孫 陽(yáng)，黃斯韜，武 歡，代先東，曹建國(guó)

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引 言

結(jié)合齒用于汽車(chē)變速箱的傳動(dòng)和換擋，是變速箱內(nèi)關(guān)鍵零件之一。國(guó)內(nèi)結(jié)合齒一般采用傳統(tǒng)機(jī)加工成形，因其效率低，切削后金屬流線(xiàn)被破壞，導(dǎo)致結(jié)合齒強(qiáng)度降低及使用壽命短等問(wèn)題。齒輪精密塑性成形方法消除了上述缺陷，使結(jié)合齒具有材料利用率高、制造力學(xué)性能好、制造成本低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。溫精鍛結(jié)合冷、熱精鍛的優(yōu)點(diǎn)，既有較低的材料變形抗力，又能保證零件表面質(zhì)量和尺寸精度，但不同工藝方案對(duì)于溫精鍛影響較大，如齒形填充不滿(mǎn)、折疊缺陷、成形載荷大、模具零件磨損快等。因此通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)可以快捷、低成本優(yōu)化溫精鍛工藝方案。

結(jié)合齒結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以在保證成形質(zhì)量和精度的前提下一步成形，需要經(jīng)過(guò)預(yù)鍛+終鍛，成形直齒后擠壓倒錐。現(xiàn)以某結(jié)合齒成形直齒為例，利用SolidWorks 建模技術(shù)，采用DeForm-3D 進(jìn)行數(shù)值模擬，利用Archard 公式，分析研究結(jié)合齒預(yù)鍛成形過(guò)程中不同連皮位置、不同成形方案對(duì)成形質(zhì)量的影響。

1 結(jié)合齒成形工藝分析及優(yōu)化

1.1 工藝分析

結(jié)合齒如圖1 所示，齒輪模數(shù)為1.58 mm，齒數(shù)為54，材料為20MnCr。開(kāi)式模鍛是材料在不完全受限制的模膛內(nèi)流動(dòng)，首先材料流向模膛，當(dāng)模膛阻力增加后，部分材料會(huì)沿水平方向流動(dòng)形成飛邊。隨著飛邊不斷減薄與該處材料溫度降低，導(dǎo)致形成飛邊的流動(dòng)阻力加大，迫使更多材料流入模膛。多余材料在模膛充滿(mǎn)后，逐漸形成飛邊流出。傳統(tǒng)開(kāi)式模鍛成形方案有2 種：一種是金屬沿徑向流動(dòng)填充齒形，即徑向擠壓；另一種是金屬向下流動(dòng)充填齒形，即正向擠壓。這2 種方法預(yù)鍛坯料不同，將導(dǎo)致模具所受載荷與磨損有較大區(qū)別。為了有利于鍛造后沖孔，沖孔連皮一般設(shè)置在坯料中心或坯料下表面。由理論分析可知，成形方案和沖孔連皮位置必然會(huì)對(duì)齒輪成形質(zhì)量產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)研究不同成形方案與不同位置的沖孔連皮的成形效果，進(jìn)行模擬試驗(yàn)對(duì)比，獲得適用于該結(jié)合齒成形的最佳工藝方案。

圖1 結(jié)合齒

1.2 確定工藝方案

2種沖孔連皮位置如圖2所示，為保證最終結(jié)合齒尺寸精度，設(shè)置1.5°拔模角以便鍛造后將成形零件取出。零件設(shè)置1～2 mm 加工余量，以便溫鍛后僅需要少量機(jī)加工。

圖2 2種連皮位置的齒輪鍛件

4 種成形方案如圖3 所示，方案1 為徑向擠壓且沖孔連皮設(shè)在坯料下表面，方案2 為正向擠壓且沖孔連皮設(shè)在坯料下表面，方案3 為徑向擠壓且沖孔連皮設(shè)在坯料中心，方案4 為正向擠壓且沖孔連皮設(shè)在坯料中心。采用SolidWorks計(jì)算鍛件三維模型體積，并對(duì)模具進(jìn)行三維建模，導(dǎo)出后借助DeForm-3D 進(jìn)行模擬分析，采用修正的Archard 模型進(jìn)行模具零件磨損分析。

