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       摘要：運(yùn)用DEFORM軟件對(duì)螺旋錐齒輪的熱鍛壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，建立包含齒輪毛坯和上下模的數(shù)值模擬模型,通過(guò)觀察分析齒輪毛坯熱鍛壓過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變的分布變化，得到材料流動(dòng)受阻后可能出現(xiàn)的開(kāi)裂或重疊以及工件流動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況。這對(duì)螺旋錐齒輪熱鍛壓在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用具有深遠(yuǎn)的意義，為鍛壓工藝設(shè)計(jì)提供了較好的指導(dǎo)作用。

 
      有限元法是上世紀(jì)五十年代出現(xiàn)的一種高效的數(shù)值計(jì)算方法，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)和力學(xué)完美結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用有限元數(shù)值模擬方法模擬金屬的塑性變形在實(shí)際生產(chǎn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，利用數(shù)值模擬工具可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造更大的價(jià)值[1-6]。

      本文的研究?jī)?nèi)容主要是：通過(guò)DEFORM軟件建立包含齒輪毛坯和上下模（圖1-3） 的熱鍛壓仿真模型。根據(jù)齒輪熱鍛壓的工藝過(guò)程和工藝參數(shù)，分析鍛造過(guò)程中毛坯的塑性變形，預(yù)測(cè)齒輪的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)的變化情況。

                                      圖1 汽車(chē)從動(dòng)錐齒輪上模

                              圖2 汽車(chē)從動(dòng)錐齒輪下模

                                   圖3 汽車(chē)從動(dòng)錐齒輪毛坯

        1 、DEFORM-3D軟件簡(jiǎn)介[7]

      DEFORM-3D是由美國(guó)Battelle Columbus實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)八十年代開(kāi)發(fā)的一款有限元分析軟件，能夠用于分析熱力耦合非等溫變性和三維變形問(wèn)題。

       DEFORM-3D由前處理器、模擬處理器和后處理器三大模塊組成。

      前處理器包括三個(gè)子模塊：（1） 數(shù)據(jù)輸入模塊；（2） 網(wǎng)格的自動(dòng)劃分與自動(dòng)再劃分模塊；（3） 數(shù)據(jù)傳遞模塊。

      真正的有限元分析過(guò)程是在模擬處理器中完成的。DEFORM運(yùn)行時(shí)，首先通過(guò)有限元離散化將平衡方程，本構(gòu)關(guān)系和邊界條件轉(zhuǎn)化為非線性方程組，然后通過(guò)直接迭代法和Newton-Raphson法進(jìn)行求解，求解的結(jié)果以二進(jìn)制的形式進(jìn)行保存，用戶可在后處理器中獲取所需要的結(jié)果，可獲取的結(jié)果有：（1） 有限元網(wǎng)格；（2） 等效應(yīng)力、等效應(yīng)變以及破壞程度的分布圖；（3） 速度場(chǎng)；（4） 溫度場(chǎng)；（5） 壓力行程曲線等。此外用戶還可以列點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，對(duì)個(gè)別點(diǎn)的軌跡，應(yīng)力，應(yīng)變，破壞程度進(jìn)行跟蹤觀察，并可根據(jù)需要抽取數(shù)據(jù)。

     2、對(duì)螺從齒熱鍛壓過(guò)程的有限元分析

     2.1運(yùn)用DEFORM軟件進(jìn)行損傷分析

     用DEFORM-3D軟件模擬螺從齒的熱鍛壓過(guò)程，然后進(jìn)行有限元分析。圖4中顯示了熱鍛壓過(guò)程中螺從齒的損傷情況：熱塑性變形時(shí)工藝損傷發(fā)生聚積，鋼熱鍛壓后，沿晶分布微孔，顯著地降低金屬的持久性，導(dǎo)致顯微敞陷的形棱和長(zhǎng)大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（熱應(yīng)力、相變應(yīng)力）。若局部?jī)?nèi)應(yīng)力超過(guò)了金屬的強(qiáng)度，那么金屬的連續(xù)性就受到破壞。在模擬中可以看出，螺從齒外環(huán)結(jié)構(gòu)的外側(cè)表層的損傷率最大，損傷率在0.500～0.650之間，而外環(huán)結(jié)構(gòu)的上表層和底部損傷較小，損傷率在0.350～0.450 左右，并且呈現(xiàn)出規(guī)律性：越靠近內(nèi)部凹面結(jié)構(gòu)的薄層的部位，材料的損傷越小， 在齒輪的內(nèi)側(cè)凹面的薄層處， 僅僅有0.110～0.150的損傷率。損傷參數(shù)D=0.80作為破碎區(qū)的邊界，因此零件所有的部位都沒(méi)有受到破碎損傷。

