DEFORM在齒輪成形中的應用現狀

上海安世亞太

2021年2月4日 14:44

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作者：吳華春上海安世亞太結構應用工程師

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編者按

作者在本文中對齒輪整個成形過程所涉及的工藝進行了分析，并提出從切削到熱處理的過程中，DEFORM可以進行一系列的仿真分析，幫助研發人員減少研發周期，避免人為的設計缺陷，為整個齒輪行業提供CAE仿真支持。

齒輪作為可以改變運動方向及形式以及傳遞力矩的部件，已經成為機械行業中必不可少的核心零件。特別是在國家提出“中國制造2025”發展制造業的時期，精密化的齒輪在汽車、高鐵、航空航天、智能機器人等高尖端行業中，決定著這些的行業的根基。

簡單舉例，智能機器人手臂中的橢圓行星齒輪，其研發和生產基本控制在國外大公司手中。歐美日等西方發達國家在齒輪成形生產中，已經把CAE仿真完全融合到整個制造過程中。

利用CAE的優勢減小生產成本，提高開發優勢，是西方發達國家掌握核心技術的關鍵手段。

DEFORM作為業界公認應用最廣泛的金屬體積成形、切削加工以及熱處理表面處理的CAE仿真軟件，其可以為齒輪成形加工的過程提供CAE支持，提高齒輪的加工精度，下文將從齒輪的各種加工類型和熱處理進行分類說明。

齒輪成形類型[1-2]

現代齒輪成形方法基本上分為2種，分別是切削成形和塑性成形。

齒輪切削成形

齒輪切削成形又分為仿形法和范成法。

仿形法

仿形法是指利用外形與齒輪齒槽相同或相近的成形刀具加工齒輪齒形的方法，包括銑齒、拉齒、磨齒等。

范成法

范成法是指利用齒輪刀具和齒坯之間保持強制的嚙合運動關系而成形齒輪齒形的方法，包括滾齒、插齒、剃齒等。

圖-1 齒輪切削成形

齒輪塑性成形

齒輪塑性成形因采用少、無切削的凈成形和近凈成形，可節省材料、節約工時。最主要的是這種成形方法沒有切斷金屬流線，采用壓實和壓密金屬晶粒即可提高齒輪的強度（可以提高20~30%），增加齒輪的壽命。

在現階段，對于能夠采用體積塑性成形的齒輪，各個齒輪生產公司和工廠大都采用此類方法。

齒輪塑性成形包含：冷擠壓、冷鐓、溫擠壓、熱擠壓、熱鍛、溫鍛、碾壓、滾軋、徑向鍛造、擺碾、軋制等工藝，其中冷擠壓、冷鐓、碾壓、滾軋和徑向鍛造又統稱為冷精鍛。

DEFORM在齒輪成形中應用

DEFORM在齒輪切削成形中的應用

■ 西安工業大學的劉冰[3]利用DEFORM對車齒、銑齒加工進行了仿真，對切削力、應力、加工應變、切削溫度場和刀具磨損進行了分析，在與實際生產進行對比后，驗證了仿真的正確性和可用性。

■ 湖北工業大學的余飛[4]利用DEFORM對直齒圓柱齒輪進行了單粒磨削齒面的磨削力、磨削溫度場等的仿真，并進行了相應分析，得出：在相同磨削速度下，磨削力隨著磨削深度增大而增大；不同的磨削速度對磨削力的影響也是顯著的，磨削力隨著磨削速度增大而增大，這種趨勢在磨削深度較小時，不太明顯，但在磨削深度較大時，變化趨勢較明顯。

■ 重慶大學的周力[5]將DEFORM模擬的切屑與物理實驗所得的切屑進行了對比分析，得到了齒輪高速干式滾切過程的切屑變形規律，仿真切屑與實際切屑的吻合也從側面驗證了仿真實驗的可靠性（圖-5所示）；并對比了不同滾切工藝參數的影響，確定切削力、切削應力、切削溫度對成形結果的影響規律。

■ 沈陽工業大學的任仲偉、王冬等[6]利用DEFORM對錐齒輪銑齒過程進行仿真，分析出成形時刀具的切削力、溫度場對刀具磨損的影響。

▲圖-2 DEFORM車削齒輪仿真Y向切削力[3]

