洪新陽(yáng)，王士燦，周昊奕，邱海亮

(1.浙江豐安齒輪股份有限公司，浙江 浦江 322200；2.浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

齒輪作為汽車、工程機(jī)械和航空航天等行業(yè)中重要的傳動(dòng)零件，在零件制造業(yè)中一直占有十分重要的地位。傳統(tǒng)機(jī)械切屑加工工藝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅生產(chǎn)效率比較低，而且材料的利用率也很低。[1-2]通過(guò)鍛造成形可解決上述問(wèn)題，但冷精鍛成形工藝由于金屬的冷態(tài)流動(dòng)差導(dǎo)致成形應(yīng)力大而對(duì)模具的損耗較大，并且容易在齒端處出現(xiàn)充型不滿的現(xiàn)象。[3]由于熱模鍛是高溫鍛造，其鍛造過(guò)程耗能高，伴隨著鍛件的冷卻鍛件表面質(zhì)量氧化嚴(yán)重，成形精度會(huì)大大降低。[4]針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)加工工藝、冷精鍛成形和熱模鍛成形工藝的不足，本文提出了倒擋中間齒輪的溫鍛成形新工藝，溫鍛成形工藝的鍛件溫度介于熱鍛和冷鍛之間，其成形質(zhì)量好，鍛件的尺寸精度高。[5]

D.UMBRELLO，R.M.SAOUBI，J.C.OUTEIROL[6]使用有限元模擬的方法，分析各個(gè)相關(guān)參數(shù)對(duì)AISI-316L這種鋼材成形的殘余應(yīng)力的影響。張修銘等[7]及張雪萍等[8]分別利用Ansys和Deform軟件對(duì)平面磨削殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真。現(xiàn)有齒輪殘余應(yīng)力方面研究，大多以考慮新材料在齒輪上的應(yīng)用或傳統(tǒng)機(jī)加工后齒輪的殘余應(yīng)力為主，對(duì)齒輪溫鍛成形后的殘余應(yīng)力和溫鍛成形力的研究較少。

本文采用Deform軟件對(duì)倒擋中間齒輪的溫鍛成形過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，獲取了鍛件成形過(guò)程中的殘余應(yīng)力分布規(guī)律并發(fā)現(xiàn)鍛造缺陷[9]，并以此對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)獲得最小殘余應(yīng)力和成形力。

1 倒擋中間齒輪溫鍛成形工藝分析

1.1 齒輪結(jié)構(gòu)及尺寸

該齒輪齒數(shù)為18，法向模數(shù)為3，變位系數(shù)為0.225，要求9級(jí)精度，其結(jié)構(gòu)尺寸(見(jiàn)圖1)。其中一端為軸部，軸部的外徑為35 mm，內(nèi)徑為21 mm，軸部長(zhǎng)度為10 mm。另一端為齒輪部，齒輪部的齒頂圓直徑為61.15 mm，分度圓直徑為54 mm，帶軸齒輪的總長(zhǎng)度為20 mm，軸部與齒輪部的過(guò)渡為圓弧過(guò)渡，過(guò)渡圓弧尺寸為3 mm。本文中的倒擋中間齒輪采用溫鍛工藝成形，其中齒輪部進(jìn)行精鍛成形，成形后不需要機(jī)加工，而軸部及內(nèi)徑預(yù)留加工量，進(jìn)行后續(xù)的機(jī)加工成形，零件圖(見(jiàn)圖2)。

圖1 倒擋中間齒輪尺寸圖

圖2 倒擋中間齒輪零件圖

1.2 齒輪材料以及模具

該齒輪材料為20CrMnTi合金鋼，其化學(xué)成分(見(jiàn)表1)。20CrMnTi是一種性能良好的滲碳合金鋼，其特性是淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅(jiān)韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，正火后切削性良好。[10]

表1 20CrMnTi鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

該齒輪的溫鍛成形工藝過(guò)程包括：下料—表面處理—中頻感應(yīng)加熱—鐓頭—溫鍛—沖連皮—機(jī)加工。通過(guò)對(duì)帶軸齒輪的材料特性以及尺寸結(jié)構(gòu)的分析，確定了在溫鍛(700℃～850℃)條件下的模具結(jié)構(gòu)，初步擬定了如圖3所示的初始模具，其包括凹模和凸模，凸、凹模為平底模，中心沖頭直徑都為18 mm，其中凸模沖頭高度11 mm，凹模沖頭高度5 mm。

2 Deform-3D數(shù)值模擬

2.1 幾何模型及取值點(diǎn)

