直式轮齿压挤-冲击定型进展数据摹拟剖析

　　1近年来，国内外对直齿轮精锻成形工艺的研究取得了一定的成果，但仍不能广泛应用于实际生产过程，主要存在齿形充填困难和成形载荷大两个主要问题。由于计算机软硬件技术的发展和金属塑性成形理论的成熟，以有限元为代表的数值模拟技术得到了迅速发展。应用三维有限元数值模拟技术研究直齿轮的精锻成形过程，可以获得许多通过实验无法得到或很难得到的信息，例如：材料的塑性变形行为、流动规律、温度变化、内部应力、应变分布、模具载荷等，从而可优化工艺参数和模具结构设计。

　　因此，本文采用三维有限元分析软件DE-FORM-3D对浮动凹模形式下，直齿轮冲挤―镦挤成形过程进行数值模拟，通过分析各工艺参数对成形过程的影响，为直齿轮精锻成形实用化工艺的实施提供了理论支持。

　　2工艺方案

　　保证在齿腔完全充满的条件下降低工作压力，是解决齿轮精锻成形问题的关键所在。本文选用1所示的模具结构，采用浮动凹模代替传统的固定凹模。利用浮动凹模的积极摩擦作用，不仅可以保证齿腔角部填充饱满，还可以适当地降低成形力。具体工艺过程如下：带台肩冲头1在冲挤过程结束后，推动活动凹模镶块2一起朝下运动，整个凹模接触面上的摩擦力的方向与金属流动方向一致，在上腔惯性效应和下腔积极摩擦双重作用下，使得工件两端的充填更容易。

　　3有限元模拟条件

　　以模数2.5、齿数18的某厂拖拉机减速小齿轮(2)为例进行模拟分析。根据坯料外径等于齿轮的齿根圆直径设计原则和体积不变条件，确定采用毛坯邮38mm×20.5mm的实心圆柱体，材料为工业纯铝。由于该齿轮具有对称性，为旋转周期结构的特点，故选取整个实体模型的1/18作为模拟对象，并采用四节点实体单元进行网格划分，体单元数为30000，当变形过程中网格畸变较大时，系统自动重划分网格。3为网格划分后的工件模型。4为模拟时模具与工件模型。由于模拟的是单个齿的成形过程，因此，边界条件的设定是模拟正确与否的关键，即可用对称面来施加对称约束。

　　模具定义为刚体，挤压过程中不会变形。模拟时，初始温度为室温20℃，并考虑毛坯与模具及环境之间的热传递，即利用DEFORM-3D中的热传导―变形耦合模块进行传热条件的设定。

　　坯料与模具的摩擦方式为剪切摩擦模型，摩擦因子定义为0.25.挤压设备为液压机，工具速度为5mm/s.当凸模完成冲挤过程后，将推动浮动凹模一起向下运动，凹模运动速度也为5mm/s.

　　4模拟结果分析

　　建立直齿轮冲挤―镦挤成形的数值模拟模型以后，用三维有限元模拟软件DEFORM-3D分析计算并后处理，得到了成形效果图、力―行程曲线、场量分布等。具体分析如下。

　　4.1直齿轮成形模拟效果图

　　5所示为直齿轮挤压件成形效果图，可见该齿轮件的齿廓清晰，上下角隙充填效果良好。

　　4.2成形力分析

　　在齿轮成形过程中坯料所受的力是一个十分重要的参数，是确定模具尺寸和形状，选择液压机吨位的主要参考因素，也是校核其强度和刚度的主要依据之一。6给出了固定凹模和浮动凹模下成形的力―行程曲线。由6可以看出成形力是不断增加的，且整个过程明显分为三个阶段。

　　第Ⅰ阶段：冲挤阶段，即从冲头开始接触坯料，至台肩接触坯料为止。当冲头开始向下运动时，冲头附近的金属有显著的塑性变形，而在离冲头较远的地方变形则很小。此阶段因变形区域小，向齿腔流动的金属少，因此，成形力的增加相对较慢。

