圆柱直齿轮冷精锻成形工艺数值分析及优化.pdf

模具制造 2023年第9期圆柱直齿轮冷精锻成形工艺数值分析及优化季云浩（合肥华凌股份有限公司，安徽合肥230601）【摘要】基于现有圆柱直齿轮冷精锻工艺，增加“飞边孔”工艺方案B和“分流槽”工艺方案C，结合实际将“飞边孔”及“分流槽”开设的尺寸较小，但仍能使最大成形载荷下降超100kN，验证了两种工艺方案对降低成形载荷有显著效果；利用Deform-3D软件对3种工艺方案进行分析，得到了工艺方案B、C较工艺方案A的应力值更小且分布均匀，说明工艺方案B、C齿轮成形质量优于工艺方案A；对摩擦系数0.1、0.2、0.3和上模下行速度1mm/s、5mm/s、10mm/s进行成形载荷分析，成形载荷最大为2,070kN，最小为1,489kN，下降28%，得到了上述工艺参数范围内成形载荷的分布规律及范围，为实际工艺参数选择提供了理论依据。关键词：圆柱直齿轮；冷精锻；工艺优化；参数优化中图分类号：TG316文献标识码：BDOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.09.014Numerical Analysis and Optimization of Cold Precision ForgingProcess for Cylindrical Spur GearsJi Yunhao（Hefei Hualing Co.,Ltd.,Hefei,Anhui 230601，CHN）【Abstract】Based on the existing cold precision forging process of cylindrical spur gears,thisarticle adds flash hole process plan B and diversion groove process plan C.combine withpractice,the flash hole and diversion groove are set with smaller sizes,but can still reduce themaximum forming load by more than 100kN.This verifies that the two process plans havesignificant effects on reducing the forming load.Using Deform-3D software to analyze threeprocess plans,it was found that the stress values of process plans B and C were smaller and evenlydistributed compared to process plan A.This verified that the gear forming quality of process plansB and C was better than that of process plan A.The forming load analysis was conducted on thefriction coefficients of 0.1,0.2,0.3,and the upper and lower die speeds of 1mm/s,5mm/s,and10mm/s.The maximum forming load was 2,070kN,and the minimum was 1,489kN,a decrease of28%.The distribution pattern and range of forming load within the above process parameter rangewereobtained,providingatheoreticalbasisfortheselectionofactualprocessparameters.Key words:cylindrical spur gear;cold precision forging;process optimization;parameteroptimization锻 模 技 术1引言圆柱直齿轮作为常见的力传动及运动部件，广泛应用于航天航空、军工、飞机、智能家电等行业。