基于浮动凹模和分流原理的圆柱直齿轮冷精锻成形过程有限元模拟

冷锻精密近净成形技术是优质、高效、轻量化、低成本的先进制造技术，广泛应用于汽车、航空航天、工程机械、石化和装备制造等支柱产业，尤其在汽车零部件制造中应用更为突出[1-3]。他可使成形件达到或接近最终零件产品的形状和尺寸，实现质量与性能的控制，缩短制造周期，降低生产成本，但该项技术一直被少数先进国家所垄断，我国汽车部分高端零部件主要依赖进口，掌握近净成形工艺和高精模具制造核心技术，对提升我国装备制造水平和自主创新能力，实现汽车关键零部件的国产化、轻量化具有重要意义[4]。

日本、德国等在精密锻造方面一直保持着领先优势，如日本的冷锻汽车电机爪极的冷锻尺寸公差±0.02 mm，质量偏差±3 g，生产率2 000件/h，每副模具的平均寿命12～13万件。对于直齿圆柱齿轮的精密成形，国内外许多学者进行了富有成效的研究工作[5-8]。Ohga等[5]提出了分流锻造技术的应用；Tuncer等[6]提出了浮动凹模精锻空心件思想，设计了各种模具。特别是现代塑性加工技术对于模具设计及塑性流动控制提出了更高的要求，必须改变传统的基于经验和知识，以试错为基本方法的工艺技术，引入数值模拟技术，提升塑性成形加工的科学化水平[2-12]。如吉林大学寇淑清等[2]首次将弹塑性大变形有限元数值模拟分析应用于直齿轮冷精密成形过程中，利用三维成形模拟软件对冷精锻进行了研究，结果表明，采用冷锻加工齿轮不仅能够保证齿轮精度，同时可以有效提高齿轮的强度与使用寿命。

由于直齿圆柱齿轮精锻成形的技术难度较大，过高的成形载荷导致的模具弹性变形大，寿命低，顶出困难以及齿形充填不满等，使得直齿轮精锻成形一直处于研究阶段而无法实用化。国内外目前提出的直齿圆柱齿轮精锻成形工艺方案中，有的工序繁多，有的分流成形后载荷降低幅度不够理想[13]。

针对大模数圆柱直齿轮，笔者利用分流原理结合浮动凹模工艺，设计了直齿轮预锻及终锻两步工艺方案及模具工装；进一步建立了圆柱直齿轮的冷精锻成形的有限元模型，对工艺过程进行数值模拟，根据数值模拟和分析结果进行冷精锻成形圆柱齿轮。

县委、政府和有关部门正在推动果农以各种模式加快水果产业化发展的进程，如成立水果协会、专业合作社、采用“公司+农户+基地”的产业化运作模式，为促进江城县水果产业的持续发展和市场开拓创造了有利条件。

1　基于分流原理的工艺及模具设计

(3)锻造过程中材料受力非常大，材料的体积会缩小，但是认为材料的体积从加工到最后成形是不发生变化的；

因行星轮系具有运行噪音小的特点，能够给乘坐者提供舒适感与安全感，其较长的使用寿命也为电梯的长时间运行提供保证，此外，行星齿轮曳引机的效率远高于同样提升力的蜗轮副式曳引机，且体积仅是它的一半[2]，因此，在曳引机设计中，行星齿轮减速器较其它形式的齿轮传动系统更具优势。某型号电梯的曳引机减速器使用2级行星轮系 [3]，该项目选取串联的2个2K-H型行星轮系进行设计。

老区革命纪念馆的发展一定要在发挥红色资源的同时依据当地具体情况，定位清晰，统一思想。革命纪念馆只有负重拼搏,与时俱进,红色旅游才将成为革命纪念馆更快发展的强劲推动力。

图1　齿轮结构图 Fig.1　Gear structure

为了将工艺大规模地应用于企业生产，保证当模具发生破损或不能够满足加工等级要求时，便于更换相关模具且用费较低。笔者采用浮动凹模工艺及孔分流原理，设计了2步预锻和终锻锻造工艺方案。分流锻造即在锻件的非重要部位设置分流口，保证材料填充型腔时始终有自由流动余地，同时能够避免模具在加工时受力陡增。圆柱直齿轮冷精锻中要求齿形不再或进行少量机械加工，齿轮冷锻加工的溢流口不能够设置在齿形轮廓上，采用圆环形坯料，实现孔分流。浮动凹模工艺的特点是利用材料与凹模间的所谓“有效摩擦”，改善工件的充填效果，使下端材料在摩擦力作用下向下运动，使工件两端的充填更容易。

