文／周智慧，李旭東·江蘇飛船股份有限公司

周穎鴻，解玄，華希俊·江蘇大學機械工程學院

基于熱鍛冷整工藝，利用DEFORM-3D對直齒錐齒輪冷整工序成形進行有限元數(shù)值模擬。通過對直齒錐齒輪冷整成形過程中的行程載荷、材料流動速度場、應力應變進行分析，提出優(yōu)化方案，并進行成形試驗對比，結(jié)果表明，較大的齒厚和較小的齒高直齒錐齒輪的材料流動速度場分布更優(yōu)，應力應變分布更合理，模具所受載荷更低，成形件齒面符合產(chǎn)品精度要求。

齒輪是傳動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關鍵核心零件，如何改善優(yōu)化齒輪性能得到越來越多研究學者的關注。傳統(tǒng)的齒輪加工方法為切削加工和鍛造，相比切削加工鍛造可獲得完整的金屬流線、更優(yōu)的材料組織和性能，獲得更可靠更安全和使用壽命更長的齒輪產(chǎn)品。雖然熱精鍛加工精度高，但是加工時由于高溫易發(fā)生氧化作用，影響工件的表面精度和表面質(zhì)量。近年來，熱鍛冷整復合加工工藝不僅具備熱鍛工藝的優(yōu)勢，獲得具備完整流線的工件，還可減小中間成形工步，降低成形載荷，冷整工序可保證工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，提高齒輪的使用壽命，是齒輪復合鍛造成形工藝中重要的一環(huán)。因此有必要對冷整成形工藝進行優(yōu)化設計，以保證最佳成形質(zhì)量。

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，實際生產(chǎn)中，為優(yōu)化產(chǎn)品工藝、減小生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，數(shù)值模擬方法得到廣泛應用。本文基于熱鍛冷整復合加工工藝，利用DEFORM軟件對直齒錐齒輪復合鍛造冷整工序進行數(shù)值模擬，提出優(yōu)化方案并進行成形驗證，對直齒錐齒輪復合鍛造成形工藝設計具有指導意義。

有限元模型及模擬方案

有限元模型的建立

本文基于熱鍛冷整成形工藝，模擬工序為熱鍛后的冷整工序。選取兩個不同齒高、齒厚的直齒錐齒輪熱鍛成形件，運用Pro/E建立直齒錐齒輪與上下模具的三維模型，并保存為stl文件導入DEFORM軟件進行有限元數(shù)值模擬。圖1為直齒錐齒輪熱鍛成形件示意圖，圖2為模具的有限元數(shù)值模擬模型。

模擬參數(shù)設置

熱鍛件/冷整成形件尺寸對比和模擬參數(shù)設置如表1所示。

表1 熱鍛件/冷整成形件尺寸對比及模擬參數(shù)設置

圖1 直齒錐齒輪熱鍛件示意圖

圖2 模具有限元模擬模型

有限元數(shù)值模擬結(jié)果與分析

成形載荷分析

圖3為不同熱鍛件尺寸冷整時上模對應的行程載荷，二者行程載荷相差較大。這是由于熱鍛件1齒厚較小、齒高較高，冷整時直齒錐齒輪齒頂和齒根區(qū)域先于齒面區(qū)域與上模發(fā)生并保持接觸，材料流動所受阻力增加且材料變形范圍小，齒頂、齒根區(qū)域承受的作用力大，齒面受力較小。熱鍛件2由于減小了齒高、增大了齒厚，齒面先于齒頂與上模發(fā)生接觸作用，直齒錐齒輪可自由流動材料增加且變形范圍擴大，有效降低了成形載荷。