冷精锻圆柱直齿轮具有材料利用率高、生产效率高、成本低、工艺简单、机械性能高、表面质量良好等优势；但由于齿轮自身结构复杂，且齿顶角隅处填充困难，成形载荷大导致模具寿命低等问题，一直限制圆柱直齿轮的发展，也是其实际生产及技术研究中待突破的难点和重点13。锻 模 技 术46模具制造 2023年第9期本文利用Deform-3D软件，对圆柱直齿轮冷精锻成形工艺进行数值分析，以成形载荷、锻件质量为目标函数，选出最优冷精锻圆柱齿轮的成形工艺及工艺参数，以期对实际圆柱直齿轮的生产提供理论支持和指导。2圆柱齿轮成形工艺的建立本文研究的是常见圆柱直齿轮，基本参数为模数2.0，牙数30，齿宽20mm，压力角20，针对该类零件目前许多企业仍采用传统的生产工艺：下料加热镦粗模锻制坯机加工热处理，热锻成形零件表面质量差，需机加工确保精度，齿轮齿形由切削加工完成，材料利用率低；冷精锻齿轮以其零件质量高、材料利用率高、成本低、金属流线保持完整、仅少量切削加工、工序简单等优势，逐步成为齿轮制造的主流，但冷精锻齿轮生产时需较大成形力导致模具寿命降低，且结构复杂位置易填充不饱满45，本文针对上述两个痛点，设计了3种圆柱直齿轮成形工艺，分析比较3种成形工艺的不同，选出最优成形工艺方案6。（1）方案A。常温下普通的闭式锻造工艺，无飞边设计，如图1a所示。（2）方案B。在上模中心轴向上开设直径为6mm的飞边槽，主要目的是降低成形载荷，如图1b所示。（3）方案C。在圆柱直齿轮齿顶处开设分流槽，此方案能确保齿顶角隅处填充饱满，如图1c所示。（a）（b）（c）图1圆柱直齿轮成形工艺方案a工艺方案Ab工艺方案Bc工艺方案C3有限元数值分析3.13种工艺有限元模型建立本文利用Deform-3D软件对上述3种工艺进行数值分析，由于圆柱直齿轮是旋转对称模型，故采用四分之一模型进行数值模拟以提高计算效率，坯料尺寸、摩擦系数、成形速率、网格数量、坯料模具温度、齿轮材料等基本参数如表1所示，有限元模型如图2所示。表1圆柱直齿轮有限元分析基本参数图2圆柱直齿轮有限元模型3.23种工艺有限元结果分析根 据 上 述 3 种 工 艺 方 案，利 用 有 限 元 软 件Deform-3D进行数值分析，结果如图3、图4所示，由图3知A、B、C 3种工艺方案的成形载荷大小为ABC，工艺方案A最大成形载荷为1,500kN，工艺方案B最大成形载荷为1,393kN，工艺方案C最大成形载荷为1,397kN，B、C两种工艺方案最大成形载荷基本相等，本次工艺方案B与C的参数设置考虑到实际情况，工艺方案B的飞边孔直径仅为6mm，工艺方案C的分流槽深度仅为0.5mm，但相较于工艺方案A最大成形载荷仍都下降超过100kN，说明工艺方案B、C对于降低成形载荷都有显著效果。工艺参数数值坯料尺寸mm5038.5模具及坯料温度20成形速率1m/s网格数量100000齿轮材料Steel-AISI-4120摩擦系数0.1上模胚料下模上模中心开设直径6mm的飞边孔标准齿顶齿顶增加分流槽上模下模胚料（a）（b）（c）2000150010005000150010005000150010005000工艺方案B-Z轴成形载荷/kN工艺方案C-Z轴成形载荷/kN工艺方案A-Z轴成形载荷/kN0.00.81.62.43.24.04.85.66.47.27.98.79.50.00.71.42.12.83.54.24.95.66.37.07.68.39.09.70.00.71.42.12.83.54.24.95.66.37.07.68.39.09.7图3工艺方案A、B、C的成形载荷锻 模 技 术47模具制造 2023年第9期工艺方案B、C在成形后都要对齿轮中心和齿牙进行机加工，这需结合齿轮自身结构和原本的工艺进行选择，综合考虑后本文选用工艺方案C。3.33种工艺的成形过程分析图5所示为圆柱直齿轮成形过程中的应力应变场，金属锻造过程中应力应变数值最能反映锻件成形质量78。由图5可知，行程的前50%主要是镦粗过程，金属锻件几乎没有应力应变发生，到达50%时，开始进入到齿轮齿的成形，应力应变开始增加，材料开始涌入齿轮齿处，随着金属变形的加剧，齿轮齿处逐步成形完成，应力应变达到最大，应力基本只存在于齿轮齿处，应变最大值基本存在于齿顶处，说明齿顶处变形最为剧烈且困难，成形质量最难保证，这个和实际成形情况一致，说明该数值分析能反应真实情况。