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轉(zhuǎn)發(fā)自：模具工業(yè)

作者：毛秀，張祥林，查想，曹傳亮

（華中科技大學材料成形及模具技術國家重點實驗室，湖北武漢430074）

齒輪、棘輪、鏈輪等齒形零件是機械傳動中的 重要零件，其傳統(tǒng)加工方法工藝復雜，加工效率低。精沖工藝作為一種先進的精密塑性成形技術， 一次沖裁加工即可得到尺寸精度高、剪切面光潔、具有一定立體形狀的零件田。因此，越來越多的齒

收稿日期：2013一一。

作者簡介：毛秀（1988一），女（漢族），河南周口人，碩士研究生，主要研究方向為金屬精密塑性成形彐《藝及數(shù)值模擬、模具使用

壽命分析。

形零件采取精沖成形加工方法，帶齒的精沖件也越來越多。然而，在實際齒形零件精沖生產(chǎn)中，齒頂部分常會出現(xiàn)塌角大、撕裂等缺陷，塌角和撕裂會直接影響齒形零件的工作強度和有效嚙合尺寸，甚至需要進一步的機械加工才能使零件達到尺寸精度要求2]。

角和撕裂形成的原因。

2有限元建模

以下利用Deform一3D軟件建立三維數(shù)值模擬模型，對齒輪的精沖過程進行計算機數(shù)值模擬，對比分析精沖過程中齒根、齒頂變形區(qū)的應力、應變狀態(tài)，并與實際精沖零件進行對比，探究齒頂部分塌齒輪零件如圖1所示，材料為45鋼，齒形為標準漸開線齒形，模數(shù)m：2mm，壓力角。：20。，齒數(shù)z： 19?？紤]到齒輪零件的對稱性，為節(jié)約模擬時間， 上件與模具均取一個齒形進行模擬研究，精沖模型如圖2所示。板料為直徑Omm的圓盤狀坯料，厚度為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10kN,凸模壓入速度為6mm/s，單邊沖裁間隙為0．03 mm，摩擦因數(shù)取0，12。

圖1 齒輪零件

圖2齒輪零件精沖模型

將板料設為彈塑性體，凸模、凹模、壓板、反頂器為剛體。由于模具間隙小，精沖中板料的塑性變形集中在狹小的范圍內(nèi)進行，將凸模刃口和板料接觸區(qū)域的網(wǎng)格進行細化，在提高效率的同時保證模擬精度，網(wǎng)格局部細化效果如圖3所示。模擬過程采用網(wǎng)格自適應技術，根據(jù)應變梯度和表面曲率自動對單元進行細化。

2，2韌性斷裂準則

圖3網(wǎng)格局部細化效果

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

式中：C*．一一一材料的臨界破壞值丿一一．．斷裂時的 女應變； 等效應變；伊*一一最大主應力；伊 等效應力：d一一一等效應變增量。

當c* = 0成立時，認為材料發(fā)生了斷裂。采用單元消除的方法處理模擬過程中的斷裂問題，即當某單元的等效應變滿足此式時，將該單元從模型中消除，在以后的計算中該單元剛度為零。

3模擬結(jié)果分析 3，1靜水應力分析

精密沖裁實現(xiàn)的一個必要條件是在剪切變形區(qū)內(nèi)要有足夠人的靜水壓應力，從而抑制沖裁過程中裂紋的產(chǎn)生和擴展，避免破裂，使塑性變形貫穿整個沖裁過程，從而得到斷面質(zhì)量較高的制件閻。齒輪的塑性變形區(qū)域集中在狹窄的凸模一凹模刃口連線附近，此處靜水應力場的分布區(qū)域和數(shù)值人小將決定齒輪精沖質(zhì)量的好壞。

齒輪零件輪廓形狀復雜，模擬發(fā)現(xiàn)，齒頂、齒根處具有不同的應力應變狀態(tài)，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力狀態(tài)。表1所示是凸模行程分別為2．5、4．0、5，0、6．Omm時齒根、齒頂處的靜水應力分布。

齒根 齒頂 齒圈剖切面剖切血 壓痕

圖4齒根、齒頂剖切面位置

模具工業(yè)2014年第40卷第2期

由表1中的云圖可見，板料剪切變形區(qū)基本上始終處于靜水壓應力狀態(tài)，齒根部位的最大靜水壓 應力出現(xiàn)在凹模刃口附近，齒頂部位的最大靜水壓應力出現(xiàn)在凸模刃口附近。隨著凸模下行，板料剪切變形區(qū)的靜水壓應力逐漸減小，這是凸模切入板料后相對間隙逐漸減小的緣故。對比齒根、齒頂處變形區(qū)的靜水應力分布情況發(fā)現(xiàn)：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，在隨后的變形過程中，齒根處靜水壓應力明顯大于齒頂處，并且在齒根處整個板厚范圍內(nèi)均處于壓應力狀態(tài)，而齒頂處被凹模剪切過的己變形的部分存在拉應力。

