王紅亮

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

1 Deform-3D有限元技術(shù)

Deform是一套基于有限元理論的工藝仿真模擬軟件，主要用于分析金屬材料加工成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝仿真模擬。而Deform-3D可以分析復(fù)雜材料的三維流動(dòng)及加工成形工藝[1]。

當(dāng)生產(chǎn)一種新產(chǎn)品或零件時(shí)，技術(shù)人員不知道其合適的工藝參數(shù)，如果通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定參數(shù)將浪費(fèi)不少材料和時(shí)間。我們可以利用Deform-3D數(shù)值模擬軟件模擬整個(gè)加工過(guò)程，幫助工程師和設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本[2]。提高模具設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)和材料成本?？s短新產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)周期。

2 齒輪常見(jiàn)加工工藝對(duì)比及存在的問(wèn)題

齒輪是非常重要的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械元件之一，在工業(yè)傳動(dòng)裝置中應(yīng)用廣泛。而目前齒輪加工方法很多，常見(jiàn)的幾種加工工藝如下，作者對(duì)比分析如下：

（1）齒輪切削加工工藝。切削加工工藝是最為常見(jiàn)也是最傳統(tǒng)的齒輪加工方法。齒輪切削加工是指用切削工具（包括刀具、磨具和磨料）把齒坯上多余的材料切削去除，使齒坯獲得設(shè)計(jì)的幾何形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工工藝。目前國(guó)內(nèi)外圓柱齒輪加工工藝仍以切削加工為主，根據(jù)加工原理，傳統(tǒng)的齒輪加工方法可以分為展成法和成形法兩大類(lèi)：展成法是利用齒輪刀具與被切齒坯作嚙合運(yùn)動(dòng)而切出齒形的方法，包括滾齒、插齒、剃齒、蝸桿砂輪磨齒等；成形法指采用與被切齒輪齒槽相符的成形刀具加工齒形的方法，包括成形銑齒、成形磨齒和拉齒加工等?？梢?jiàn)齒輪切削加工工藝是一種去除材料的加工方法，因此材料的利用率不高。此外，加工設(shè)備較多，價(jià)值設(shè)備工作載荷大，加工時(shí)噪音大等缺點(diǎn)限制了切削工藝在齒輪加工中的持續(xù)應(yīng)用。

（2）齒輪模鍛加工工藝。模鍛工藝具有加工效率高、精度高、金屬利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因此引起了國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注，很多齒輪加工工廠采用模鍛成形技術(shù)加工齒輪。英國(guó)伯明翰大學(xué)的T.A.Dean教授等人對(duì)齒輪零件的模鍛工藝進(jìn)行了深入的研究，主要研究了凹模齒形充填、成品的頂出、余料的分配和模具壽命等方面，對(duì)十幾種模具設(shè)計(jì)可選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出利用浮動(dòng)凹模鍛造空心件的思想，并將其應(yīng)用于直齒輪等復(fù)雜零件的無(wú)飛邊精鍛成形。國(guó)內(nèi)吉林大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)在齒輪模鍛精密成形方面進(jìn)行了大量研究，掌握了小模數(shù)直齒輪和錐齒輪模鍛技術(shù)工藝。但齒輪模鍛技術(shù)存在齒輪尖部充型不滿、模鍛力隨模數(shù)及尺寸增大而增大、模具壽命短等問(wèn)題而限制其廣泛應(yīng)用。

（3）齒輪軋制加工工藝能。隨著傳動(dòng)裝置的更新?lián)Q代，齒輪的加工方法日益先進(jìn)。軋制因其具有少切削或無(wú)切削、生產(chǎn)效率高、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常好的近凈成形技術(shù)之一。齒輪軋制成形是指圓柱形坯料在兩軋輥模具之間或在兩平板模具之間或與一個(gè)軋輥按一定速比嚙合范成擠壓而發(fā)生連續(xù)局部變形的一種成形工藝。按照軋輥模具與軋件的嚙合關(guān)系，齒輪軋制工藝可以劃分為外嚙合形式和內(nèi)嚙合形式兩種。

