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轉發自：模（mó）具（jù）工業（yè）

作者：毛秀，張祥林，查想，曹傳亮

（華中科技（jì）大學材料成形及模具技術國家重點實驗室，湖北（běi）武漢430074）

齒輪、棘輪、鏈輪等齒形零件是機械傳（chuán）動中的 重要零件，其傳統加工方法工藝複雜，加（jiā）工效（xiào）率（lǜ）低。精衝（chōng）工藝作（zuò）為（wéi）一種先進的精密（mì）塑性成形技術， 一次衝裁（cái）加工（gōng）即可得到尺寸精度高、剪切（qiē）麵光潔、具有（yǒu）一定立體形狀的零件田。因此，越（yuè）來越多的齒

收（shōu）稿（gǎo）日期：2013一一。

作（zuò）者簡介：毛秀（1988一），女（漢族），河南周口人，碩（shuò）士研究生，主要研（yán）究方向為金屬精密塑性成形彐《藝及（jí）數值模擬、模具使用

壽命分析。

形零件采取精衝成形加工方法（fǎ），帶齒的精衝件也越來越（yuè）多。然（rán）而，在實際齒（chǐ）形零件精衝（chōng）生產中，齒頂部分常會出現塌角大（dà）、撕裂等缺陷，塌角和（hé）撕裂會直接影響齒形零件的工作強度和（hé）有（yǒu）效齧合尺寸（cùn），甚至需要進一步（bù）的機械加工才（cái）能使零件達到尺寸精度（dù）要（yào）求2]。

角和撕裂形（xíng）成（chéng）的原因。

2有限元建模

以（yǐ）下利用Deform一3D軟件建立（lì）三維數值模擬模型，對齒輪（lún）的（de）精衝過程進行計算機數值模擬，對比分析精衝過（guò）程中齒根、齒頂變形區的應力、應變狀態，並與（yǔ）實際精衝零件進行對比，探究齒頂部分塌齒輪零（líng）件如圖1所示（shì），材料為45鋼，齒形為標準漸開線齒形，模數m：2mm，壓力角。：20。，齒數z： 19。考慮到（dào）齒輪零（líng）件（jiàn）的對（duì）稱性，為節約模擬時間， 上件與（yǔ）模（mó）具（jù）均取一（yī）個齒形進行模擬研究，精衝模型如圖2所示。板料為直徑Omm的圓盤狀坯料，厚度為（wéi）7 mm，凸、凹模圓角半徑分別為0·05 mm和 ，2mm，壓邊力和反頂力分別為20kN和（hé）10kN,凸模壓入速度（dù）為6mm/s，單（dān）邊（biān）衝裁間隙為0．03 mm，摩擦因（yīn）數取0，12。

圖1 齒輪（lún）零件

圖2齒輪零件精衝模（mó）型（xíng）

將板料設為彈塑性體，凸模、凹模、壓板、反頂（dǐng）器為剛體。由於模（mó）具間隙小（xiǎo），精衝中板（bǎn）料的塑性變形集（jí）中在狹小的範圍內進行，將凸模刃口和板料接（jiē）觸區域的網格進行細化，在提高效率的同時（shí）保證模擬精度，網格局部細化效果如圖3所示。模擬過程采用網格自適應技（jì）術，根據應變梯度和表麵曲率自動對單元進行細化。

2，2韌性斷裂準則（zé）

圖3網格局部細（xì）化效（xiào）果

斷裂準則是板料剪切中最重要的理論之一，材料斷裂（liè）準則的選取對（duì）模擬過程非常（cháng）重要。在Deform軟件中，提供了多（duō）種斷（duàn）裂準則，現（xiàn）采用斷裂模（mó）型為Normalized Cockroft&Latham的斷裂準（zhǔn）則“、 C*：了0 ! d為

式中：C*．一一一材（cái）料的臨界（jiè）破壞值丿一一．．斷裂時的 女應變； 等效應變；伊*一一最大主應力；伊（yī） 等效應力：d一一一等效應（yīng）變（biàn）增量（liàng）。

