【经典回顾】直齿轮冷精锻的计算机模拟

齿轮是典型的大批量生产的传动零件，被广泛应用于航空、航天、汽车、仪表等重要行业领域。目前传统的生产齿轮的切削加工方法，材料利用率低，生产率低，产品成本高，同时在加工时齿形部分的纤维被切断，使齿轮强度不高，影响其承载能力。

20世纪80年代末，国内外提出了用塑性成形的方法代替传统的切削加工来成形齿轮。齿轮冷精锻就是其中比较典型的一种。直齿轮冷锻成形工艺不仅具有节材、节能，成本低、效率高等显著优势，而且冷精锻齿轮因金属流线沿齿廓分布且组织致密，使得齿轮的强度、齿面的耐磨能力、热处理性能和啮合噪声都比切削加工的齿轮优越。

成形方案设计

针对齿轮冷精锻过程中变形抗力大及齿形型腔难以成形的特点，本文提出的三种工艺成形方案，具体如下:⑴方案一：只用浮动凹模工艺，如图1a所示。⑵方案二：采用浮动凹模和轴向分流工艺，如图1b所示。⑶方案三：采用浮动凹模和上下齿端分流腔分流工艺，如图1c所示，上、下凸模分别开有齿端分流型腔，将坯料放入齿形凹模，上凸模向下镦挤坯料，浮动凹模与上凸模一起以相同的速度向下运动，坯料充满型腔，部分坯料进入齿端分流型腔，镦挤完后，上凸模回程，可以由下凸模将锻件从浮动凹模中顶出。

 
(a)方案一                    (b)方案二                   (c)方案三

图1 三种方案示意图

1–上凸模  2–浮动凹模   3–坯料  4–下凸模  5–分流孔  6–分流腔

建立有限元分析模型

本文模拟的齿轮具体几何参数为：齿数20，法向模数2.5，法向压力角20°，厚度为13.5mm。现利用UG三维造型软件分别建造三种模拟方案的上、下凸模、浮动凹模和坯料的三维模型。坯料为圆柱体，利用体积相似法计算毛坯的尺寸，根据冷锻前后体积不变条件及考虑冷锻后必要的切削余量而给予修正的原则，现设计坯料为φ43mm×20mm。如图1所示模型中，方案二开有一直径为10mm的孔，方案三上凸模齿端分流腔宽3mm、深5mm，下凸模齿端分流腔宽2.5mm、深5mm。

为了快速运算,节省运算时间，利用直齿圆柱齿轮的对称性，本文只模拟一个齿的成形过程。模型建立完后，运用DEFORM-3D软件进行数值模拟。在室温下成形，坯料选用美国标准AISI-1035，在分析过程中模具设为刚性，坯料视为刚粘塑性，模具与坯料之间为剪切摩擦, 摩擦系数为0.12,上凸模和凹模速度为1mm/s。

工艺方案数值模拟

成形过程分析

为了便于观察坯料在型腔内的变形过程, 取坯料成形过程的俯视图（如图2～4上半部分）和正视图（如图2～4下半部分）。在图2～4中，对应的三种成形方案过程中的坯料填充情况。

⑴方案一。其成形过程如图2所示。开始，坯料在上凸模的作用下自由镦粗变形，压下量为0. 9mm时坯料与齿根圆完全接触，此后进一步镦粗，坯料在模具齿顶的分流作用下逐渐流向齿顶，此时成形力也逐渐增大。当达到4.73mm时坯料开始与齿顶圆接触，此后成形力急剧上升。在4.83mm时型腔下端齿顶部分充满，但上端齿顶部分尚未充满，到4.88mm时型腔基本充满。

0.90mm                  4.73mm                   4.88mm

图2   方案一坯料成形过程

⑵方案二。其成形过程如图3所示。开始，坯料在上凸模的作用下自由镦粗变形，部分坯料进入中间分流孔中，在1.0mm时坯料与齿根圆接触，此后进一步镦粗，坯料在模具分流孔和齿顶的分流作用下分别逐渐流向轴分流孔和齿顶，此时成形力也逐渐增大。当达到4.95mm时坯料开始与齿顶圆接触，此后成形力急剧上升。在5.12mm时型腔下端齿顶部分充满，但上端齿顶部分尚未充满，到5.22mm时轴向分流孔已被充填很高，但上端齿顶部分仍未充满。

1.00mm                 4.95mm                  5.22mm

    图3  方案二坯料成形过程

⑶方案三。其成形过程如图4所示。在0～3.49mm内成形过程与方案一基本相同，在3.49mm后坯料下端部开始进入齿端下分流腔中，此后进一步镦粗，坯料在上下分流腔的分流作用下进入分流腔中，此阶段成形力也逐渐增大。当达到4.75mm时坯料开始与齿顶圆接触，此后成形力开始急剧上升。在4.96mm时型腔下端齿顶部分充满，但上端齿顶部分尚有小圆角未充满，在5.02mm时，坯料充满齿轮型腔，多余材料流向上下齿端分流腔中。

3.49mm                     4.75mm                        5.02mm

图4 方案三坯料成形过程

——节选自《锻造与冲压》杂志2010年02期