圖3 4種成形方案

1.3 確定工藝參數(shù)

坯料為20MnCr，凸、凹模為H13 鋼。溫鍛成形中坯料成形溫度一般為650～900 ℃，坯料塑性變形難易程度與溫度設(shè)置密切相關(guān)，根據(jù)參考文獻(xiàn)坯料溫度設(shè)置為850 ℃，凸模預(yù)熱溫度設(shè)置為150 ℃，凹模預(yù)熱溫度設(shè)置為300 ℃，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.25，熱傳導(dǎo)系數(shù)取5 N/（s?mm?℃）。由于零件對(duì)稱(chēng)性，4 種方案取整個(gè)模型的1/9，即6 個(gè)齒為研究對(duì)象。對(duì)坯料和模具進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，并設(shè)置對(duì)稱(chēng)面和熱交換面。凸模運(yùn)行速度設(shè)置為100 mm/s。

2 有限元模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果如圖4所示，方案1和方案2最后齒形填充飽滿(mǎn)且形狀完整，但成形過(guò)程中坯料出現(xiàn)材料折疊缺陷。方案1 凸模接觸坯料后對(duì)其進(jìn)行擠壓，底部和側(cè)壁材料受力向齒形與空隙部位流動(dòng)，隨著凸模繼續(xù)下行，底部材料受力將會(huì)斜向上流動(dòng)，側(cè)壁材料向徑向流動(dòng)，在中心孔側(cè)壁相遇并形成折疊缺陷。方案2 不僅在中心孔側(cè)壁形成折疊缺陷，還在齒形頂部所在的橫端面形成折疊缺陷。將方案1和方案2 底部材料減薄、增加側(cè)壁材料依然出現(xiàn)折疊缺陷，甚至出現(xiàn)齒形填充不飽滿(mǎn)，說(shuō)明沖孔連皮留在坯料下表面不合理。方案3 和方案4 成形后齒輪形狀完整、飽滿(mǎn)，材料未發(fā)生折疊缺陷，說(shuō)明方案3 和方案4 可以得到滿(mǎn)足要求的結(jié)合齒。因此選取方案3 和方案4 進(jìn)行成形載荷、應(yīng)力應(yīng)變分布及模具零件磨損分析。

圖4 模擬結(jié)果

2.1 成形載荷分析

圖5 所示為方案3 和方案4 的凸模運(yùn)動(dòng)行程-載荷曲線(xiàn)，方案3當(dāng)凸模下行接觸坯料后，材料向下流動(dòng)，成形阻力相對(duì)較小且變化緩慢，隨后材料將沿著徑向方向流動(dòng)填充齒形，載荷不斷增加，當(dāng)齒形填充飽滿(mǎn)后，材料流向齒形上面的空隙區(qū)域，材料流動(dòng)阻力明顯增加，導(dǎo)致載荷變化速率提高，直到材料填充飽滿(mǎn)，多余材料形成飛邊。方案4 運(yùn)動(dòng)方式與方案3 相近，但方案4 坯料外形尺寸與凹模更接近，其行程路徑少，材料后期成形阻力小于方案3，能更快速成形。方案4的成形載荷開(kāi)始低于方案3，平均成形載荷減少了28.5%，方案3和方案4凸模最大載荷分別為10.3×103kN 和9.6×103kN，表明方案4成形合理，能減少成形載荷。

圖5 2種方案的行程-載荷曲線(xiàn)