工艺方案A的最大应力约为5.5，工艺方案B、C最大应力值约为3，说明工艺方案B、C能有效的降低最大应力，防止应力集中，提高齿轮寿命；同时无论是哪种工艺方案，应力都主要集中在齿轮齿处且数值差别并不大，分布较为均匀，说明齿轮成形后残余应力较小，锻件质量良好。4工艺参数优化4.1工艺参数选择本文讨论的是圆柱直齿轮冷精锻成形工艺，故温度设置为常温，下面以摩擦系数和上模下行速度作为主要工艺参数进行有限元分析。上模下行速度：上模下行速度反映的是上模单位时间内的下行量，过大的下行速度会使锻件短时间内变形剧烈，造成成形载荷激增，影响模具寿命，同时容易导致锻件开裂，影响锻件质量；过小的上模下行速度会影响生产效率，结合实际生产情况，本文选用上模下行速度（1mm/s、5mm/s、10mm/s）。图4工艺方案A、B、C的成形材料流动（a）（b）（c）图5工艺方案A、B、C成形过程中应力应变场（a）（b）（c）锻 模 技 术48模具制造 2023年第9期摩擦系数：齿轮锻造成形属于塑性变形，即成形过程中上下模和锻件始终存在着摩擦力且不可避免，故润滑剂的使用在实际生产中极为重要，参考理论数据、结合实际经验，摩擦系数选用0.1、0.2、0.3，具体如表2所示。表2不同工艺参数条件下最大成形载荷4.2参数优化结果分析由表2和图6可知，下行速度和摩擦系数对最大成形载荷影响明显，九组实验中，i组成形载荷最大为2,070kN，A组成形载荷最小为1,489kN，最大载荷差为581kN，下降28%，本文下行速度研究范围从1 10mm/s，摩擦系数研究范围从 0.10.3，研究范围较广，所得数据为参数选择提供了理论依据。结合实际选择摩擦系数为0.2，下行速度为1mm/s，所需载荷为1,654kN，符合实际生产要求。图6不同工艺参数下最大成形载荷5结束语（1）在现有圆柱直齿轮生产工艺的基础上，增加“飞边孔”工艺方案 B 及“分流槽”工艺方案 C，通过Deform-3D有限元分析得出开设“飞边孔”及“分流槽”对降低成形载荷有显著作用。（2）通过有限元数值模拟，分析了3种工艺方案的应力应变场变化，阐明了圆柱直齿轮冷精锻成形的规律，分析得出工艺方案B、C可有效降低齿轮的应力值且应力分布均匀，可减少应力集中及残余应力对齿轮成形质量的影响。（3）对主要工艺参数摩擦系数和上模下行速度进行分析，得到了摩擦系数从0.10.3、上模下行速度从110mm/s时的成形载荷分布规律及范围，对实际选用主要工艺参数提供了理论依据。参考文献1胡成亮，赵震，刘全坤等倒挡齿轮冷锻成形有限元模拟J.中国机械工程，2009，20（18）：225022542高畅，金俊松，王新云等.弧齿锥齿轮开式冷精锻工艺优化设计J.模具工业，2020，46（12）：40453陈淑婉，黄胜.弧齿锥齿轮精锻工艺的研究现状及展望J.热加工工艺，2014，43（9）：12154胡成亮，施卫兵，徐祥龙等.带毂直齿轮冷精锻新工艺及其数值模拟J.上海交通大学学报，2009，43（9）：149414975Feng W，Hua L，Han X H.FiniteElement Analysis andSimulation for Cold Precision Forging of a Helical GearJ.J.Cent.South Univ,2012,（19）：336933776李君，王岗超，石文超.圆柱直齿轮冷精锻模拟及试验研究J.精密成形工程，2011，3（2）：11147胡成亮.直齿轮冷锻成形工艺及精度控制研究D.合肥：合肥工业大学出版社，2012.8李亨，季云浩，李明等.商用铝合金轮毂法兰盘锻造工艺研究及参数优化J.模具工业，2018，44（5）：48作者简介：季云浩，男，1992年12月生，汉族，安徽芜湖人，工学硕士，结构开发工程师，从事金属塑性成型理论及工艺研究、铝合金旋压工艺研究、车身覆盖件冲压工艺研究、塑性成形CAE研究等。（收稿日期：2023-05-21）参数组合序号abcdefghi摩擦系数0.10.10.10.20.20.20.30.30.3上模下行速度mm/s151015101510最大成形载荷kN148916521688165417731862171818732070220020001800160014000.10.20.3速度10m/s速度5m/s速度1m/s不同工艺参数下最大成形载荷/kN锻 模 技 术欢 迎 订 阅模具制造 月刊、模具制造 合订本模具制造 月刊定价：10元/本，全年120元，邮发代号：46-234。模具制造 合订本定价：120元/本。电话：[phone]E-mail：49