Deform—3D有限元模擬技術在齒輪加工中的應用與前景

王紅亮

（湖南有色金屬職業技術學院，湖南 株洲 412006）

1 Deform-3D有限元技術

Deform是一套基于有限元理論的工藝仿真模擬軟件，主要用于分析金屬材料加工成形及其相關工業的各種成形工藝和熱處理工藝仿真模擬。而Deform-3D可以分析復雜材料的三維流動及加工成形工藝[1]。

當生產一種新產品或零件時，技術人員不知道其合適的工藝參數，如果通過實驗確定參數將浪費不少材料和時間。我們可以利用Deform-3D數值模擬軟件模擬整個加工過程，幫助工程師和設計人員設計工具和產品工藝流程，減少昂貴的現場試驗成本[2]。提高模具設計效率，降低生產和材料成本。縮短新產品的研究開發周期。

2 齒輪常見加工工藝對比及存在的問題

齒輪是非常重要的傳遞運動和動力的機械元件之一，在工業傳動裝置中應用廣泛。而目前齒輪加工方法很多，常見的幾種加工工藝如下，作者對比分析如下：

（1）齒輪切削加工工藝。切削加工工藝是最為常見也是最傳統的齒輪加工方法。齒輪切削加工是指用切削工具（包括刀具、磨具和磨料）把齒坯上多余的材料切削去除，使齒坯獲得設計的幾何形狀、尺寸和表面質量的加工工藝。目前國內外圓柱齒輪加工工藝仍以切削加工為主，根據加工原理，傳統的齒輪加工方法可以分為展成法和成形法兩大類：展成法是利用齒輪刀具與被切齒坯作嚙合運動而切出齒形的方法，包括滾齒、插齒、剃齒、蝸桿砂輪磨齒等；成形法指采用與被切齒輪齒槽相符的成形刀具加工齒形的方法，包括成形銑齒、成形磨齒和拉齒加工等。可見齒輪切削加工工藝是一種去除材料的加工方法，因此材料的利用率不高。此外，加工設備較多，價值設備工作載荷大，加工時噪音大等缺點限制了切削工藝在齒輪加工中的持續應用。

（2）齒輪模鍛加工工藝。模鍛工藝具有加工效率高、精度高、金屬利用率高等優點，因此引起了國內外很多專家學者的關注，很多齒輪加工工廠采用模鍛成形技術加工齒輪。英國伯明翰大學的T.A.Dean教授等人對齒輪零件的模鍛工藝進行了深入的研究，主要研究了凹模齒形充填、成品的頂出、余料的分配和模具壽命等方面，對十幾種模具設計可選方案進行評價，提出利用浮動凹模鍛造空心件的思想，并將其應用于直齒輪等復雜零件的無飛邊精鍛成形。國內吉林大學等科研機構在齒輪模鍛精密成形方面進行了大量研究，掌握了小模數直齒輪和錐齒輪模鍛技術工藝。但齒輪模鍛技術存在齒輪尖部充型不滿、模鍛力隨模數及尺寸增大而增大、模具壽命短等問題而限制其廣泛應用。

（3）齒輪軋制加工工藝能。隨著傳動裝置的更新換代，齒輪的加工方法日益先進。軋制因其具有少切削或無切削、生產效率高、噪音小等優點，是一種非常好的近凈成形技術之一。齒輪軋制成形是指圓柱形坯料在兩軋輥模具之間或在兩平板模具之間或與一個軋輥按一定速比嚙合范成擠壓而發生連續局部變形的一種成形工藝。按照軋輥模具與軋件的嚙合關系，齒輪軋制工藝可以劃分為外嚙合形式和內嚙合形式兩種。

與傳統切削成形工藝相比，軋制成形具有如下優點：①生產效率高。②設備體積小，噸位小，噪聲小，有效地節約了成本和改善了工作環境。

③材料利用率高。軋制是一種塑性成形工藝，通常材料利用率一般為80%～95%。而切削是一種去除材料的加工技術，根據零件形狀，材料利用率也不同，一般為50%～70%。因此軋制工藝的材料利用率相比切削提高平均30%；④零件性能提高。冷軋后由于存在加工硬化，使零件齒部的強度得到較大提高；而熱軋后零件齒部晶粒得到細化，金屬流線和晶粒細化的協同作用，使得零件的靜強度與疲勞強度都有提高。

與齒形模鍛工藝相比，齒輪軋制工藝有如下優點：①工作載荷小。軋制的工作載荷只是模鍛載荷的幾十分之一，因此模具壽命長。②噪聲小，環境友好。軋制成形噪聲小，模鍛噪聲相比較大。③設備價格低，一般為模鍛的1/5～1/10。④通用性好，可以成形同模數不同齒數的齒輪，統一調整較簡單。

3 Deform-3D數值模擬在齒輪加工中的應用實例

隨著工業的快速發展和“中國制造2025”的提出，對齒輪的加工精度和使用性能提出了更高的要求。尤其是一些高精尖的行業，對齒輪的加工精度要求非常高。齒輪精度要求就是對齒輪的相關參數如齒距、齒高、齒厚、分度圓直徑等參數精度要高。

而這些齒輪參數的精度與齒輪加工工藝息息相關，因此齒輪加工工藝參數的確定尤為重要。齒輪加工技術人才需做很多試驗去確定工藝參數，在這些試驗中存在幾個缺點：①針對性不強；②材料浪費大；③試驗時間間隔大。為了克服以上問題，一些科研工作者把Deform仿真模擬技術引入到齒輪加工中。先建立各種齒輪加工方法的模型，然后利用Deform相關的功能對齒輪加工過程進行仿真模擬獲得一些參數或得到加工時出現的一些問題，這樣可以用模擬參數去指導試驗，這樣提高了試驗的有效性，同時避免了材料和時間的浪費。

李林鑫等人利用Deform-3D仿真模擬軟件對齒輪鍛造工藝進行仿真模擬，優化了工藝參數，指導實際生產，產品質量明顯提高，模具壽命得到提高。北京科技大學付曉斌等人利用Deform-3D仿真模擬軟件對齒輪軋制工藝進行仿真模擬，研究了軋制溫度、材料微觀組織等內容，優化工藝參數，從而提高齒輪輪齒的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。這樣的實例不勝枚舉，可見Deform-3D仿真模擬軟件對優化齒輪加工工藝參數、預測質量缺陷和指導實際生產具有非常重要的作用。因此它在齒輪加工中具有非常廣闊的應用前景。

4 結論

Deform-3D數值模擬技術是一種基于有限元理論的仿真模擬軟件，它能模擬出金屬材料塑性成形過程中一些參數，能夠有效計算出金屬材料在加工中相關參數，這樣可以有效預測真實加工過程中出現的問題，同時能有效指導實際的加工生產，為技術人員提供很好的參考。