2.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

圖6 所示為結(jié)合齒溫鍛結(jié)束時(shí)等效應(yīng)力分布，方案3的等效應(yīng)力最大值為345 MPa，集中在齒坯頂部凹槽和連皮，齒部與齒根附近等效應(yīng)力均勻分布，約255 MPa，底部等效應(yīng)力最小。這是由于徑向成形過(guò)程中，凸模向下運(yùn)動(dòng)同時(shí)接觸坯料頂部及連皮，導(dǎo)致坯料頂部及連皮先受到力的作用并在達(dá)到屈服條件后產(chǎn)生變形，少部分坯料向下流動(dòng)，大部分坯料徑向流動(dòng)到齒形，所有成形力均由坯料頂部及連皮傳遞。方案4的等效應(yīng)力最大值為333 MPa，集中在齒坯頂部凹槽，齒部與齒根附近等效應(yīng)力均勻分布約230 MPa，底部等效應(yīng)力最小。這是由于正向成形過(guò)程中，坯料在凸模擠壓開(kāi)始后向下流動(dòng)到齒形和底部，待其填充飽滿(mǎn)后材料在推動(dòng)力作用下繼續(xù)流動(dòng)到其他部位。方案4的等效應(yīng)力分布更均勻，且低于方案3，對(duì)結(jié)合齒的成形及模具使用壽命的延長(zhǎng)有較好的作用。

圖6 等效應(yīng)力分布

研究等效應(yīng)變?cè)诔尚芜^(guò)程中的分布規(guī)律，分別在連皮、齒根中間、齒頂選取3 個(gè)點(diǎn)，其取平均值后的應(yīng)變曲線(xiàn)如圖7 所示。2 種方案主要成形部分集中在齒根中間和齒頂處，等效應(yīng)變較大，連皮位置材料流動(dòng)順暢，其等效應(yīng)變較小。方案3 在成形初期被擠壓的材料徑向流動(dòng)到齒形型腔部分，其等效應(yīng)變?cè)黾泳徛?。隨著凸模繼續(xù)擠壓，坯料開(kāi)始接觸鎖止角型腔后，其等效應(yīng)變快速增加。齒頂處等效應(yīng)變?cè)谶\(yùn)行0.13 s 突然增大，這是由于齒形已經(jīng)完全填充飽滿(mǎn)，材料無(wú)法流動(dòng)到齒形。方案4 齒根與齒頂中間平均應(yīng)變趨勢(shì)相近，這是因?yàn)椴牧鲜芰凝X形上端面擠壓形成齒形，齒形部分幾乎同時(shí)充滿(mǎn)，未出現(xiàn)等效應(yīng)變突然增加的情況。經(jīng)對(duì)比，方案4可有效降低等效應(yīng)變。

圖7 等效應(yīng)變分布

2.3 模具零件磨損量分析

為了使模具零件磨損模擬更加準(zhǔn)確，引入了Archard 磨損模型。為保證模具零件磨損參數(shù)與實(shí)際情況相似，設(shè)置模具零件初始硬度為55 HRC，磨損系數(shù)K為2×10-6，模擬結(jié)果如圖8 所示。方案3 凹模最大磨損量為3.34×10-6mm，位于凹模接觸連皮處，齒形位置最大磨損量為1.72×10-6mm。方案4 凹模最大磨損量為2.60×10-6mm，也是位于凹模接觸連皮處，齒形位置最大磨損量為1.55×10-6mm。方案4比方案3 凹模最大磨損量少0.74×10-6mm，齒形位置最大磨損量少0.17×10-6mm，選取方案4 可延長(zhǎng)模具使用壽命，降低模具開(kāi)發(fā)成本。

圖8 凹模磨損量

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬分析4 種不同成形方案，結(jié)合齒預(yù)鍛件沖孔連皮位置設(shè)在底面易形成折疊缺陷，沖孔連皮設(shè)在中間位置齒形填充飽滿(mǎn)、無(wú)折疊現(xiàn)象產(chǎn)生，此外還得出如下結(jié)論。

（1）連皮設(shè)在中間位置的正向成形方案平均成形載荷比徑向成形方案減少了28.5%。

（2）正向成形方案比徑向成形方案的凹模最大磨損量少0.74×10-6mm，齒形位置最大磨損量少0.17×10-6mm，表明了正向成形方案的模具使用壽命會(huì)更長(zhǎng)，模具開(kāi)發(fā)成本更低。