基于数值模拟分析结合齿温锻成形工艺及缺陷控制研究

2021-02-26黄斯韬代先东曹建国

模具工业 2021年1期

孙阳，黄斯韬，武欢，代先东，曹建国

（四川大学机械工程学院，四川成都 610065）

0 引言

结合齿用于汽车变速箱的传动和换挡，是变速箱内关键零件之一。国内结合齿一般采用传统机加工成形，因其效率低，切削后金属流线被破坏，导致结合齿强度降低及使用寿命短等问题。齿轮精密塑性成形方法消除了上述缺陷，使结合齿具有材料利用率高、制造力学性能好、制造成本低、使用寿命长等优点。温精锻结合冷、热精锻的优点，既有较低的材料变形抗力，又能保证零件表面质量和尺寸精度，但不同工艺方案对于温精锻影响较大，如齿形填充不满、折叠缺陷、成形载荷大、模具零件磨损快等。因此通过数值模拟技术可以快捷、低成本优化温精锻工艺方案。

结合齿结构较复杂，难以在保证成形质量和精度的前提下一步成形，需要经过预锻+终锻，成形直齿后挤压倒锥。现以某结合齿成形直齿为例，利用SolidWorks 建模技术，采用DeForm-3D 进行数值模拟，利用Archard 公式，分析研究结合齿预锻成形过程中不同连皮位置、不同成形方案对成形质量的影响。

1 结合齿成形工艺分析及优化

1.1 工艺分析

结合齿如图1 所示，齿轮模数为1.58 mm，齿数为54，材料为20MnCr。开式模锻是材料在不完全受限制的模膛内流动，首先材料流向模膛，当模膛阻力增加后，部分材料会沿水平方向流动形成飞边。随着飞边不断减薄与该处材料温度降低，导致形成飞边的流动阻力加大，迫使更多材料流入模膛。多余材料在模膛充满后，逐渐形成飞边流出。传统开式模锻成形方案有2 种：一种是金属沿径向流动填充齿形，即径向挤压；另一种是金属向下流动充填齿形，即正向挤压。这2 种方法预锻坯料不同，将导致模具所受载荷与磨损有较大区别。为了有利于锻造后冲孔，冲孔连皮一般设置在坯料中心或坯料下表面。由理论分析可知，成形方案和冲孔连皮位置必然会对齿轮成形质量产生重要影响。现研究不同成形方案与不同位置的冲孔连皮的成形效果，进行模拟试验对比，获得适用于该结合齿成形的最佳工艺方案。

图1 结合齿

1.2 确定工艺方案

2种冲孔连皮位置如图2所示，为保证最终结合齿尺寸精度，设置1.5°拔模角以便锻造后将成形零件取出。零件设置1～2 mm 加工余量，以便温锻后仅需要少量机加工。

图2 2种连皮位置的齿轮锻件

4 种成形方案如图3 所示，方案1 为径向挤压且冲孔连皮设在坯料下表面，方案2 为正向挤压且冲孔连皮设在坯料下表面，方案3 为径向挤压且冲孔连皮设在坯料中心，方案4 为正向挤压且冲孔连皮设在坯料中心。采用SolidWorks计算锻件三维模型体积，并对模具进行三维建模，导出后借助DeForm-3D 进行模拟分析，采用修正的Archard 模型进行模具零件磨损分析。

图3 4种成形方案

1.3 确定工艺参数

坯料为20MnCr，凸、凹模为H13 钢。温锻成形中坯料成形温度一般为650～900 ℃，坯料塑性变形难易程度与温度设置密切相关，根据参考文献坯料温度设置为850 ℃，凸模预热温度设置为150 ℃，凹模预热温度设置为300 ℃，摩擦因数设置为0.25，热传导系数取5 N/（s⋅mm⋅℃）。由于零件对称性，4 种方案取整个模型的1/9，即6 个齿为研究对象。对坯料和模具进行网格细化，并设置对称面和热交换面。凸模运行速度设置为100 mm/s。

