基于Solidworks的直齒圓柱內齒輪精密成形工藝研究

張宇涵　劉翠

摘 ?要：齒輪傳動是當前機械領域最重要的傳動方式之一。利用Solidworks軟件對無齒凸模鐓擠成形直齒圓柱內齒輪的加工工藝進行了仿真分析，并與傳統的有齒凸模鐓擠成形工藝進行了對比。仿真結果顯示無齒凸模雙向鐓擠載荷值明顯較小，與有齒凸模雙向鐓擠相比下降約57%，載荷值的減小有利于保護模具，提高模具的使用壽命，此外無齒模具加工制造相對較為簡單實用。優化成形工藝實驗結果表明，該工藝下可以得到理想的試件，該工藝為齒輪的優化加工提供了幫助。

關鍵詞：直齒圓柱內齒輪;精密成形;雙向鐓擠;數值模擬

中圖分類號：TG376 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）31-0100-03

Abstract： Gear transmission is one of the most important transmission methods in the mechanical field. Using SolidWorks software， the process of upsetting and extruding spur internal gear with no tooth punchesis simulated and analyzed， and compared with the traditional upsetting and extruding process with tooth punches. The simulation results show that the load value of the two-way upsetting extrusion of the toothless punch is significantly smaller， which is about 57% lower than that of the two-way upsetting and extrusion of the toothed punch. The reduction of the load value is conducive to protecting the die and improving the service life of the die. In addition， the machining and manufacturing of the toothless die is relatively simple and practical. The experimental results of the optimized forming process show that the ideal specimen can be obtained during this process， which provides help for the optimal processing of gears.

Keywords： spur internal gear; precision forming; two-way upsetting-extrusion; numerical simulation

引言

齒輪具備可靠的傳動質量和效率，在機械領域應用廣泛，尤其是在軍工、航天等重要領域，對齒輪質量的要求尤為嚴格[1]。齒輪產品常見的加工方式是切削加工，該方法易于操作，但是由于加工方式的限制，齒輪強度也會有所影響[2-3]。精密鍛造成形技術對于部件的整體力學性能破壞

小，尤其對于齒輪來說，鍛造加工方法保證了輪齒部分的組織結構與力學性能，從而使得齒輪的輪齒強度、嚙合平穩性等功能均高于切齒齒輪，除此之外成熟的精密鍛造成形技術可以有效的節約材料[4]。針對直齒圓柱內齒輪精密成形問題，目前國內外的成形方法可以總結為閉式模鍛、擠壓成形、旋壓成形、（兩步法）劈擠成形四種[5-6]。本研究針對直齒圓柱內齒輪齒型腔的成形工藝進行了研究，仿真和實驗證明了采用無齒凸模鐓擠成形直齒圓柱內齒輪在載荷及模具結構方面優于有齒凸模鐓擠成形。

1 直齒圓柱內齒輪精密成形新工藝的研究

傳統的內齒輪閉式模鍛如圖1（a）所示，在凸模下壓坯料使其成形過程中，坯料側表面會受到凹模與芯模側表面方向向上的摩擦力F？子。隨著充填到凹模與芯模空間的材料越多，金屬自由流動的范圍越來越小，摩擦力F？子就越大，即成形力會急劇增大，同時由于摩擦力越來越大，凹模的角隅填充變得更加困難。傳統的內齒輪閉式模鍛，由于其工藝特點限制，模具及加工件都易造成破損等問題，應用效果不理想。

與傳統成形工藝不同，雙向鐓擠精密成形工藝裝置如圖1（b）所示，由于雙向力的作用，坯料側表面所受凹模與芯模的摩擦力方向相反，該受力方式可以有效降低摩擦力。由于成形力的降低，模具更容易實現全飽滿狀態，加工件的質量也會得到有效保障。

綜合上述分析可知，單、雙向鐓擠時成形力的大小、角隅填充飽滿程度的不同主要是由于二者成形過程中側表面所受摩擦力分布不同。根據這一現象及可判斷直齒圓柱內齒輪的精密成形中，雙向鐓擠新工藝設計明顯優于單向鐓擠。

