力和應(yīng)變值。

（2）在齒形充填最后階段，成形載荷激增，齒形角隅處是最后充填的部位，也是最難成形的部位。

（3）最后的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，齒形部位充填飽滿，沒有缺陷產(chǎn)生。

（4）此數(shù)值分析結(jié)果也為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論參考。

［1］王明輝.直齒圓柱齒輪精密塑性成形工藝及關(guān)鍵設(shè)備研究［D］.長春：吉林大學(xué)（博士學(xué)位論文），2010.

［2］龔冬梅，陳科.圓柱直齒輪精密塑性成形數(shù)值模擬研究［J］.浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21（3）：200-201，230.

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