设计的预锻及终锻2步成形模具的装配图如图2～图3所示。模具运动过程为：上模座向下移动带动上凸模一起向下移动。通过模具自身的导向作用，上凸模带动浮动凹模一起向下运动对毛坯进行预锻成形。当达到加工所需的要求后，凸模停止向下运动，然后开始向上运动。当凸模运动到一定高度后停止运动，利用顶出装置推动顶杆顶出锻件。将预锻锻件放入终锻模内，由上凸模下移进行终锻，再由顶杆通过下齿形凸模顶出锻件。通过浮动凹模工艺及孔分流作用，可以有效地降低锻造所需压力及降低对锻压机的锻造力要求，也能够在一定程度上改善齿轮端面齿腔的填充质量。采用2层式组合凹模，通过使外层与内层过盈装配并对内层产生预加压力的结构形式，提高模具强度。

图2　预锻浮动凹模模具图 Fig.2　Pre forging floating die

图3　浮动凹模终锻模具图 Fig.3　Final forging floating die

2　分流锻造成形过程有限元数值模拟

为提高成形质量和降低成形载荷，以DEFORM-3D软件为数值模拟工具，利用分流孔分流及浮动凹模法对圆柱直齿轮冷锻成形的过程进行仿真分析。

2.1　基本假设

圆柱直齿轮冷锻成形过程中，工件与磨具间的摩擦力对材料的流动模式、模具受力状态和成形载荷等有非常大的影响。摩擦力由许多因素决定，在DEFORM软件中，通常采用简化的摩擦力模型：库伦摩擦模型和剪切摩擦模型。由于是常温下进行的冷锻成形，所以，摩擦系数取0.25，摩擦力类型选择剪切摩擦[4，14]。

不同增量步下的应变分布云图如图8所示。从图8中可以看出，在变形的初始阶段，毛坯变形类似于镦粗；随着变形的继续，材料进入齿形型腔，毛坯变形进入填充齿形阶段，随着载荷的增加和变形的继续，最后齿形填充饱满。

2016年1月～2018年8月，本院骨科共收治年龄≥60岁患者1 381例，其中1 336例符合上述标准，纳入本研究。男520例，女774例，年龄60～98岁，平均（68.86±7.58）岁。

目前，国内外圆柱直齿轮塑性成形技术的研究主要集中在模数较小的齿轮，对于大模数(m≥3)直齿圆柱齿轮等一些对结构有特殊性要求的齿轮研究较少，基本上还采用传统的机加工方法[4]。笔者以某重卡汽车模数较大的直齿圆柱齿轮(齿数为18，模数为4.1，压力角为22.5°，变位系数为0.361 68)为研究对象，如图1所示。齿轮材料为20CrMnTi。毛坯进行退火处理后，变形抗力小，塑性好，适于冷锻。采用冷锻技术加工齿轮，对圆柱直齿轮加工工艺进行重新设计，不仅可以大大的降低加工所需时间，同时还能够提高材料的利用率。

基于河道整治的实际要求，项目部需要做好入场前培训教育工作。通过对入场员工进行专业培训，促使相关人员及时掌握了解河道整治工程的特点、以及工程主要的危险区域、河道整治工程技术要点等。用时，还需要借助安全培训教育工作的开展，强化施工人员的安全意识，合理规范施工人员的操作行为，这在一定程度上极大的提升了施工人员的专业技术水平。此外，当安全培训教育结束后，项目部需要对入场员工进行专业技能测试，以考试的方式检查入场员工对于相关知识的战功与了解。只有顺利通过考试的人员，方可进入施工现场，从事河道综合整治工作。