與傳統(tǒng)切削成形工藝相比，軋制成形具有如下優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)效率高。②設(shè)備體積小，噸位小，噪聲小，有效地節(jié)約了成本和改善了工作環(huán)境。

③材料利用率高。軋制是一種塑性成形工藝，通常材料利用率一般為80%～95%。而切削是一種去除材料的加工技術(shù)，根據(jù)零件形狀，材料利用率也不同，一般為50%～70%。因此軋制工藝的材料利用率相比切削提高平均30%；④零件性能提高。冷軋后由于存在加工硬化，使零件齒部的強(qiáng)度得到較大提高；而熱軋后零件齒部晶粒得到細(xì)化，金屬流線和晶粒細(xì)化的協(xié)同作用，使得零件的靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度都有提高。

與齒形模鍛工藝相比，齒輪軋制工藝有如下優(yōu)點(diǎn)：①工作載荷小。軋制的工作載荷只是模鍛載荷的幾十分之一，因此模具壽命長(zhǎng)。②噪聲小，環(huán)境友好。軋制成形噪聲小，模鍛噪聲相比較大。③設(shè)備價(jià)格低，一般為模鍛的1/5～1/10。④通用性好，可以成形同模數(shù)不同齒數(shù)的齒輪，統(tǒng)一調(diào)整較簡(jiǎn)單。

3 Deform-3D數(shù)值模擬在齒輪加工中的應(yīng)用實(shí)例

隨著工業(yè)的快速發(fā)展和“中國(guó)制造2025”的提出，對(duì)齒輪的加工精度和使用性能提出了更高的要求。尤其是一些高精尖的行業(yè)，對(duì)齒輪的加工精度要求非常高。齒輪精度要求就是對(duì)齒輪的相關(guān)參數(shù)如齒距、齒高、齒厚、分度圓直徑等參數(shù)精度要高。

而這些齒輪參數(shù)的精度與齒輪加工工藝息息相關(guān)，因此齒輪加工工藝參數(shù)的確定尤為重要。齒輪加工技術(shù)人才需做很多試驗(yàn)去確定工藝參數(shù)，在這些試驗(yàn)中存在幾個(gè)缺點(diǎn)：①針對(duì)性不強(qiáng)；②材料浪費(fèi)大；③試驗(yàn)時(shí)間間隔大。為了克服以上問(wèn)題，一些科研工作者把Deform仿真模擬技術(shù)引入到齒輪加工中。先建立各種齒輪加工方法的模型，然后利用Deform相關(guān)的功能對(duì)齒輪加工過(guò)程進(jìn)行仿真模擬獲得一些參數(shù)或得到加工時(shí)出現(xiàn)的一些問(wèn)題，這樣可以用模擬參數(shù)去指導(dǎo)試驗(yàn)，這樣提高了試驗(yàn)的有效性，同時(shí)避免了材料和時(shí)間的浪費(fèi)。

李林鑫等人利用Deform-3D仿真模擬軟件對(duì)齒輪鍛造工藝進(jìn)行仿真模擬，優(yōu)化了工藝參數(shù)，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，模具壽命得到提高。北京科技大學(xué)付曉斌等人利用Deform-3D仿真模擬軟件對(duì)齒輪軋制工藝進(jìn)行仿真模擬，研究了軋制溫度、材料微觀組織等內(nèi)容，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而提高齒輪輪齒的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。這樣的實(shí)例不勝枚舉，可見(jiàn)Deform-3D仿真模擬軟件對(duì)優(yōu)化齒輪加工工藝參數(shù)、預(yù)測(cè)質(zhì)量缺陷和指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有非常重要的作用。因此它在齒輪加工中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

Deform-3D數(shù)值模擬技術(shù)是一種基于有限元理論的仿真模擬軟件，它能模擬出金屬材料塑性成形過(guò)程中一些參數(shù)，能夠有效計(jì)算出金屬材料在加工中相關(guān)參數(shù)，這樣可以有效預(yù)測(cè)真實(shí)加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)能有效指導(dǎo)實(shí)際的加工生產(chǎn)，為技術(shù)人員提供很好的參考。