由于該齒輪是對(duì)稱件，因此，為了減少模擬時(shí)間，在模擬時(shí)采用了1/4對(duì)稱的模擬分析，圖4為模具與坯料的有限元模型。

圖3 模具三維結(jié)構(gòu)模型圖

圖4 1/4有限元仿真模型

由于殘余應(yīng)力是影響齒輪齒面精度和殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素，所以分別取如圖5所示的齒輪上較為重要的四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)：齒頂、齒面、軸芯和軸壁為齒輪殘余應(yīng)力測(cè)量取值點(diǎn)取最大殘余應(yīng)力。

圖5 殘余應(yīng)力取樣點(diǎn)

2.2 模擬參數(shù)設(shè)定

在Deform-3D前處理中設(shè)置模具為剛體材料，由于要計(jì)算鍛件的殘余應(yīng)力，所以坯料應(yīng)設(shè)為彈塑性材料，以達(dá)到最大程度的與實(shí)際工藝相接近的效果。Deform-3D模擬具體參數(shù)設(shè)置(見(jiàn)表2)。

表2 Deform-3D模擬參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果與分析

鍛造時(shí)金屬在上模和下模的作用下產(chǎn)生塑性變形而形成最終的鍛件，其中鍛件殘余應(yīng)力的分布將影響鍛件的尺寸精度以及鍛件的應(yīng)力值分布，鍛件殘余應(yīng)力過(guò)大容易導(dǎo)致金屬內(nèi)部存在過(guò)大的變形力。而模具所承受的載荷將決定模具的壽命，為了研究不同參數(shù)對(duì)倒擋中間齒輪成形結(jié)果的影響，以初始模具中的金屬殘余應(yīng)力分布和成形力(模具載荷)為目標(biāo)參數(shù)。

殘余應(yīng)力模擬結(jié)果(見(jiàn)圖6)，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，20CrMnTi倒擋中間齒輪終鍛殘余應(yīng)力區(qū)間為0～1 250 MPa，其中齒頂、部分齒表面以及過(guò)渡圓角處殘余應(yīng)力較大，易發(fā)生開(kāi)裂。這是由于在這些區(qū)域材料流動(dòng)較為困難導(dǎo)致其較難，致使這些區(qū)域殘余應(yīng)力較大。

成形載荷變化如圖7所示，隨著凸模行程的增大，模具載荷呈上升趨勢(shì)，在0～70步數(shù)的凸模行程內(nèi)，成形力緩慢增長(zhǎng)；當(dāng)凸模行程范圍為70～90步數(shù)時(shí)，成形力快速增長(zhǎng)；當(dāng)凸模行程大于90步數(shù)時(shí)，成形力突變式增長(zhǎng)，最終成形力大小約為110 T。這時(shí)由于在成形后期階段模具對(duì)材料的反作用力增大造成的。

3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

影響20CrMnTi倒擋中間齒輪鍛造成形的主要工藝參數(shù)有：坯料溫度、下壓速度和摩擦系數(shù)等。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，坯料溫度、下壓速度和摩擦系數(shù)為影響殘余應(yīng)力和成形力的比較關(guān)鍵的因素。所以針對(duì)這三個(gè)重要工藝參數(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)分析，得到三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力和成形力的影響程度，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 殘余應(yīng)力值分布

圖7 成形力變化曲線

3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置摩擦系數(shù)取值范圍：0～0.2，下壓速度取值范圍：5～20 mm/s，坯料溫度取值范圍：700℃～850 ℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以得到17種變量組合，對(duì)這17種工藝參數(shù)組合分別運(yùn)用Deform-3D進(jìn)行數(shù)值模擬，并得到其殘余應(yīng)力的最大值及成形力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表3)。

表3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

由Designer-Expert軟件分析，通過(guò)最小二乘法可以得到殘余應(yīng)力的曲面響應(yīng)方程為：

R=426-3.75A+14.13B-59.88C-

12.75AB+2.25AC+8.5BC+

6.5A2-16.25B2-1.25C2

(1)

成形力的曲面響應(yīng)方程為：

F=1 060+62.5A+26.88B-152.13C-

15.5AB+13AC+50.75BC-

28.13A2-71.38B2-17.7C2

(2)

由表4和表5可知，兩個(gè)模型的P>0.000 1，證明方程模型(1)和(2)非常顯著。置信水平選擇95%，當(dāng)P≤0.000 1時(shí)，說(shuō)明相對(duì)應(yīng)因素對(duì)結(jié)果非常顯著，當(dāng)P≤0.005時(shí)，說(shuō)明相對(duì)應(yīng)的因素對(duì)結(jié)果影響顯著，當(dāng)P>0.005，說(shuō)明相對(duì)應(yīng)因素對(duì)結(jié)果影響不明顯。表4中，B下壓速度的P=0.000 4≤0.005，說(shuō)明它對(duì)殘余應(yīng)力的影響顯著；C坯料溫度P≤0.000 1，說(shuō)明它對(duì)擠壓力的影響非常顯著。表5中，A摩擦系數(shù)P=0.000 8≤0.005，說(shuō)明它對(duì)成形力的影響顯著；C坯料溫度P≤0.000 1，說(shuō)明它對(duì)擠壓力的影響非常顯著。