(4)忽略材料的体积力和惯性力，材料的塑性变形流动服从Levy-Mises流动法则。

2.2　有限元模型的建立

通过Solidwork软件建立三维模型，并将各个模具按工作时的位置进行装配，然后将装配体文件导入DEFORM-3D软件中，如图4所示。

图4　DEFORM仿真模型 Fig.4　Simulation model DEFORM

2.3　有限元边界条件处理

2.3.1　网格划分

对毛坯坯料进行四面体单元划分。由于毛坯的变形比较复杂，所以用四面体单元进行网格划分锻件更适合，有利于网格的自适应变化。

(2)实际使用中材料是不均质的，且不同方向变形抗力不一样，但是在进行分析时认为材料均质且各向同性；

根据DEFORM计算结果可以得到不同时刻的坯料变形及应力情况，不同增量步下材料的等效应力分布云图如图7所示。从图7中可以看出，等效应力随着成形过程不断变化，在变形的初始阶段，毛坯材料与凹模之间有一个间隙，在凸模施加压力时，材料会出现“腰鼓”现象，相当于镦粗阶段。随着凸模继续向下运动，材料变形继续，材料流动进入齿形凹腔，逐渐形成轮齿。从图7(c)可以看出，毛坯开始形成齿形。从图7(d)可以看出，已完成了齿轮的轮齿填充，形成了完整的齿形，应力分布基本均匀。成形过程中，模具承受的最大载荷约为1 500 MPa。

在锻造加工圆柱直齿轮时，金属发生塑性变形，材料的塑性变形过程非常复杂，做出如下假设[4]：

3　计算结果分析

3.1　成形载荷和成形效果

对整个成形过程进行仿真，根据多次不同步长的设置仿真结果，最后选择仿真步长为40步，每1步保存1次。从结果可以看出，采用分流方式冷锻出来的齿轮形状如图5所示。锻造过程中的载荷变化如图6所示。

图5　锻压成形的齿轮 Fig.5　Forged gear

图6　材料成形载荷曲线 Fig.6　Material forming load curve

由图6可以看出，成形载荷随着成形过程不断增加并有明显的变化。刚开始阶段，向下运动的凸模与毛坯材料刚刚接触，这个阶段持续时间很短，成形力也较小，毛坯材料与凹模接触面积也小，金属变形相当于镦粗。随后，成形力缓慢增大，这个阶段持续时间较长。随着坯料的继续变形，毛坯材料向凹模型腔填充越来越多，初步完成了填充凹模齿形型腔。最后阶段，毛坯随着凸模的向下运动，变形力急剧增加，载荷以直线形式增加，持续时间较短，齿腔已基本充满。齿形下端处于继续填充直到充满。由于移动少量金属也要克服很大的静压力，模具承受的载荷会出现陡增现象[14]。

3.2　材料变形过程的应力场分布

2.3.2　摩擦条件

图7　不同增量步下的等效应力分布云图 Fig.7　Equivalent stress distribution nephogram under different increment steps

3.3　材料变形过程的应变场分布

(1)采用刚塑性模型，不考虑材料的弹性变形，认为锻造时材料仅仅发生塑性变形；

根据计算结果分析模拟中金属的成形规律可以看出：

西班牙科尔多瓦农业可持续发展研究所的研究人员针对蓬勃发展的无麸小麦市场需求推出了低筋小麦品种；宾夕法尼亚州立大学开发出不会变褐色的蘑菇；冷泉港实验室则开发出适合生长季较短的西红柿品种。与此同时，全美国的大学都在轰轰烈烈地开展能够抵御干旱、疾病和气候变化的农作物研究。

(1)随成形过程进行，中间部位先成形，随后是两端，角隅处最后成形；在这个过程中，变形力不断增加，特别是后期轮齿成形时，变形力急剧上升。

(2)整个成形过程中，分流孔明显起到分流作用；而浮动凹模对齿形充填完整起到了良好作用。

1994年，中国将个人所得税、个人收入调节税、城乡个体工商业户所得税合并，建立统一的个人所得税制，税率按收入类别分别实行超额累进制和比例税率。“1995年就有人提出实行综合征收的建议，却一直没有推进。”刘克崮回忆到。

图8　不同增量步下的应变分布云图 Fig.8　Strain distribution nephogram under different increment steps　

4　结论

针对某重卡汽车用大模数圆柱直齿轮，基于分流原理结合浮动凹模结构，设计了预锻及终锻2步成形工艺方案及模具；以DEFORM-3D软件为数值模拟工具，建立了圆柱直齿轮的冷精锻成形的有限元模型，对成形工艺过程进行了有限元模拟。从齿轮成形效果来看，采用分流孔分流和浮动凹模结构，可以较好地成形出直齿圆柱齿轮的齿形。而且在成形过程中位移分布较均衡，有利于提高模具的使用寿命。但在终锻阶段，由于在最后成形期只在齿腔角隅处留有很小的自由面，将会导致终锻期成形力急剧上升。

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