金屬流動速度場分析

圖4為不同齒高、齒厚熱鍛件冷整工序最終材料流動情況。圖4(a)為高齒高、薄齒厚的熱鍛件1，上模下行，與工件接觸并發(fā)生擠壓，從而使齒面材料向齒頂流動，因此齒頂存在一定的速度場；下模與工件始終處于接觸階段，在冷整過程中材料流動受到下模限制，其向飛邊區(qū)域以及工件底部流動；最大流動速度在工件底部區(qū)域，為40mm/s。圖4(b)為齒高減小0.2mm、齒厚增加0.4mm的熱鍛成形件，由于齒厚增加，工件受到上模的擠壓作用，齒面材料向齒頂流動，因此齒頂存在材料流動速度場，且齒面平均流動速度比熱鍛件1增加了約1.5倍，齒面冷整效果良好；由于冷整過程中下模與工件始終接觸，其材料流動受下模的限制作用，所以材料向飛邊區(qū)域和工件底部流動；最大流動速度在工件底部區(qū)域。工件減小齒高、增加齒厚后最大材料流動速度減小，可能原因是上模與工件接觸后，工件齒面發(fā)生的形變增大，齒頂面受到的擠壓力變小，導致工件底部受到的擠壓力減小，底部材料流動速度減小。

圖3 上模載荷行程曲線

圖4 材料流動速度場

應力應變分析

熱鍛件1和熱鍛件2最終成形對應的應力、應變圖如圖5、圖6所示。通過對比可知，隨著變形的完成，熱鍛件1最大應力為834MPa，熱鍛件2最大應力為827MPa，熱鍛件1齒根處出現(xiàn)了應力集中區(qū)域，可能會導致成形件在工作中更容易失效、減小其使用壽命。由圖6可知，熱鍛件2的平均應變比熱鍛件1小，熱鍛件1齒根齒頂區(qū)域應變大，說明熱鍛件2的材料流動更為合理。熱鍛件1的應變分布差值較大，應變分布不均可能會導致附加應力和殘余應力的產(chǎn)生，影響成形件精度，影響傳動過程中的平穩(wěn)性。

成形對比試驗

傳統(tǒng)單一的熱/溫模鍛造或者冷精鍛工藝無法滿足產(chǎn)品要求，本文基于復合鍛造（熱鍛冷整）工藝進行成形試驗對比，將前文中數(shù)值模擬的方案1和方案2進行實際鍛造加工，在冷整上一工序，即熱鍛工序修整直齒錐齒輪齒高、齒厚，圖7為方案1和方案2成形件對比圖。圖中灰白色部分屬于未精整部分，圖7(a)中大面積灰白色區(qū)域分布在齒面上，可能的原因是熱鍛工序溫度較高，冷卻時成形件收縮較大，導致冷整時由于齒厚偏小導致冷整不到位；圖7(b)為優(yōu)化后的冷整件，即增加熱鍛件齒厚減小齒高，增加齒厚充分考慮到熱鍛坯冷收縮量及模具彈性變形，確保齒面被精整達到加工要求，減小齒高是為了增加材料流動空間，減小模具的承載力，提高模具使用壽命，從圖中可以看出灰白色區(qū)域分布于成形件的齒頂和齒高部分，齒面被完全精整，符合加工要求。成形試驗結(jié)果驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，說明了方案2可以有效優(yōu)化復合鍛造工藝，顯著提高成形質(zhì)量。

圖5 應力分布圖

圖6 應變分布圖

圖7 直齒錐齒輪冷整成形件對比圖

結(jié)論

本文針對熱鍛冷整復合鍛造工藝中的冷整工序，對直齒錐齒輪冷整成形進行有限元數(shù)值模擬。通過對不同齒厚、齒高的直齒錐齒輪冷整成形過程中的成形載荷、流動速度場、應力應變的分析，對直齒錐齒輪齒厚、齒高進行了修正和優(yōu)化。通過成形試驗結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)，適當?shù)脑黾育X厚、減小齒高可有效提高冷整工序的產(chǎn)品合格率，降低模具成形載荷，提高模具使用壽命，對實際的鍛造生產(chǎn)加工具有指導意義。