文／王成國·中國電子科技集團公司第三十八研究所

雙聯(lián)齒輪熱擠壓成形工藝數(shù)值模擬

文／王成國·中國電子科技集團公司第三十八研究所

雙聯(lián)齒輪是當今重要的傳動零件，在汽車等領域都有著廣泛的應用。當前雙聯(lián)齒輪的生產(chǎn)以機械加工方法為主，存在生產(chǎn)效率低、材料利用率低及生產(chǎn)能耗大等缺陷，遠遠不能滿足工業(yè)發(fā)展的需求。本文采用熱擠壓工藝成形雙聯(lián)齒輪坯，并借助DEFORM-3D軟件對雙聯(lián)齒輪熱擠壓成形進行數(shù)值模擬，分析主要工藝參數(shù)對成形結(jié)果的影響，研究結(jié)果為雙聯(lián)齒輪坯的實際生產(chǎn)提供了理論支持。

變速箱雙聯(lián)齒輪是汽車工業(yè)中常用的關鍵零件之一。由于雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)的特殊性，其精密成形制造是十分困難的。雙聯(lián)齒輪的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法有機械加工、大小齒輪分別加工后用電子束焊接成一體，但都存在工序長、成本高的問題。為了滿足當今社會的節(jié)能減排、綠色制造的環(huán)保要求，采用高質(zhì)量、高效率、低成本、低能耗的凈成形或近凈成形工藝來進行生產(chǎn)制造尤為重要。熱擠壓成形工藝屬于少無切削的金屬塑性加工工藝，具有材料利用率高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好和生產(chǎn)成本低等一系列優(yōu)點，在很大程度上能夠滿足技術、經(jīng)濟和社會上的要求。閉式模鍛工藝齒形填充效果較差，易產(chǎn)生折疊或充不滿等缺陷；而擠壓成形工藝齒形填充良好，是雙聯(lián)齒輪精鍛成形的優(yōu)選方案。本文結(jié)合數(shù)值模擬技術，分析雙聯(lián)齒輪坯熱擠壓成形變形規(guī)律，并探討熱擠壓工藝參數(shù)對成形結(jié)果的影響，為雙聯(lián)齒輪的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

工藝方案分析

圖1所示為雙聯(lián)齒輪的零件圖，該零件由大端和小端組成，中間是直徑為40mm的通孔。根據(jù)零件形狀確定雙聯(lián)齒輪成形工藝流程為：下料→熱擠壓→沖孔→滾齒→精加工，其鍛件三維圖如圖2所示。齒面加工余量為0.6mm，齒頂和齒根加工余量均為1mm，其余部分加工余量視情況而定。根據(jù)體積不變的原則，考慮到熱擠壓成形后零件表面的氧化，確定選用φ59mm×115mm 的棒料作為初始坯料。

圖1 雙聯(lián)齒輪零件圖

該鍛件兩端帶凸緣，中間為空心，屬于杯筒類鍛件，根據(jù)零件特點，采用正反復合擠壓成形工藝，先成形小端后成形大端的方式，熱擠壓示意圖如圖3所示。為節(jié)省計算時間、方便觀察實際充填情況，模擬選用1/2模型。雙聯(lián)齒輪坯材料為20CrMnTi，選擇對應于DEFORM-3D材料庫中的AISI-5120材料?？紤]到材料鍛造溫度以及坯料氧化，坯料初始溫度為820℃，擠壓前對模具進行預熱至300℃，摩擦系數(shù)為0.3，凸模擠壓速度均為10mm/s。

圖2 雙聯(lián)齒輪坯鍛件圖

圖3 熱擠壓示意圖

成形結(jié)果分析

速度場分析

圖4所示為雙聯(lián)齒輪坯鍛件各階段速度場分布圖。在壓下量較小時，小端金屬在凸模作用下向齒腔四周流動，出現(xiàn)典型的鼓狀形狀，與此同時，坯料整體具有向下做剛性平移的趨勢；在壓下量達到70%時，材料在凸模作用下發(fā)生反擠，并與凸模端面接觸，發(fā)生反鐓變形，開始成形小端形狀輪廓；隨著變形的進行，大端部分金屬流動規(guī)律與小端類似，同時小端難填充部位得到進一步成形。在成形終了時，大端靠近內(nèi)表面產(chǎn)生金屬流動紊亂分層現(xiàn)象，具有形成折疊缺陷的趨勢，但內(nèi)孔處后續(xù)需進行機械加工，輕微折疊缺陷并不影響零件使用。

圖5所示為小端凸模成形各階段載荷變化曲線，根據(jù)擠壓過程金屬變形特點，可以將載荷變化曲線分為4個階段。第一階段，凸模壓入坯料，坯料發(fā)生反擠變形向上做剛性平移，凸模載荷呈現(xiàn)平穩(wěn)增大；第二階段，發(fā)生反擠的坯料向上流動直至與小端凸模表面接觸，材料在凸模作用下被反向鐓粗，凸模載荷急劇升高后平穩(wěn)增加；第三階段，隨著擠壓與反鐓變形的進行，小端部分鍛件輪廓更加完整，成形載荷進一步增加，并出現(xiàn)小范圍內(nèi)抖動，主要是對小端難填充部位進行成形；第四階段，在大端填充終了時，在小端凸模與大端凸模共同作用下，對整個零件難填充部位進行填充，成形載荷急劇上升。

