基于Solidworks的直齿圆柱内齿轮精密成形工艺研究

张宇涵　刘翠

摘  要：齿轮传动是当前机械领域最重要的传动方式之一。利用Solidworks软件对无齿凸模镦挤成形直齿圆柱内齿轮的加工工艺进行了仿真分析，并与传统的有齿凸模镦挤成形工艺进行了对比。仿真结果显示无齿凸模双向镦挤载荷值明显较小，与有齿凸模双向镦挤相比下降约57%，载荷值的减小有利于保护模具，提高模具的使用寿命，此外无齿模具加工制造相对较为简单实用。优化成形工艺实验结果表明，该工艺下可以得到理想的试件，该工艺为齿轮的优化加工提供了帮助。

关键词：直齿圆柱内齿轮;精密成形;双向镦挤;数值模拟

中图分类号：TG376         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）31-0100-03

Abstract： Gear transmission is one of the most important transmission methods in the mechanical field. Using SolidWorks software， the process of upsetting and extruding spur internal gear with no tooth punchesis simulated and analyzed， and compared with the traditional upsetting and extruding process with tooth punches. The simulation results show that the load value of the two-way upsetting extrusion of the toothless punch is significantly smaller， which is about 57% lower than that of the two-way upsetting and extrusion of the toothed punch. The reduction of the load value is conducive to protecting the die and improving the service life of the die. In addition， the machining and manufacturing of the toothless die is relatively simple and practical. The experimental results of the optimized forming process show that the ideal specimen can be obtained during this process， which provides help for the optimal processing of gears.

Keywords： spur internal gear; precision forming; two-way upsetting-extrusion; numerical simulation

引言

齒轮具备可靠的传动质量和效率，在机械领域应用广泛，尤其是在军工、航天等重要领域，对齿轮质量的要求尤为严格[1]。齿轮产品常见的加工方式是切削加工，该方法易于操作，但是由于加工方式的限制，齿轮强度也会有所影响[2-3]。精密锻造成形技术对于部件的整体力学性能破坏

小，尤其对于齿轮来说，锻造加工方法保证了轮齿部分的组织结构与力学性能，从而使得齿轮的轮齿强度、啮合平稳性等功能均高于切齿齿轮，除此之外成熟的精密锻造成形技术可以有效的节约材料[4]。针对直齿圆柱内齿轮精密成形问题，目前国内外的成形方法可以总结为闭式模锻、挤压成形、旋压成形、（两步法）劈挤成形四种[5-6]。本研究针对直齿圆柱内齿轮齿型腔的成形工艺进行了研究，仿真和实验证明了采用无齿凸模镦挤成形直齿圆柱内齿轮在载荷及模具结构方面优于有齿凸模镦挤成形。

1 直齿圆柱内齿轮精密成形新工艺的研究

传统的内齿轮闭式模锻如图1（a）所示，在凸模下压坯料使其成形过程中，坯料侧表面会受到凹模与芯模侧表面方向向上的摩擦力F？子。随着充填到凹模与芯模空间的材料越多，金属自由流动的范围越来越小，摩擦力F？子就越大，即成形力会急剧增大，同时由于摩擦力越来越大，凹模的角隅填充变得更加困难。传统的内齿轮闭式模锻，由于其工艺特点限制，模具及加工件都易造成破损等问题，应用效果不理想。

与传统成形工艺不同，双向镦挤精密成形工艺装置如图1（b）所示，由于双向力的作用，坯料侧表面所受凹模与芯模的摩擦力方向相反，该受力方式可以有效降低摩擦力。由于成形力的降低，模具更容易实现全饱满状态，加工件的质量也会得到有效保障。

综合上述分析可知，单、双向镦挤时成形力的大小、角隅填充饱满程度的不同主要是由于二者成形过程中侧表面所受摩擦力分布不同。根据这一现象及可判断直齿圆柱内齿轮的精密成形中，双向镦挤新工艺设计明显优于单向镦挤。