2 有限元模拟结果及分析

模拟结果如图4所示，方案1和方案2最后齿形填充饱满且形状完整，但成形过程中坯料出现材料折叠缺陷。方案1 凸模接触坯料后对其进行挤压，底部和侧壁材料受力向齿形与空隙部位流动，随着凸模继续下行，底部材料受力将会斜向上流动，侧壁材料向径向流动，在中心孔侧壁相遇并形成折叠缺陷。方案2 不仅在中心孔侧壁形成折叠缺陷，还在齿形顶部所在的横端面形成折叠缺陷。将方案1和方案2 底部材料减薄、增加侧壁材料依然出现折叠缺陷，甚至出现齿形填充不饱满，说明冲孔连皮留在坯料下表面不合理。方案3 和方案4 成形后齿轮形状完整、饱满，材料未发生折叠缺陷，说明方案3 和方案4 可以得到满足要求的结合齿。因此选取方案3 和方案4 进行成形载荷、应力应变分布及模具零件磨损分析。

图4 模拟结果

2.1 成形载荷分析

图5 所示为方案3 和方案4 的凸模运动行程-载荷曲线，方案3当凸模下行接触坯料后，材料向下流动，成形阻力相对较小且变化缓慢，随后材料将沿着径向方向流动填充齿形，载荷不断增加，当齿形填充饱满后，材料流向齿形上面的空隙区域，材料流动阻力明显增加，导致载荷变化速率提高，直到材料填充饱满，多余材料形成飞边。方案4 运动方式与方案3 相近，但方案4 坯料外形尺寸与凹模更接近，其行程路径少，材料后期成形阻力小于方案3，能更快速成形。方案4的成形载荷开始低于方案3，平均成形载荷减少了28.5%，方案3和方案4凸模最大载荷分别为10.3×103kN 和9.6×103kN，表明方案4成形合理，能减少成形载荷。

图5 2种方案的行程-载荷曲线

2.2 应力应变分析

图6 所示为结合齿温锻结束时等效应力分布，方案3的等效应力最大值为345 MPa，集中在齿坯顶部凹槽和连皮，齿部与齿根附近等效应力均匀分布，约255 MPa，底部等效应力最小。这是由于径向成形过程中，凸模向下运动同时接触坯料顶部及连皮，导致坯料顶部及连皮先受到力的作用并在达到屈服条件后产生变形，少部分坯料向下流动，大部分坯料径向流动到齿形，所有成形力均由坯料顶部及连皮传递。方案4的等效应力最大值为333 MPa，集中在齿坯顶部凹槽，齿部与齿根附近等效应力均匀分布约230 MPa，底部等效应力最小。这是由于正向成形过程中，坯料在凸模挤压开始后向下流动到齿形和底部，待其填充饱满后材料在推动力作用下继续流动到其他部位。方案4的等效应力分布更均匀，且低于方案3，对结合齿的成形及模具使用寿命的延长有较好的作用。

图6 等效应力分布

研究等效应变在成形过程中的分布规律，分别在连皮、齿根中间、齿顶选取3 个点，其取平均值后的应变曲线如图7 所示。2 种方案主要成形部分集中在齿根中间和齿顶处，等效应变较大，连皮位置材料流动顺畅，其等效应变较小。方案3 在成形初期被挤压的材料径向流动到齿形型腔部分，其等效应变增加缓慢。随着凸模继续挤压，坯料开始接触锁止角型腔后，其等效应变快速增加。齿顶处等效应变在运行0.13 s 突然增大，这是由于齿形已经完全填充饱满，材料无法流动到齿形。方案4 齿根与齿顶中间平均应变趋势相近，这是因为材料受力从齿形上端面挤压形成齿形，齿形部分几乎同时充满，未出现等效应变突然增加的情况。经对比，方案4可有效降低等效应变。

图7 等效应变分布

2.3 模具零件磨损量分析

为了使模具零件磨损模拟更加准确，引入了Archard 磨损模型。为保证模具零件磨损参数与实际情况相似，设置模具零件初始硬度为55 HRC，磨损系数K为2×10-6，模拟结果如图8 所示。方案3 凹模最大磨损量为3.34×10-6mm，位于凹模接触连皮处，齿形位置最大磨损量为1.72×10-6mm。方案4 凹模最大磨损量为2.60×10-6mm，也是位于凹模接触连皮处，齿形位置最大磨损量为1.55×10-6mm。方案4比方案3 凹模最大磨损量少0.74×10-6mm，齿形位置最大磨损量少0.17×10-6mm，选取方案4 可延长模具使用寿命，降低模具开发成本。