新型齿轮冶炼定型数字摹拟和技艺探讨

来源：塑胶五金网发布时间：2014-11-19 15:50:22点击率：

　　1档位齿轮是摩托车传动系统的重要零件，如所示。该零件的外表面是渐开线齿，内孔是花键齿，两端分别有四个异形齿爪。材料为20CrMoT，i表面渗碳淬火处理，成形工艺关键是两端齿爪的精密体积成形，为此进行了计算机数值模拟分析，应用目前的体积成形分析软件DEFORM3D优化了成形工艺。

　　2三维几何造型及技术处理

　　通过对零件结构的技术工艺分析，采用闭式温精锻成形工艺，锻件精化毛坯如所示，两端的8个异形齿爪通过温精锻直接成形，不再进行任何机械切削加工。而内孔的花键齿和外圆的渐开线齿形通过后续的机械加工得到。在体积成形过程中，采用刚塑性有限元数值模拟技术，因为坯料的弹性变形远远小于其塑性变形。

　　2.1模具与坯料几何模型

　　在体积成形中，模具与坯料的表面一般都是由曲面构成。而DEFORM3D软件不具备三维造型功能，为此选用了专门的CAD几何造型软件Pro/E来完成模具与坯料的几何模型。造型时坯料、模具应在同一轴线上，并转换成STEL文件，通过DEFORM的相关接口读入，进行变形过程分析。三维几何模型如所示。坯料尺寸为34.5mm36.2mm.

　　2.2模具曲面描述

　　模具刚度远大于坯料，在数值模拟中视模具为刚性体，因此，对模具的描述主要是对模具表面信息的处理。目前常用的解析格式、点云格式、参数曲面格式及网格格式4种。模具曲面描述方法中，解析格式存在很大局限性;点云格式依赖于大量的空间数据点，不仅数据采集困难，而且存储量大，运算效率低;参数曲面格式可靠性好，效率高，但尚缺少统一的数据标准，影响接触求解算法的兼容性;网格格式与有限元网格类似，模具曲面通过三角形或四边形来逼近，因此可毫无限制地描述任意复杂曲面，包括垂直曲面和大曲率曲面，网格方法应用为广泛。本文采用网格格式描述档位齿轮精密成形模具的型腔。

　　2.3接触搜索与接触约束

　　接触点的搜索对于体积成形这类动态接触问题十分重要。采用简单、实用、可靠的主扑算法，定义模具为主表面，变形体为从表面。在接触搜索过程中，从表面上的从节点不允许穿透主表面，而主表面上的主节点允许穿透从表面，这样接触搜索仅需要在从节点与主表面之间进行。

　　接触间隙带设定为0.0001mm，在坯料节点落在这个间隙带内时，则认为坯料与模具发生实体接触，需作接触约束处理。

　　成形过程中，随着坯料的不断变形，某些处于自由状态的边界节点可能会与模具接触而受到约束，这种约束体现为接触的模具与坯料需满足无穿透约束条件，即接触点必须沿模具表面切向滑动并受到界面摩擦，而不能贯入模具内。另一方面，随着变形的进行，原来与模具表面相接触的节点，可能会脱离模具表面而成为自由节点，对于这些脱模的节点要解除界面约束，即解除滑动约束与界面摩擦。

　　采用基于迭代求解的直接约束处理方法追踪运动轨迹，一旦发生接触，便将接触所需的运动约束(及法向压力与切向摩擦力)作为边界条件直接施加在接触节点上。

　　2.4摩擦模型

　　常摩擦约束处理是将单元接触表面所产生的摩擦功作为对能量泛函的一种修正，以摩擦泛函的形式体现界面摩擦效应，在体积成形数值模拟中较多采用。

　　常摩擦模型为：

　　fz=mk式中：fz摩擦力m摩擦因子，m=0.3k屈服应力2.5参数选择成形温度：820!;成形速度：16mm/s;上模大位移：100mm;成形材料：20CrMoTi.

　　3数值模拟及结果分析

　　采用四面体单元对坯料进行有限元网格划分，零件几何尺寸不大，但变形量大，为了保证模拟计算的精度，延迟网格畸变，单元划分细密。由于成形零件的不对称性，取整体模型进行模拟分析。

　　零件成形终了时的等效应力如所示，等效应力的大值在零件的飞边处，飞边越高，应力越大，因而阻止了材料的流动，促使金属充满模具型腔，等效应力在零件的齿爪根部圆角处也很大，而且圆角越小，应力越大。同时过小的圆角半径，该处还要产生折叠缺陷。

　　成形过程的负载曲线大概分为四个阶段：阶段，从上模接触坯料开始，到完全接触坯料为止，变形力从0迅速上升到250kN左右;第二阶段，从上模完全接触坯料开始，到圆柱体部分的镦粗成形基本结束为止，变形抗力在较大的行程内基本保持不变，从250kN增加到450kN左右;第三阶段，齿爪的基本成形和圆柱体的终成形，行程不大，变形抗力增加很快，从450kN增加到850kN左右;第四阶段，成形终了阶段，行程小，变形抗力急剧增加，从850kN迅速增加到2200kN左右，比理论计算值2500kN略低。

　　4工艺实验研究

　　根据模拟分析结果，坯料的下料尺寸为34.5mm36.2mm，大变形抗力为2200kN，在给定的工艺参数条件下，零件成形没有缺陷产生。为此，制作了一副简易成形模具，在3150kN液压机上进行工艺实验，其结果与数值模拟相吻合，制出了成形零件。

　　5结语

　　利用DEFORM3D有限元分析软件，模拟金属的流动规律和力能关系，能够有效帮助设计人员优化工艺参数和模具设计，减少模具的前期开发费用，减少了设计人员的工作量，从而有利于缩短模具的设计开发周期。本课题在模拟分析基础上，进行了模具设计与加工制造，采用组合凸、凹模结构和电火花复位修复加工，提高了模具的实际使用寿命，取得了良好的经济效益和社会效益。

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