                        圖4 齒輪模型在熱鍛壓后的損傷分布圖

   
     可以得出的結(jié)論是：越靠近齒輪中間凹面結(jié)構(gòu)的薄層的部位，損傷越小，而齒輪環(huán)狀的結(jié)構(gòu)損傷最大，在0.600左右，材料的損傷率沿著螺從齒的表面由外到里遞減，到齒輪中間凹面結(jié)構(gòu)損傷率最小，只有0.125左右，而且零件所有的部位都沒(méi)有受到破碎損傷。

     2.2齒輪模型在熱鍛壓后的表面壓力分析

     運(yùn)用DEFORM-3D對(duì)螺從齒鍛壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得到從鍛壓開(kāi)始到結(jié)束金屬材料在鍛壓模腔中的流動(dòng)情況，圖5中截取了齒輪毛坯在鍛壓過(guò)程中第80、135、152和166步時(shí)的金屬流動(dòng)速度矢量圖，圖5（a） 為鍛壓開(kāi)始不久時(shí)的材料流動(dòng)情況，圖5（b）、（c） 為鍛壓中間階段的材料流動(dòng)情況，圖5（d） 為鍛壓快結(jié)束時(shí)的材料流動(dòng)情況。通過(guò)DEFORM-3D軟件可以很直觀的觀察整個(gè)鍛壓過(guò)程金屬材料的流動(dòng)方向和速度，為鍛壓模具的設(shè)計(jì)及鍛壓設(shè)備的選型提供指導(dǎo)。

               圖5 齒輪模型熱鍛壓過(guò)程金屬流動(dòng)的分布圖
  

     模擬螺從齒的熱鍛壓后，通過(guò)有限元分析對(duì)金屬坯料表層壓力情況進(jìn)行觀察，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)螺從齒的表面壓力的分布。對(duì)于塑性材料，常以屈服極限或屈服強(qiáng)度為強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的極限應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增加，塑性變形抗力也增加，出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化階段。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，因局部塑性失穩(wěn)，中心處于三向拉應(yīng)力狀態(tài)，限制了塑性變形的發(fā)展，中心部分開(kāi)始出現(xiàn)微孔和微裂紋，發(fā)展成宏觀圓形裂紋。

                            圖6 螺從齒的表面壓力的分布
   

     螺從齒毛坯外環(huán)結(jié)構(gòu)的上下表面以及側(cè)面的壓力都在70 MPa左右，而從正面看，金屬毛坯的壓力從外到內(nèi)不斷遞升，第一層階梯平面和側(cè)面的壓力在95 MPa左右，到第二層階梯的側(cè)面，表面壓力升至100 MPa，在從齒輪凹面的薄層處壓力達(dá)到了110 MPa。特別值得留意的是，在每個(gè)階梯的轉(zhuǎn)折處壓力都會(huì)呈不規(guī)律的突變，達(dá)到130 MPa。

                       圖7 螺旋錐齒輪鍛壓后實(shí)物
   

     可以得出的結(jié)論是：在階梯的轉(zhuǎn)折處材料表面的壓力最大，其次是坯料中間凹面的薄層處。在這些部位具有宏觀圓形裂紋。
 
 
     3、結(jié)論

     利用DEFORM-3D有限元分析軟件，可以有效地預(yù)測(cè)螺從齒的損傷、應(yīng)力、應(yīng)變及壓力等參數(shù)的變化情況，以便對(duì)坯料強(qiáng)度、產(chǎn)品質(zhì)量特別是端部裂紋缺陷等進(jìn)行分析和有效控制，為生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)提供了較好的指導(dǎo)作用。