2 數值模擬試驗及分析

2.1 數值模擬參數的設定

現以一模數m=2.5、齒數z=20、齒寬b=20、壓力角α=20°、分度圓直徑d=50，無輪轂-輪輻的實體直齒圓柱內齒輪為研究對象，對新工藝的金屬填充情況、變形力等相關信息進行數值模擬研究。

數值模擬初始條件為：坯料材料AISI-1045，坯料溫度1100℃，劃分為300000個四面體網格，模具溫度350℃，摩擦系數0.3，上、下凸模運動速度4.8mm/s。根據步長不超過最小單元邊長的1/3原則設置模擬步長為0.05mm/step，并在完成體積補償設置后進行數值模擬。

2.2 填充過程分析

采用傳統和改進工藝進行實驗研究，兩種工藝下坯料變形過程中典型變形情況如圖2、圖3所示。由圖可知在成形過程中兩種工藝都表現出了較為理想的效果，齒型腔均可均填充，齒形良好。通過對比可以發現兩種成形工藝在坯料端面齒形區域與凸模接觸方式上存在較為明顯的差別，有齒凸模鐓擠過程中上述接觸狀態始終存在;無齒凸模鐓擠時，上述接觸只發生在成形完畢時（圖3c）（圖2c與圖3c，即第90步時二者區別十分明顯，圈內區域表示坯料與模具的接觸區域，及受摩擦力的面積）。

2.3 載荷-行程曲線分析

兩種工藝的載荷-行程曲線如圖4所示，由圖4可知兩種工藝的載荷變化趨勢較為相似，由載荷曲線可知齒形體的成形過程可以分自由變形、充滿、角隅充填3個階段。

自由變形階段由于坯料的自由流動性，載荷表現為，載荷曲線平緩上升。充滿階段從坯料與齒型腔接觸開始到齒型腔中間部分基本完成填充，該階段由于接觸力的作用，因此作用時間較長，載荷也逐漸增大。

角隅充填階段坯料所能填充的空間很小，因此載荷急劇增大，從而保障腔體被完全有效填充，直至載荷到達最大，成形完成。對比圖4（a）、（b）可知，成形直齒圓柱內齒輪過程中，無齒凸模鐓擠較有齒凸模鐓擠載荷值下降約57%，可減輕模具負荷，有利于提高模具壽命。

3 物理模擬實驗

雙向鐓擠模具裝配關系見圖5，將鐵料放入電阻爐中熔化后澆注到所設計模型（圖5a）中，冷凝后取出澆注件再進行車削，最后得到的直齒圓柱內齒輪如圖5（b）所示，得到的直齒圓柱內齒輪齒形充填飽滿，輪廓清晰，表面光潔，無折疊等缺陷，試驗結果與數值模擬結果基本吻合。

4 結論

本研究通過試驗和數值模擬相結合的方法，對所提直齒圓柱內齒輪傳統閉式模鍛與所提雙向鐓擠精密成形新工藝進行對比分析研究，由仿真和實驗結果可得雙向鐓擠成形直齒圓柱內齒輪的工藝優于其單向鐓擠成形，成形過程中齒型腔可順利填充，所成齒形良好，成形載荷值下降約57%，可減輕模具負荷，提高模具壽命。

參考文獻：

[1]趙韓，吳其林，黃康，等.國內齒輪研究現狀及問題研究[J].機械工程學報，2013，49（19）：11-20.

[2]齒輪手冊編委會.齒輪手冊（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]許鋒.圓柱直齒輪冷精鍛關鍵技術研究[D].合肥：合肥工業大學，2011.

[4]閆克龍.直齒圓柱齒輪的精鍛工藝及模具設計[D].武漢：華中科技大學，2013.

[5]李洪波，呂玫，張玉華，等.直齒內齒輪精鍛成形新工藝的三維數值模擬[J].燕山大學學報，2005，29（6）：480-484.

[6]韓豫直齒內齒輪冷精鍛成形工藝分析及實驗研究[D].合肥：合肥工業大學，2009：20-21.

[7]韓豫，劉全坤，陳忠家，等.非貫通內齒輪冷擠壓成形工藝研究[J].鍛壓技術，2009，34（12）：27-31.