▲圖-3 DEFORM磨削齒輪的溫度場[4]

▲圖-4 齒輪滾切仿真模型[5]

▲圖-5 DEFORM仿真切屑與物理試驗切屑[5]

DEFORM在齒輪塑性成形中的應用

■ 山東大學的夏世升、王廣春、趙國群等[7-8]利用DEFORM仿真出了一種由空心坯成形直齒圓柱的新工藝：對預鍛分流區——分流終鍛進行仿真，得到了擠壓載荷——行程曲線以及整個成形過程的應力、應變、速度分布等，終鍛后齒形精度非常好 , 而且成形載荷降低近40%。

■ 重慶大學的葉彩紅[9]利用DEFORM 有限元仿真分析軟件對齒輪的冷擠壓過程進行模擬，分析影響齒輪冷擠壓成形的成形載荷、下端塌角、齒形回彈等因素，針對在行星直齒輪冷擠壓成形工藝中，成形載荷過大、齒形塌角長度較長以及成形結束后齒形徑向彈性回復影響齒形精度的問題進行優化并應用到實際生產中。

■ 武漢理工大學的王峰[10]等利用DEFORM的模具應力分析模塊對斜齒輪冷鍛模具進行了彈性變形規律的研究，提出修正凹模型腔齒形可以減小齒輪的彈性變形量，從而提高了齒輪的成形精度。

■ 華中科技大學朱懷沈[11]等根據廣義胡克定律計算出大模數直齒圓柱齒輪理論精整量的取值范圍，并利用 DEFORM對整形過程進行了模擬，分析得出整形量與齒面回彈量之間的關系，并據此進一步優化了齒輪的精整量。

■ 重慶理工大學的付森陶[12]利用DEFORM對直尺圓柱齒輪冷擠壓成形精度進行分析，表明合理的模具結構參數在保證成形質量的同時可以有效地降低成形力；對擠壓模具型腔進行修形，可以保證冷擠壓齒輪的齒形精度；采用冷精整工藝，可以改善齒輪的齒向精度。

■ 上海工程技術大學的張猛[13]利用DEFORM的模具應力分析模塊，對直角圓柱齒輪冷擠壓模具進行回彈分析，得到回彈補償量后進行再次仿真，其仿真結果和試驗結果完全符合企業設計的要求。

▲圖-6 齒輪輪廓偏移 [12]

▲圖-7模具補償后的輪廓[13]

DEFORM在齒輪熱處理及表面處理中的應用

■ 重慶理工大學的孫飛[14]利用DEFORM中的HT模塊對大型齒圈進行熱處理仿真分析，從熱處理工藝和應力補償的角度總結了熱處理變形控制方法，結合實際生產特點設計了利用應力補償原理控制變形的相關模具，并與重齒合作應用于實際生產，有效地減少了大型齒圈熱處理變形。

■ 江西理工大學的鄒洋[15]同樣利用DEFORM中的HT模塊對考慮冷卻介質流動的滲碳淬火熱處理進行了仿真研究，分析了弧齒錐齒輪在滲碳淬火熱處理中的溫度變化、組織演變規律，得到了碳元素分布、微觀組織分布、硬度分布、殘余應力及熱畸變等信息，為熱處理工藝參數的調整提供了重要參考。

■ 武漢理工大學的李淑潔[16]利用DEFORM對直齒圓柱齒輪的精沖成形進行了仿真，并對其滲碳淬火過程也進行了仿真，發現精沖成形過程中其剪切區內產生了大量高密度的位錯、晶界、亞晶界，作為其滲碳過程中活性碳原子擴散的快速通道，加速了其擴散過程并獲得了更大的擴散量，使其在隨后的淬火過程中獲得高含碳量的馬氏體。因此，在相同滲碳淬火工藝的處理下，精沖變形區與非變形區相比，能具有更寬的滲碳層，且層內具有更為平緩的硬度梯度分布以及更大的平均顯微硬度值；并且，精沖變形區越寬，其滲碳淬火效果越好。