基于正交方案的閉擠式精沖直齒輪工藝參數優化

鄧 明，馬一龍，劉潞周，呂 琳，袁 秋

(重慶理工大學，重慶 400054)

直齒圓柱齒輪生產大多采用傳統的切削加工方法，材料利用率低且產品成本高。閉擠式精沖是在精沖和擠壓基礎上發展起來的一種新型精沖工藝［1］。與傳統的切削加工工藝相比，采用閉擠式精沖工藝成形直齒圓柱齒輪具有節省材料、減少能耗、提高效率等顯著優勢。

本文采用DEFORM－3D軟件，以小模數直齒輪為研究對象(見圖1)，對厚度為8 mm的35鋼板進行閉擠式精沖模擬。分析和比較了凹模型腔錐面傾斜角度，主凹模圓角半徑，反頂力，凸、凹模間隙對齒面光亮帶比例的影響，并結合物理試驗得到了優化的工藝參數［2－4］。

圖1 齒輪件三維圖

1 有限元模型與正交試驗設計

1.1 有限元模型

運用DERORM－3D有限元軟件對閉擠式精沖直齒輪過程進行數值模擬。有限元模型如圖2所示。板料為35#鋼，厚度為8 mm，齒輪模數為1.5。坯料設為彈塑性材料，凸模、主凹模、副凹模、反頂板設為剛性體。劃分了60000個矩形單元網格，對塑性變形較大的凸、凹模間隙附近的材料進行網格局部細化，從內到外細化比例因子為0.1∶0.3∶1.0。表 1 為有限元模擬基本參數。圖 2為有限元模型。

表1 有限元模擬基本參數

圖2 有限元模型

Brozzo斷裂準則能比較精確地模擬閉擠式精沖過程［5］。考慮靜水應力對斷裂的影響，本文選用 Brozzo 斷裂準則模擬精沖過程［6－9］，其表達式為

式中:σm為靜水應力;σ*為最大主應力為等效應變為斷裂發生時的總塑性應變;c為材料抗韌性斷裂的臨界值，取0.2。

1.2 正交試驗設計

利用正交試驗方法進行有限元模擬試驗設計。模擬的中凸、凹模間隙，主凹模圓角半徑，反頂力和主、副凹模型腔傾斜角度分別選用4個水平，精沖齒面的光亮帶比例被設為試驗指標。凹模型腔錐面傾斜角度θ，主凹模圓角半徑Rd，反頂力Fr，凸、凹模間隙t與其各自水平對應的實際大小如表2所示。

表2 正交試驗因素與水平安排

試驗采用四因素四水平的正交設計，選取L16(44)正交表，其正交設計試驗方案及試驗結果如表3所示。

表3 有限元模擬的L16(44)正交試驗方案及結果

續表

2 結果與討論

2.1 模擬結果的方差分析

對于各個影響因素來說，F值越大，則該列因素在試驗范圍內的變化會導致試驗指標出現更大的變化。表4為試驗模擬結果方差分析。

表4 試驗模擬結果方差分析

從表3可以看出，各工藝參數對試驗指標的影響程度為:凸凹模間隙﹥凹模圓角半徑﹥反頂力﹥主、副凹模型腔傾斜角度。試驗指標為齒面光亮帶比例，越大越好。在不考慮交互作用的情況下，優化方案應取各因素最大K值所對應的水平，即為A2B4C4D1。從表4可以看出:凸、凹模間隙t對齒面光亮帶比例有顯著影響。

2.2 凸、凹模間隙，凹模圓角半徑，反頂力，主、副凹模型腔傾斜角度對光亮帶比例的影響

從圖3可以看出:凸、凹模間隙，主凹模圓角半徑和反頂力對直齒輪齒面光亮帶比例的響應表現顯著，凹模型腔錐面傾斜角度對齒面光亮帶比例的響應不顯著。對比其他3個參數，當反頂力為24和32 kN時，其光亮帶比例的增加相對趨緩。在實際生產中，需要對零件表面質量要求進行穩定的控制，因此增加反頂力是一種比較有效的方法。但反頂力并不是越大越好，在增大反頂力的同時也增加了工作腔的壓力。當工藝參數選取不合適時，坯料將表現出極大的變形抗力，給模具壽命帶來嚴重威脅。

圖3中每條直線在不同區間的斜率不一樣，主凹模圓角半徑和反頂力對齒面光亮帶比例的影響趨勢是隨著參數本身的增加而單調增加，這與凸、凹模間隙的影響相反，表明凸、凹模間隙與主凹模圓角半徑和反頂力之間存在交互作用。

圖3 角度、半徑、反頂力及間隙對直齒輪齒面光亮帶比例的影響

2.3 外環填充率對直齒輪齒面的影響

圖4是外環填充率對直齒輪齒面光亮帶的影響。從圖4可以看出，齒面光亮帶比例隨著外環填充率的增加而增大。這是因為外環填充率越大，變形區材料所受的三向壓應力越大。靜水壓應力可以有效地抑制裂紋的產生和擴展，使變形區材料塑性得以充分發揮，因而能夠精沖出高質量的齒輪齒面。

2.4 試驗驗證

圖5是利用齒面光亮帶為質量指標，使用優化參數得到的模擬結果和物理試驗結果進行比對。結果表明:通過有限元模擬得出的直齒輪齒面光亮帶比例為93.4%，試驗試件的實際光亮帶比例為96.7%，模擬值和實際值誤差為3.3%。通過物理試驗，證實采用優化參數后的閉擠式精沖工藝能夠顯著提高直齒輪齒面的光亮帶比例。

圖4 外環填充率對直齒輪齒面光亮帶的影響

圖5 采用優化參數模擬結果和試驗直齒輪試件齒面質量比對

圖6是在不同填充率情況下加工的試件。從圖6可以看出:填充率越大，直齒輪齒面光亮帶比例越高，且齒輪成形質量越好。

圖6 不同填充率下的直齒輪試件

3 結論

1)凸、凹模間隙，主凹模圓角半徑和反頂力對小模數直齒輪齒面光亮帶有顯著的影響，凹模型腔錐面傾斜角度對齒面光亮帶幾乎沒有影響。

2)凸、凹模間隙對小模數直齒輪零件齒面光亮帶的影響程度要大于其他影響因數，影響程度從大到小依次為:凸、凹模間隙﹥凹模圓角半徑﹥反頂力﹥主、副凹模型腔傾斜角度。

3)坯料填充率越大，直齒輪齒面光亮帶比例越大，且齒面光潔度越好。

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