等效應變分析

圖4 雙聯(lián)齒輪坯速度場分布圖

圖6所示為雙聯(lián)齒輪坯鍛件等效應變分布圖。由圖可知，雙聯(lián)齒輪坯在成形過程中整體變形較為均勻，最大應變主要集中在鍛件的內(nèi)表面處。隨著小端凸模壓下量的增加，坯料發(fā)生擠壓鐓粗復合變形，金屬材料在凸模作用下由中心向齒腔位置流動，從而導致齒輪坯內(nèi)表面的等效應變較大。當壓下量達到90%的時候，下部的大端凸模開始向上運動，從而齒輪坯大端內(nèi)表面也開始發(fā)生變形，同時小端坯料開始接觸齒腔，隨著變形的繼續(xù)，齒形邊緣處開始充填成形，該處應變大于成形表面。當壓下量達到100%的時候，齒腔充填結(jié)束，齒輪內(nèi)表面邊緣應變增加，此處發(fā)生變形，直至充填結(jié)束。

圖5 小端凸模載荷變化曲線

圖6 雙聯(lián)齒輪坯等效應變圖

鍛件溫度分析

圖7所示為雙聯(lián)齒輪坯鍛件最終的溫度分布圖。溫度高會影響模具的壽命，還會降低鍛件的質(zhì)量，要盡量控制鍛件溫度在1000℃以下，防止發(fā)生氧化等一系列缺陷。由圖可知，鍛件最高溫度為945℃，最低溫度為843℃，在該材料鍛造溫度范圍內(nèi)。由于變形熱與摩擦熱的共同作用，導致成形終了時鍛件溫度出現(xiàn)不同程度的升高，而大端處是鍛件最后壓填的部位，受變形熱及摩擦產(chǎn)熱影響較大，該處溫度急劇升高。鍛件外表面由于長時間與模具接觸，溫度低于內(nèi)部。

工藝參數(shù)對鍛件成形的影響

凸模圓角的影響

凸模頂部的過渡圓角（如圖8所示）對鍛件成形載荷等有一定的影響。過小的圓角（甚至尖角）容易引起應力集中，從而會使齒輪坯內(nèi)表面刮傷，甚至會產(chǎn)生裂紋，增大鍛件的成形載荷。而圓角較大可以使金屬材料較為順暢的流動成形，從而對減少成形載荷和避免一些缺陷有一定的作用，但圓角半徑太大容易引起金屬材料的浪費等。如圖9所示為圓角大小對成形載荷噸位的影響規(guī)律圖。由圖可知，在大端凸模圓角半徑為7mm時，凸模成形載荷最小。圓角增大降低了金屬流動阻力，繼續(xù)增大凸模圓角并不能降低模具載荷，僅使金屬填充型腔提前。

坯料定位距離的影響

坯料定位距離是指坯料在小端齒腔處留有的高度，如圖10所示。原則上是按體積分配的原則來進行計算分配的，即按照小端齒輪坯的體積相應的來計算出小端方向坯料的高度。在實際生產(chǎn)中坯料定位距離的微小變化可能對成形結(jié)果造成較大影響。

圖7 雙聯(lián)齒輪坯最終溫度分布圖

圖8 大端凸模圓角

圖9 凸模圓角對成形載荷噸位的影響

圖11所示為坯料定位距離對鍛件成形載荷的影響。由圖可見，定位距離為45mm和50mm的成形載荷較為接近，但定位距離為50mm的坯料充填較快。而定位距離為40mm時，凸模最大載荷約為1000t，這是由于小端齒腔分配不合理，當小端凸模運動到指定位置時，其小端齒腔遠遠沒有充填完整，需要大端金屬對小端進行補料，但由于摩擦力和拐角等影響，成形難度較大，其凸模載荷會急劇上升。坯料定位距離不同對鍛件成形載荷噸位有著不同的影響，在實際生產(chǎn)中應選擇合適的坯料定位距離，以避免成形缺陷的產(chǎn)生。

圖10 坯料定位距離

圖11 坯料定位距離對成形載荷的影響

結(jié)論

⑴模擬結(jié)果表明，采用雙凸模對帶孔雙聯(lián)齒輪進行熱擠壓成形，可以得到無明顯缺陷，成形載荷滿足要求的鍛件，可以利用零件速度場分布對成形缺陷進行預測；

⑵凸模圓角過小，會導致成形載荷急劇增大，凸模圓角過大并不能顯著降低載荷，且會造成材料的浪費，應合理控制凸模圓角的大??；

⑶坯料定位距離對成形結(jié)果具有重要影響，坯料定位距離不合理會大大增大零件成形載荷。