表1靜水應力分布

齒根部位靜水應力 齒頂部位靜水應力

6．0

應丿

If,'應丿/MPa

2000刁630刁250 ·875 巧00 25 250 625 10（

模擬發(fā)現(xiàn)，沖裁過程開始后齒頂處的塌角在凹模側(cè)開始形成，達到一定程度后在沖裁過程中基本保持不變，而齒根處始終沒有明顯的塌角。究其原因，這是由齒輪零件的外形輪廓決定的，塌角是精沖時板料剪切變形區(qū)的材料隨凸模刃口向工們剪切面轉(zhuǎn)移而形成的，具有一定的寬度和深度回。齒 輪的齒頂類似于懸臂，材料轉(zhuǎn)移涉及的區(qū)域重疊，使得齒頂部位的塌角較人。根據(jù)塑性變形體積不變的原則，齒頂處對應的廢料塌角較小，同理，內(nèi)凹的齒根部位塌角較小。

齒根部分輪廓內(nèi)凹，由于模具對材料的約束而產(chǎn)生的應力可以提高此處的靜水壓應力，另外塌角形成后齒頂塌角處反頂器與零件不能接觸，這就使得反頂力不能直接施加到塌角后面的精沖斷面上，

巧

造成此處靜水壓應力不足，這在表1中得到了體現(xiàn)，再加上齒頂處己變形部分存在拉應力的作用，不能很好地控制撕裂的產(chǎn)生和擴展，因此齒頂尖角部位容易產(chǎn)生撕裂而齒根部位完好。

3，2應變分析

圖5所示為沖裁結(jié)束后齒頂和齒根處的應變分布云圖，由圖5可見，從塌角側(cè)到毛刺側(cè)應變逐漸增大，越靠近沖裁面應變值越大，這是因為在沖裁過程中，塌角側(cè)的材料先完成變形，此時材料的變形程度最低，隨后變形程度逐漸增大，到毛刺側(cè)變形程度達到最大。齒頂處應變值大于1的區(qū)域最大寬度為1.3 mm，齒根處為0，53mm，齒頂處應變區(qū)的寬度超過齒根應變區(qū)的2倍，這是因為齒頂為尖角部分，輪廓線長，其變形區(qū)域在此處疊加，從而使變形區(qū)較寬。

等效應變

5．00

4，00

3 00

2．00 L00

o．000

（a）齒頂處應變分布云圖等效應變

6．00

5 00

4．00

3，00

2．00 1，00

o，000

（b）齒根處應變分布云圖

圖5齒頂、齒根處應變分布云圖

圖6為試驗精沖零件齒頂和齒根變形區(qū)的硬度分布曲線，曲線顯示了在離沖裁面不同距離的斷面上，從塌角側(cè)到毛刺側(cè)不同板厚處的硬度人小（試驗力I N，保壓時間巧s），山圖6可見，從塌角側(cè)到毛刺側(cè)硬度值逐漸增大，這是因為精沖零件從塌角側(cè)到毛刺側(cè)變形程度逐漸增人。不同斷面上的硬度

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變化趨勢相似，越靠近沖裁面硬度值越大。對比圖 6（a）、（b）可知，齒頂硬化區(qū)的寬度大于齒根硬化區(qū)的寬度，在離沖裁面相同距離的斷面上，齒頂剪切區(qū)的硬度比齒根處的大，這與圖5所示的應變分布相吻合。如圖6（a）所示，在齒頂剪切區(qū)距離沖裁面 0·巧mm的斷面上，靠近毛刺側(cè)邊緣處的維氏硬度增至近400Hv，幾乎是基體硬度（188 ·4HV）的2倍。

硬度HV

（a） 齒頂處剪切區(qū)硬度分布

2傭250 3傭350 4開

硬度HV

（b） 齒根處剪切區(qū)硬度分布

圖6齒頂、齒根處變形區(qū)硬度分布

由以上分析可知，沖裁面附近的剪切區(qū)材料加工硬化現(xiàn)象嚴重，并使韌性降低，尤其是齒頂部位 容易達到材料的成形極限，同時材料中處于沖裁面 模具工業(yè)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，都會引起沖裁面的撕裂。

4結(jié)束語

（1)隨著沖裁過程的進行，板料剪切變形區(qū)的靜水應力逐漸減小，齒頂處變形區(qū)的靜水應力小于齒根處。齒輪零件外形輪廓導致齒頂處有大的塌角，小的靜水應力和己變形部分存在的拉應力使得齒頂部位容易產(chǎn)生撕裂。

（2）從塌角側(cè)到毛刺側(cè)應變逐漸增大，越靠近沖裁面應變值越大，齒頂處應變區(qū)的寬度是齒根處的2倍多。試驗精沖所得零件齒頂和齒根剪切區(qū)的硬度分布曲線與應變分布云圖相吻合。嚴重的材料加工硬化使得齒頂部位容易達到成形極限，同時分離面上很小的缺陷都會造成撕裂。

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