通過(guò)溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響發(fā)現(xiàn)：隨著坯料溫度的升高，齒輪殘余應(yīng)力逐漸減小。這是因?yàn)闇囟仍礁?，材料的屈服?yīng)力就越小，易于材料流動(dòng)，鍛件變形更為均勻，導(dǎo)致殘余應(yīng)力降低。而隨著變形速率的增加，殘余應(yīng)力先減小再增大，在速率不超過(guò)2 mm/s時(shí)，變形速率越大，變形時(shí)間越短，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒沒(méi)有足夠時(shí)間長(zhǎng)大，從而使晶粒細(xì)化、變形均勻，導(dǎo)致殘余應(yīng)力減?。欢坏┏^(guò)這個(gè)范圍，變形速率太大以至于坯料的溫度梯度大，使殘余應(yīng)力增大，但整體影響不大。隨著摩擦系數(shù)的增大，殘余應(yīng)力呈波動(dòng)變化，且變化不大。

表4 最大殘余應(yīng)力方差分析結(jié)果

表5 成形力方差分析結(jié)果

如圖8所示，圖8(a)表示摩擦系數(shù)和坯料溫度兩個(gè)參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力大小的影響，由圖可以看出兩者對(duì)殘余應(yīng)力存在影響，且當(dāng)摩擦力為0.015，坯料溫度為850 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力最小為360 MPa左右。圖8(b)表示摩擦系數(shù)和坯料溫度兩個(gè)參數(shù)對(duì)成形力大小的影響，由圖可以看出兩者對(duì)成形力存在影響，且當(dāng)摩擦力為0，坯料溫度為850 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力最小為750 kN左右。同理，如圖8(c)—(f)所示，顯示了坯料溫度和下壓速度對(duì)鍛件殘余應(yīng)力與成形力的影響，下壓速度和摩擦系數(shù)對(duì)鍛件殘余與成形力的影響。為了使殘余應(yīng)力最小，成形力盡量達(dá)到最小，得到三個(gè)參數(shù)的最優(yōu)組合為：摩擦系數(shù)為0.015，下壓速度為5 m/s，成形溫度為850 ℃。

圖8 不同因素對(duì)結(jié)果的影響

4 最優(yōu)工藝的模擬

根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化的最優(yōu)解，對(duì)齒輪的鍛造過(guò)程進(jìn)行再次模擬，結(jié)果(見(jiàn)圖9)。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，20CrMnTi帶軸齒輪其殘余應(yīng)力區(qū)間為0～809 MPa。其最大殘余應(yīng)力值僅為308 MPa，與最初的方案的499 MPa對(duì)比，下降了將近190 MPa，可以有效地減少齒輪在鍛造的過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂的可能性。

成形力變化(見(jiàn)圖10)，參數(shù)優(yōu)化后成形力與最初方案模擬成形力對(duì)比，優(yōu)化后相同步數(shù)下的成形力均小于未優(yōu)化，最大成形力為702 kN，比最初方案1060 kN對(duì)比，下降了約360 kN。

圖10 成形力曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

(1)基于Deform-3D軟件對(duì)某20CrMnTi合金鋼倒擋中間齒輪的溫鍛過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，齒輪的殘余應(yīng)力主要集中在齒尖及齒根，所以在該處易發(fā)生斷裂。

(2)設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，分析了各工藝參數(shù)對(duì)倒擋中間齒輪溫鍛殘余應(yīng)力和成形力的影響。其中，各因數(shù)對(duì)倒擋中間齒輪模鍛殘余應(yīng)力和成形力的影響由大到小排序?yàn)椋号髁蠝囟?、摩擦系?shù)、變形速率。

(3)出于倒擋中間齒輪溫鍛殘余應(yīng)力和成形力的考慮，篩選出的最優(yōu)工藝為：摩擦系數(shù)為0.015，下壓速度為5 m/s，成形溫度為850 ℃。該工藝可以有效地減少齒輪在鍛造的過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂的可能性，同時(shí)也大大降低了成形力。

(4)基于響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，分析了不同工藝參數(shù)對(duì)倒擋中間齒輪溫鍛殘余應(yīng)力的影響：隨著坯料溫度和模具溫度的升高齒輪殘余應(yīng)力逐漸減??；隨著變形速率的增加，殘余應(yīng)力先減小再增大；隨著摩擦系數(shù)的增大，殘余應(yīng)力呈波動(dòng)變化，且變化不大。