齒輪模具設(shè)計及有限元仿真研究

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模具是工業(yè)生產(chǎn)上通過注塑、吹塑、擠出、壓鑄、鍛壓成形、冶煉、沖壓等成形方法獲得所需工業(yè)產(chǎn)品的各種模子和工具的統(tǒng)稱。齒輪作為重要的傳動件，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。齒輪成形按加工方式分為無切削加工和有切削加工兩大類，其中無切削加工主要包括熱軋、冷軋、精鍛、粉末冶金等新成形工藝，該類成形方式需要齒輪模具；有切削加工主要包括成形法和展成法等成形方式。齒輪模具是齒輪制造成形過程中的重要組成部分，直接影響齒輪成形精度和疲勞壽命，因此對齒輪模具進行相關(guān)研究顯得尤為必要?；谄渌麑W(xué)者對齒輪成形模具的研究，以某齒輪模具為研究對象，運用模具建模軟件UG對齒輪模具進行設(shè)計，運用有限元仿真軟件ANSYSWorkbench對設(shè)計的齒輪模具進行有限元仿真，為齒輪模具優(yōu)化設(shè)計及仿真分析提供參考。

1模鍛齒輪分析

（1）齒輪結(jié)構(gòu)特性研究對象為某帶偏心軸的直齒圓柱齒輪，該類齒輪廣泛應(yīng)用于煤礦機械、汽車、工業(yè)品生產(chǎn)機械設(shè)備中，帶偏心軸的直齒圓柱齒輪主要用于實現(xiàn)特殊軌跡的齒輪傳動系統(tǒng)中，要求傳動平穩(wěn)可靠、齒輪精度高、振動噪聲小。帶偏心軸的直齒圓柱齒輪三維模型及主要二維尺寸如圖1所示。為了獲得圖1所示的帶偏心軸的直齒圓柱齒輪，需要對齒輪材料和模鍛模具材料進行選型和分析，同時對齒輪模鍛成形模具進行精確設(shè)計和優(yōu)化。（2）齒輪及模具材料選型及特性根據(jù)帶偏心軸的直齒圓柱齒輪形狀，結(jié)合齒輪實際使用工況，選取齒輪精度為7級，齒輪要求有較高的強度和剛度，綜合力學(xué)性能和耐磨性優(yōu)良，自潤滑性好，耐疲勞和耐熱性好。選取齒輪模鍛坯料材料為40Cr，模鍛模具材料為H13模具鋼，齒輪及模具材料特性如表1所示。

2齒輪模具設(shè)計

為了提高加工效率及保持模鍛力均衡，在模具設(shè)計中考慮同時加工2件帶偏心軸的直齒圓柱齒輪，比單件加工生產(chǎn)效率提高了1倍。齒輪模鍛模具主要由模鍛上模、定位銷、模鍛下模等零部件組成，運用專業(yè)三維模具建模軟件UG建立由模鍛上模、定位銷、模鍛下模等零部件組成的直齒圓柱齒輪模鍛模具三維模型如圖2所示。根據(jù)圖2，結(jié)合模具設(shè)計原則和工作原理，得到帶偏心軸直齒圓柱齒輪模鍛模具的主要二維尺寸如圖3所示。

3有限元建模及工況添加

將所建立的齒輪模具三維裝配模型保存為可被有限元軟件識別的中間格式，建立齒輪模具有限元仿真網(wǎng)格模型如圖4所示。由圖4可知，在齒輪模具有限元仿真網(wǎng)格模型中有2297360個單元，3205316個節(jié)點。在齒輪模具有限元仿真模型中，對模鍛上模加載40MN的模鍛力，下模做固定約束；設(shè)置上下模具接觸摩擦因數(shù)為0.12，接觸因子為1.0，最大滲透量為0.1。

4仿真結(jié)果與分析

根據(jù)所建立的齒輪模具有限元仿真模型，采用有限元仿真軟件ANSYSWorkbench進行數(shù)值計算，仿真得到齒輪模具在實際工況下的等效應(yīng)力分布如圖5所示。圖5齒輪模具在實際工況下的等效應(yīng)力分布由圖5可知，在實際工況下，齒輪模具的等效應(yīng)力主要分布在下模底部四周邊緣，最大等效應(yīng)力為872.16MPa，最大等效應(yīng)力對應(yīng)齒輪模具材料H13屈服強度1075.6MPa的安全系數(shù)為1075.6/872.16=1.233，設(shè)計強度可以滿足齒輪模具使用要求。仿真得到齒輪模具在實際工況下的等效彈性應(yīng)變分布如圖6所示。由圖6可知，在實際工況下，齒輪模具的等效彈性應(yīng)變主要分布在下模底部四周邊緣，與等效應(yīng)力分布一致，最大彈性應(yīng)變?yōu)?.0046964，可以滿足齒輪模具使用要求。

5結(jié)語

為了獲得綜合力學(xué)性能和疲勞壽命長的齒輪模具，以某帶偏心軸的直齒圓柱齒輪為研究對象，基于UG設(shè)計齒輪模鍛模具，建立齒輪模具的三維裝配模型，導(dǎo)入有限元仿真軟件ANSYSWorkbench中進行強度校核。通過對齒輪模具進行設(shè)計，獲得齒輪模鍛成形的模具系統(tǒng)，為齒輪模鍛生產(chǎn)提供參考；對設(shè)計的齒輪模具進行強度校核，驗證模具設(shè)計的合理性，從而節(jié)約模具試驗成本。該研究可為齒輪模具設(shè)計和仿真分析提供重要的參考。

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作者:趙利民 任云暉 單位:揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院