當c* = 0成立時，認為（wéi）材料（liào）發生了斷（duàn）裂。采用單元消除的方法處理模擬（nǐ）過程中的斷（duàn）裂問題，即當某單元的等效應變滿足此式時（shí），將該單元從模型中消（xiāo）除，在以後的計算中該（gāi）單元（yuán）剛度為零。

3模擬結果分析 3，1靜水應力分析

精（jīng）密（mì）衝（chōng）裁實（shí）現（xiàn）的一個（gè）必要條件是在剪切變形區內要有足夠人的靜水壓應力（lì），從而抑製衝裁過程中裂紋的產生和擴展，避免破裂，使塑性變形貫穿整個衝裁（cái）過程，從而得到斷麵質量（liàng）較高的製件（jiàn）閻。齒輪的塑性變形區域集（jí）中在狹窄（zhǎi）的凸模一凹模刃口連（lián）線（xiàn）附近（jìn），此處靜水應力（lì）場的分布區域和數值人小將決定齒（chǐ）輪精衝質量的好壞。

齒輪零件輪廓形狀複（fù）雜，模擬發現，齒頂、齒根處具有（yǒu）不同的應力應變狀（zhuàng）態，因此，從圖4所示的齒頂、齒根處剖切，分別分析兩處的靜水應（yīng）力狀態。表1所示是凸模行程分別為2．5、4．0、5，0、6．Omm時齒根（gēn）、齒頂處的靜水應力分布。

齒根 齒（chǐ）頂 齒圈剖切麵剖切血 壓痕（hén）

圖4齒根、齒頂剖切麵位置

模具工業2014年第40卷第2期

由表1中的（de）雲圖可見，板料剪切變形區基本上始（shǐ）終處於靜水壓應力狀態（tài），齒根部位的（de）最大靜（jìng）水（shuǐ）壓（yā） 應力出現（xiàn）在凹模刃口附近（jìn），齒頂部位的最大靜水壓應力出現在（zài）凸模刃口附近。隨著凸模下行，板料剪切變形區（qū）的靜水壓應（yīng）力逐漸（jiàn）減小，這是凸模切入板料後相對間隙逐漸（jiàn）減小的緣（yuán）故。對比齒根（gēn）、齒頂處變形區的靜水應力分布情況發現：在凸模行程未達到2mm時，齒根、齒頂處均有較人的靜水壓應力，在隨後的變形過程中，齒根處靜水壓應力明顯大於齒（chǐ）頂處，並且（qiě）在齒根處整個板厚範圍內均處於壓應力狀態，而齒頂處被凹模剪切過的己變形的部分存在（zài）拉應力（lì）。

表1靜水（shuǐ）應力分布（bù）

齒根部位靜（jìng）水應力 齒頂部位靜水應力

6．0

應丿（piě）

If,'應丿/MPa

2000刁630刁250 ·875 巧00 25 250 625 10（

模擬發現，衝裁過程開始後齒頂處的塌角在凹模側開始形成，達到一定程度後在衝裁過程中基本保持（chí）不變，而齒根處始終（zhōng）沒（méi）有明顯的塌角。究其原因（yīn），這是由齒輪零件的外形輪廓決定的，塌角是精衝時（shí）板料剪切變形區的材料隨凸模刃口向工們剪切麵轉移而形成的，具有一定的寬度和深度回。齒 輪的齒頂類似於懸臂，材料轉移涉及的區域重疊，使得齒頂部位的塌角較人。根據塑性變形體積不變的原則，齒頂處對（duì）應的廢料塌（tā）角較小，同理，內凹的齒（chǐ）根部位塌角較小。

齒根部分輪廓內（nèi）凹，由於模具對材料（liào）的約束而產生的應（yīng）力可以提高此處的靜水壓應力，另外塌（tā）角形成後齒頂塌角處反頂器與零件不能（néng）接觸，這就使得反（fǎn）頂力（lì）不能直接施加到塌角後麵的精（jīng）衝斷麵上，

巧（qiǎo）

造成（chéng）此處靜水壓應力不足，這在表（biǎo）1中得到了體（tǐ）現，再加（jiā）上齒頂處己（jǐ）變形（xíng）部分（fèn）存在拉應力的作（zuò）用，不能很好地控製撕裂的產生和（hé）擴展，因此齒（chǐ）頂（dǐng）尖角部位容易產生（shēng）撕裂而（ér）齒根部位完好。

