论文导读：冷锻成形与热成形工艺相比，成形件的尺寸精度高，可以省去后续的切削加工，冷成形件的表面光洁，强度大，冷成形件表面光洁，尺寸精度高，强度在，可以免去加热工序，材料利用率高。本文研究采用冷锻成形工艺，利用有限元数值模拟技术，对轴分流分流和浮动凹模耦合成形工艺过程进行研究。等效应变场、等效应力场和速度场是圆柱直齿轮塑性成形的重要信息,综合反映了直齿轮成形的金属流动规律,以及成形压力-位移的变化曲线,决定圆柱直齿轮的锻压成形质量，所以研究这方面参数,对精密冷锻成形具有一定的理论参考,从而指导实际生产。通过有限元数值模拟技术，对轴分流分流和浮动凹模耦合工艺成形进行了数值模拟，结合模拟结果可知，可较好的成形出直齿圆柱齿轮的齿形。
关键词：轴分流，冷锻，圆柱直齿轮，数值模拟
齿轮是一种典型的机械传动零件，传统的直齿轮的机械加工方法，材料利用率低，生产率低，产品成本高，同时加工时齿形部分的纤维被切断，齿轮强度不高，影响其承载能力。免费论文网。免费论文网。
冷锻成形与热成形工艺相比，成形件的尺寸精度高，可以省去后续的切削加工，冷成形件的表面光洁，强度大，冷成形件表面光洁，尺寸精度高，强度在，可以免去加热工序，材料利用率高。
采用冷锻成形工艺加工圆柱直齿轮，提高零件的内在和表面质量, 提高材料利用率, 减少加工工时，降低能耗，同时可获得合理的金属流线分布，提高承载能力[1-4]。
本文研究采用冷锻成形工艺，利用有限元数值模拟技术，对轴分流分流和浮动凹模耦合成形工艺过程进行研究。
1 有限元分析模型的建立
本文研究的齿轮模数为m=2mm，齿数为Z=18，齿宽为h=10mm，法向压力角a=20o，变位系数x=0.0。
现利用建模软件完成锻件上模、浮动凹模和下模的三维造型图，上下模中心分流孔直径为10mm。免费论文网。坯料为圆柱体，在利用有限元软件进行数值模拟前，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[5]，确定毛坯的尺寸，现设计坯料为Ф30mm×15mm。
考虑到齿轮本身的几何对称性，为减小计算规模，节省CPU时间，提高计算效率，取变形体的1/4作为有限元的模拟对象[6]，建立的几何模型如图1所示。模型建立完后，运用有限元模拟软件进行数值模拟。在齿轮冷锻成形过程中，模具设为刚性，坯料选用AISI-4140 (cold)，坯料视为塑性体，模具与坯料之间为剪切摩擦，摩擦系数为0.12，采用四面体网格对坯料进行划分如图2所示，上模和浮动凹模速度为1mm/s。
 
图1几何模型图 图2坯料网格图
2 圆柱直齿轮数值模拟分析
等效应变场、等效应力场和速度场是圆柱直齿轮塑性成形的重要信息, 综合反映了直齿轮成形的金属流动规律, 以及成形压力-位移的变化曲线, 决定圆柱直齿轮的锻压成形质量，所以研究这方面参数, 对精密冷锻成形具有一定的理论参考, 从而指导实际生产。在模拟结束后，提取等效应变场分布图（图3）、等效应力场分布图（图4）、速度场分布图（图5）、成形载荷-位移曲线图（图6）。
（a）第60增量步(b) 第75增量步(c) 第89增量步
图3 等效应变场分布图
（a）第60增量步 (b)第75增量步(c) 第89增量步
图4 等效应变力分布图
（a）第60增量步(b) 第75增量步(c) 第89增量步
图5 速度分布图
图6 行程-载荷曲线图
在等效应变图（图3）中可以看出，在成形过程中，齿形部分的等效应变大于中心轴部分的等效应变，在齿腔和上下模转角部分有较大的等效应变，在此处的材料变形较大。在齿形完全充填时，基本上整个齿形部分都有很大变形，这样锻出来的齿轮齿形部分质量高。从等效应力图（图4）中可得，中心孔部分的材料等效应力最少，而整个齿形部分的等效应力大，而等效应力大，有利于愈合金属内部的缺陷与损伤。
在成形过程前期中，因为坯料向齿腔流动的阻力小于向中心孔的阻力，从图5中可得，材料向齿腔流动的速度大，因为浮动凹模的作用，有齿腔部分轴向力的作用有利于下齿端的充填，又由于上模向下运动而下模保持静止，所以坯料上半部分的流动速度大于下半部分的流动速度，当成形到终了阶段，此时坯料向齿腔流动受到三向压应力的作用，等效应力较大，而此时坯料在中心孔受两向压应力作用，等效应力较齿腔部分小，坯料流向中心孔部分的流动速度大于齿形部分的流动速度。
如图6行程载荷曲线图所示，成形开始时，上模与坯料接触载荷线性上升，随后金属的变形相当于镦粗，此时载荷上升缓慢，成形力也小；当坯料与开始进行齿腔时成形载荷线性上升后，随着上模的不断下行，坯料逐渐的流向凹模型腔，齿腔部分充填越来越多，少量的坯料流向中心孔，成形力缓慢增大，自由面越来越少，材料流动速度快，等效应力和等效应变都明显增大；在成形终了阶段，坯料压下量非常小，而变形力却急剧增加，曲线几乎成直线上升，因齿腔已基本充满，此时坯料不断的流向中心孔部分，但齿腔角隅部分的成形时，材料处于三向静水压力状态，成形载荷急剧上升，此时等效应力和等效应变值也达到最大值。
3 结 语
通过有限元数值模拟技术，对轴分流分流和浮动凹模耦合工艺成形进行了数值模拟，结合模拟结果可知，可较好的成形出直齿圆柱齿轮的齿形。通过对等效应变场、等效应力场、速度场的分布分析可知，成形过程中材料先大量流向齿腔部分，等效应力等效应变不断的增大。在终锻阶段，由于在最后成形期，齿腔角隅处留有很小的自由面，因此将导致终锻期成形力急剧上升，齿形部分的等效应力、等效应变达到最大值，但因为中心孔部分自由面的存在，坯料大量的流向中心孔部分。通过对直齿轮冷锻成形工艺进行数值模拟，对成形过程进行数值分析，有利于指导实际生产过程中对成形过程的良好控制，为生产实践提供理论依据。
参考文献
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