　　第Ⅱ阶段：冲挤和镦挤复合阶段，即充填齿形阶段。当坯料继续变形，坯料向凹模型腔充填越来越多，自由面也随之减少，金属流动阻力相应增大，因而挤压成形比较困难，成形力也就越大。

　　第Ⅲ阶段：锻靠阶段，即充满上、下角隙阶段。此阶段持续时间较短，由于大多数的材料已经到位，为了完成局部充角的成形，即使移动大量的材料也要克服大部分已充满金属处于静止状态产生的静水压力，因而只有在极大的压力作用下，才能使角隙处的金属变形流动。这就是成形力急剧增加，曲线几乎成直线上升的主要原因。由于成形力过大，在成形齿轮齿形的下部形成了纵向毛刺。

　　比较两种不同模具结构形式下的力―行程曲线，可见：在第Ⅰ、Ⅱ阶段，随着带台肩的冲头向下运动，力的大小变化比较相近;而在第Ⅲ阶段，由于浮动凹模的积极摩擦作用，使得角隙处金属流动相对固定凹模较容易，因此，降低了成形力。

　　4.3等效应力分布

　　0～100步为冲挤阶段，100～158步为冲挤和镦挤复合阶段。本文选择第100步、第129步、第158步三个不同时刻进行分析。

　　7是该直齿轮齿形成形过程中的等效应力分布图。在外载荷作用下，冲头向下冲挤的过程是一个局部加载过程。随着冲头向下运动，金属变形主要集中在加载点附近的区域，而较远处变形则很微小，再远处基本上未发生塑性变形，这也是由于沿加载方向随受力面积逐渐扩大，等效应力逐渐减小的缘故。由于与模具的直接作用，大等效应力主要发生在冲头圆角的区域。同时，从b、c可以看出，等效应力在径向上近似均匀分布，由坯料内部向外应力逐渐减小，当坯料充填到凹模齿形中时，坯料与模具相接触处应力大。

　　4.4等效应变分布

　　8是该直齿轮齿形成形过程中的等效应变分7等效应力分布

　　布图。等效应变值大小反映金属的变形程度，因此，由图可看出整个变形过程中坯料的变形流动趋势和充填规律。在冲挤过程中，变形程度大值集中在冲头圆角附近，其他部分变形很小，甚至没有变形;在随后变形过程中，金属开始充填齿型腔;在充填后期，齿轮的渐开线与齿根圆的过渡圆角处应变值很大，说明这些区域的金属流动比较剧烈，变形量也较大。

　　4.5温度场分布

　　9是直齿轮齿形成形过程中的温度场分布图。在成形过程中，由于坯料内部所消耗的塑性变形功绝大部分转变为热能，引起坯料温升，这种温度升高与坯料内部的变形分布密切相关。由图可以看出，坯料的温度梯度主要集中在模具与坯料表面接触区域的附近，接触点的温度梯度大，离接触点越远温度梯度越小。同时，由b的温度变化可知，当金属开始充填齿型腔时，下端齿形的充填要比上端快，即下端齿形充填所受的力比较大，这个部位的温度也相对偏高。随着充填过程的进行，上端齿形渐渐充满，此时角隙处温度达到。

　　5结论

　　(1)本文利用Deform-3D对浮动凹模形式下直齿轮冲挤―镦挤成形过程进行了数值模拟，得到了成形力与行程的关系曲线，可将整个过程分为三个阶段：冲挤阶段、冲挤和镦挤复合阶段以及锻靠阶段。

　　(2)采用浮动凹模代替传统的固定凹模，利用浮动凹模的积极摩擦作用，不仅使得齿腔上下角隙处能够被充满，还可以极大地降低金属在成形终了阶段的变形力。

　　(3)在模拟结束后，本文分析了不同变形阶段变形体内的σ，ε，和T的变化规律。可见，直齿轮冲挤阶段是一个局部加载过程，随载荷逐渐增大，塑性变形将首先在直接受力区的上部发生，然后逐渐均匀地扩展。冲挤和镦挤复合阶段则是一个整体加载过程，在充填较困难的区域，应力、应变和温度也较高。