3，2應變分析

圖5所示為衝裁結束後齒頂和齒根處（chù）的（de）應變分（fèn）布雲圖，由圖5可見，從塌角側到毛刺側（cè）應變逐漸增大（dà），越靠近衝裁麵應變值越大，這是因為在衝裁過（guò）程中，塌角側的材料（liào）先完成變（biàn）形，此時材料的（de）變形程（chéng）度最低，隨後變形（xíng）程度逐漸增大，到毛刺側變形程度達到最大。齒頂處應變值大於（yú）1的區域最大寬度為1.3 mm，齒（chǐ）根處為0，53mm，齒頂處應變區的寬度超過齒根應變區的2倍（bèi），這是因為齒頂（dǐng）為尖角部分，輪廓線（xiàn）長，其變形區域（yù）在此處疊加，從而使變形區較寬。

等效應變

5．00

4，00

3 00

2．00 L00

o．000

（a）齒頂處應變分布雲圖等效應變

6．00

5 00

4．00

3，00

2．00 1，00

o，000

（b）齒根處應變分布雲圖

圖5齒頂、齒根處應變分布雲圖

圖6為試驗精衝零件齒（chǐ）頂和齒根變形（xíng）區的硬度分布曲線，曲線顯示了在離衝裁麵（miàn）不同距離的斷麵上，從（cóng）塌角側到毛刺側不同板厚處的硬度人小（試驗力I N，保壓時間巧s），山（shān）圖6可見（jiàn），從塌角（jiǎo）側到毛刺側硬度值逐漸增大，這是因（yīn）為精衝零（líng）件從（cóng）塌角側到毛刺（cì）側變形程度逐漸增人。不同（tóng）斷麵上的硬度

16

變化（huà）趨勢（shì）相似，越（yuè）靠（kào）近衝裁麵硬度值越大。對比圖 6（a）、（b）可知，齒頂硬化區的寬度大於齒根硬化區的寬度（dù），在離衝裁麵相（xiàng）同（tóng）距離的斷麵上，齒頂剪切（qiē）區的硬（yìng）度比齒根處的大，這（zhè）與圖5所示（shì）的應變分布相吻合。如圖6（a）所示，在齒頂剪切（qiē）區距離衝裁麵 0·巧mm的斷麵上，靠近毛刺側邊緣處（chù）的維氏硬度增至近400Hv，幾乎是基體硬度（188 ·4HV）的2倍。

硬度HV

（a） 齒頂處剪切區硬（yìng）度分布

2傭250 3傭350 4開

硬度HV

（b） 齒根（gēn）處（chù）剪切區硬度分布

圖6齒頂、齒根處變形區硬（yìng）度分布

由以上分析（xī）可知，衝裁麵附近的剪切區材料加工硬化現象嚴重，並使韌性降低，尤其是齒頂（dǐng）部位 容易達到材料的（de）成（chéng）形極限，同時材料中處於衝裁麵 模（mó）具工業2014年第40卷第 2期

上的非常小的缺陷，如脆而硬的片狀碳化物等，都會引起衝裁麵的撕裂。

4結束語

（1)隨著衝（chōng）裁過程的進行（háng），板料剪切變形區的靜（jìng）水應力逐漸減小（xiǎo），齒頂處變形區（qū）的（de）靜水應力（lì）小於齒根處（chù）。齒輪（lún）零件外形輪（lún）廓導致齒頂處有大的塌角，小（xiǎo）的靜水應力和己變形部分存在的拉應力使（shǐ）得齒（chǐ）頂部位容易（yì）產生撕裂。

（2）從塌角（jiǎo）側到毛刺側應變逐（zhú）漸增大，越靠近衝裁麵應（yīng）變值越大，齒（chǐ）頂處應變區的寬度（dù）是齒根處的2倍多。試驗精衝所得零件齒頂和齒根剪（jiǎn）切區（qū）的硬（yìng）度分布曲線與應變分布雲圖（tú）相吻合（hé）。嚴重的材料加工硬化（huà）使得齒頂部位容易達到成形極限，同時分離麵上很小的缺陷都會造成撕裂。

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