基于数值模拟的多楔带轮的内筒端面瓣齿成形模具设计

作者： 吴超，解贵华等

端面齿啮合传动是将两个轴连接在一起，其特征在于锥形齿在每个半轴的端面上啮合在一起，最先应用于航空发动机的复杂曲轴零件，通过齿面啮合连接的方式，输出来自中央驱动齿轮的扭矩，由此把具有非常高扭矩负荷转移到曲轴外壳。常见端面齿联轴器的齿形结构多设计成60°或90°锥形，通过所有齿端面啮合在一起，由于该种接头方式是自定心的，扭矩传动过程中不发生延迟，故端面齿啮合接头被用于非常高转速的涡轮机，扭矩输出端一侧多连接钢制轴结构、齿盘、机械转子、皮带轮以及曲柄等配套零件。与齿轮传动不同，端面齿啮合传动的关键特征是接连处的受力面是锥形齿面，故只需螺栓固定或通过对外部壳体施加弹簧压力来施加一个轴向载荷，使齿面啮合结构收紧，从而不会产生反弹，这种不反弹也减少了磨损，且当出现微磨损导致松动时，为避免跳齿，可通过拧紧固定螺栓等方式达到恢复齿面啮合紧度。当力矩达到15000kN·m 时，可以实现无磨损传递。

带端面瓣齿结构的多楔带轮多用于发动机曲轴扭转传动系统中，其工作原理与端面齿联轴器相似，而瓣齿结构不同于锥形齿形对称结构，该类齿形结构较为复杂，不同于以往的的车削成形，多采用闭式模锻通过一次冲压成形，由于传动系统的精准度和稳定性要求较为严格，故对端面瓣齿结构的表面质量和尺寸精度提出很高的要求。

零件工艺分析

本次以发动机传动系统中的某多楔带轮为研究对象，其主要特征是包括内筒端面瓣齿、外壁多楔齿、腹板三部分，具有端面瓣齿多楔带轮的三维零件图如图1 所示，采用闭式模锻一次成形内筒端面瓣齿的复杂结构，由于实际生产过程中存在成形吨位过大且端面瓣齿表面质量差等缺陷，工艺过程要求内筒端面瓣齿成形载荷控制在600kN 左右，内筒端面瓣齿结构及尺寸如图2 所示。本次主要研究内容：针对零件局部结构成形的特殊性，设计成形模具并根据成形结果进行模具结构优化，保证端面瓣齿结构成形饱满和成形质量满足要求。

图1 带端面瓣齿的多楔带轮零件

图2 内筒端面瓣齿结构尺寸

根据该零件整体结构尺寸和端面瓣齿结构的成形尺寸要求，选择厚度为4.5mm 的板坯按体积不变原则落料，经几道次的冲压成形得到端面瓣齿成形前的冲压预制坯，预制坯结构及尺寸如图3 所示。

图3 冲锻预制坯结构尺寸

有限元模型建立

根据零件内筒端面瓣齿多楔带轮零件的结构特征和成形工艺选择，设计成形模具，通过固定模将坯料自由端通过锁模力固定在下模座上，由于瓣齿结构成形力较大，为了避免板坯外缘发生翘曲，模拟过程将锁模力定为500t，上模与坯料接触区域为材料主要变形区，上模的运动速度为50mm/s，成形过程为冷成形，摩擦系数设为0.12，采用Deform-3D 软件的网格局部细化功能，能有效模拟出复杂结构的金属成形过程以及变形区金属流动情况，有限元模拟模型如图4 所示。坯料选用材料库Steel 中的AISI-1008，坯料总网格数为200000 个，并对变形区坯料进行网格细化（图5）。

图4 模拟

图5 坯料局部网格细化示意图

模拟结果分析

根据Deform-3D 有限元仿真软件，得到内筒端面瓣齿的成形结果，通过对成形过程中不同阶段点接触情况分析可得，成形过程中上模与预制坯内筒端面材料均匀接触，如图6(b) 所示，接触点分布情况与瓣齿结构一致。

图6 成形过程点接触情况

根据内筒端面瓣齿成形过程中的等效应变云图可知，成形过程中，上模瓣齿成形结构面与坯料接触过程中的材料应变相对较小，当上模与预制坯内筒端面近乎完全接触时，随着成形力的增加，相对难成形区的结构逐渐成形，瓣齿前端和末端处对应上模端面两侧，在变形后期，材料累积应变较大，如图7(c) 所示。

图7 端面瓣齿成形应变分布图

内筒端面瓣齿的成形结果如图8 所示，瓣齿成形较为清晰，对该结构尺寸进行测量，齿深度为1.67mm满足要求，但零件表面存在毛刺，毛刺分布位置为瓣齿的前后两端，因为图9 所示的成形载荷曲线存在一段陡增，且成形力最大为652t，故该组模拟结果存在可优化空间。

图8 端面瓣齿成形结果

图9 成形过程载荷分布曲线

成形结果优化

端面瓣齿的成形过程中对于材料流动的控制最为关键，材料流动较好则瓣齿成形清晰，反之，则端面瓣齿成形不足且有毛刺，最初设计的下模成形面为平面结构，由于瓣齿结构的内密外疏的分布特征，内侧金属流动贴合上模结构较为困难，若该处结构材料流动受阻，会伴随着成形载荷的上升，所以根据实际情况将下模成形面设计成带斜度的结构，在其他参数一致情况下，设计两组成形模拟，其倾角分别为1°和1.5°的斜面。

图10 下模成形面

图11 端面瓣齿模拟优化结果

图12 优化后的成形过程载荷分布曲线

图13 端面瓣齿成形

优化后的两组内筒端面瓣齿的成形结果如图11所示，齿形清晰，尺寸合格，但后期需要对瓣齿成形另一侧进行车削得到合格平面。以上两组的成形载荷较第一组下降明显，零件成形载荷最大值为393t，故针对这类端面瓣齿结构的曲轴带轮成形，1.5°的下模成形面倾角较好。后期根据模拟结果加工模具，对零件进行试制，其成形结果与模拟结果较为吻合，零件实物如图13 所示。

结论

⑴对于具体零件局部结构的一道次成形，可采用闭式模锻，其成形效果较好且效率更高。

⑵模具的设计需考虑零件结构的特殊性，合理设计模具，一定程度上能较好的提高零件的成形质量。

⑶结合有限元模拟软件对成形过程进行仿真，并根据成形结果合理的进行模具优化，可更好的实现具体零件的成形。

——本文选自《锻造与冲压》2018年第23期