2 数值模拟试验及分析

2.1 数值模拟参数的设定

现以一模数m=2.5、齿数z=20、齿宽b=20、压力角α=20°、分度圆直径d=50，无轮毂-轮辐的实体直齿圆柱内齿轮为研究对象，对新工艺的金属填充情况、变形力等相关信息进行数值模拟研究。

数值模拟初始条件为：坯料材料AISI-1045，坯料温度1100℃，划分为300000个四面体网格，模具温度350℃，摩擦系数0.3，上、下凸模运动速度4.8mm/s。根据步长不超过最小单元边长的1/3原则设置模拟步长为0.05mm/step，并在完成体积补偿设置后进行数值模拟。

2.2 填充过程分析

采用传统和改进工艺进行实验研究，两种工艺下坯料变形过程中典型变形情况如图2、图3所示。由图可知在成形过程中两种工艺都表现出了较为理想的效果，齿型腔均可均填充，齿形良好。通过对比可以发现两种成形工艺在坯料端面齿形区域与凸模接触方式上存在较为明显的差别，有齿凸模镦挤过程中上述接触状态始终存在;无齿凸模镦挤时，上述接触只发生在成形完毕时（图3c）（图2c与图3c，即第90步时二者区别十分明显，圈内区域表示坯料与模具的接触区域，及受摩擦力的面积）。

2.3 载荷-行程曲线分析

两种工艺的载荷-行程曲线如图4所示，由图4可知两种工艺的载荷变化趋势较为相似，由载荷曲线可知齿形体的成形过程可以分自由变形、充满、角隅充填3个阶段。

自由变形阶段由于坯料的自由流动性，载荷表现为，载荷曲线平缓上升。充满阶段从坯料与齿型腔接触开始到齿型腔中间部分基本完成填充，该阶段由于接触力的作用，因此作用时间较长，载荷也逐渐增大。

角隅充填阶段坯料所能填充的空间很小，因此载荷急剧增大，从而保障腔体被完全有效填充，直至载荷到达最大，成形完成。对比图4（a）、（b）可知，成形直齿圆柱内齿轮过程中，无齿凸模镦挤较有齿凸模镦挤载荷值下降约57%，可减轻模具负荷，有利于提高模具寿命。

3 物理模拟实验

双向镦挤模具装配关系见图5，将铁料放入电阻炉中熔化后浇注到所设计模型（图5a）中，冷凝后取出浇注件再进行车削，最后得到的直齿圆柱内齿轮如图5（b）所示，得到的直齿圆柱内齿轮齿形充填饱满，轮廓清晰，表面光洁，无折叠等缺陷，试验结果与数值模拟结果基本吻合。

4 结论

本研究通过试验和数值模拟相结合的方法，对所提直齿圆柱内齿轮传统闭式模锻与所提双向镦挤精密成形新工艺进行对比分析研究，由仿真和实验结果可得双向镦挤成形直齿圆柱内齿轮的工艺优于其单向鐓挤成形，成形过程中齿型腔可顺利填充，所成齿形良好，成形载荷值下降约57%，可减轻模具负荷，提高模具寿命。

参考文献：

[1]赵韩，吴其林，黄康，等.国内齿轮研究现状及问题研究[J].机械工程学报，2013，49（19）：11-20.

[2]齿轮手册编委会.齿轮手册（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]许锋.圆柱直齿轮冷精锻关键技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.

[4]闫克龙.直齿圆柱齿轮的精锻工艺及模具设计[D].武汉：华中科技大学，2013.

[5]李洪波，吕玫，张玉华，等.直齿内齿轮精锻成形新工艺的三维数值模拟[J].燕山大学学报，2005，29（6）：480-484.

[6]韩豫直齿内齿轮冷精锻成形工艺分析及实验研究[D].合肥：合肥工业大学，2009：20-21.

[7]韩豫，刘全坤，陈忠家，等.非贯通内齿轮冷挤压成形工艺研究[J].锻压技术，2009，34（12）：27-31.