摘要：運用DEFORM軟件對螺旋（xuán）錐齒輪的熱鍛壓過程進行數值模擬，建立包含齒輪毛坯和上下模的數值模擬模型,通過觀察分析齒輪毛坯熱鍛壓過程中應力（lì）、應變的（de）分布變化，得（dé）到材料流動受阻後（hòu）可能出現的開裂或重疊以及工件流動過程中應（yīng）力、應（yīng）變的分布情況。這對（duì）螺旋錐齒輪熱鍛壓在實際生產中的（de）運用具（jù）有深遠的意義，為鍛壓工藝設計提供了較好的指導作用。

 
      有限元法是上世紀五（wǔ）十年（nián）代出現的一種高效的數值計算方法，它（tā）是計算機科學和力學完（wán）美結合的產物。隨著計（jì）算機（jī）技（jì）術的發展，使用有限元數值模擬方法模擬金屬的塑性變形在實際（jì）生產中得到了越來越廣泛的應用，利用數值模擬工具可以縮短產品的開發周期，降低生產（chǎn）成本，為企業創造更大的價值[1-6]。

      本文的研究（jiū）內容主要是：通過DEFORM軟件建立包（bāo）含齒輪毛坯和上下模（圖1-3） 的熱鍛壓仿真模型（xíng）。根據齒輪熱鍛壓的工藝過程和工藝參數（shù），分析鍛造過程中毛坯的（de）塑（sù）性變形，預測齒輪的應力、應變等參數的變化情況。

                                      圖1 汽（qì）車從動錐齒輪上模

                              圖2 汽車從動錐齒輪下（xià）模

                                   圖3 汽車從動錐齒（chǐ）輪毛坯

        1 、DEFORM-3D軟件簡介[7]

      DEFORM-3D是由美國Battelle Columbus實驗（yàn）室在上世紀八十（shí）年（nián）代開發的一款有限（xiàn）元分析軟件，能夠用於（yú）分析熱（rè）力耦合非等溫變（biàn）性和三維變形問題（tí）。

       DEFORM-3D由前處理器（qì）、模擬（nǐ）處（chù）理器和後處理器三大（dà）模塊組成。

      前處理器包括三個子模（mó）塊：（1） 數據輸（shū）入模塊；（2） 網格的自（zì）動劃分與自動再劃分模塊；（3） 數據傳遞模塊。

      真正的有限元分析過程是（shì）在模擬處理器中完（wán）成的。DEFORM運行時，首先通過有限元離散（sàn）化將平衡方程，本構（gòu）關係和邊界條件轉化為非線（xiàn）性方程組，然後（hòu）通過直接迭代法和Newton-Raphson法進行求解，求解的結果以（yǐ）二進製的形式進行（háng）保存，用戶可在後處理器中獲取所需要的結果，可獲取的（de）結（jié）果有：（1） 有限（xiàn）元網（wǎng）格；（2） 等效應力、等效應變以及破壞程（chéng）度的分布圖；（3） 速度場；（4） 溫度場；（5） 壓力（lì）行程曲線（xiàn）等。此外用戶還可以列點進（jìn）行跟蹤，對個別點的（de）軌跡，應力（lì），應變，破壞程度進行跟蹤觀察，並可根據需要抽取數據。

     2、對螺（luó）從齒熱鍛壓過程的（de）有限元分析

     2.1運用DEFORM軟件進行（háng）損傷分析

     用DEFORM-3D軟件模擬螺從齒的熱鍛（duàn）壓過程，然後進行有限元分析。圖4中顯示了熱鍛壓過程中螺從齒的損傷情況：熱塑性變形時工（gōng）藝損傷發生（shēng）聚積，鋼熱鍛壓後，沿晶分布微孔，顯著地降低金屬的持久性，導致顯微敞陷的形棱和（hé）長大，產生內應力（熱應力、相變應力）。若（ruò）局部內應力超過了金屬的強度，那麽金屬（shǔ）的連續性就受到破（pò）壞。在模擬中可以看出（chū），螺從齒外環結構（gòu）的外側表層的損傷率最（zuì）大，損傷率在0.500～0.650之間，而外環結構的上表層和（hé）底部損傷較小，損傷率在0.350～0.450 左右（yòu），並且呈現（xiàn）出規律性（xìng）：越靠近內部（bù）凹麵結構的薄層（céng）的部位，材料的損傷越小， 在齒輪的內側凹（āo）麵的薄層（céng）處， 僅僅有0.110～0.150的損傷率。損傷（shāng）參數D=0.80作為破碎區的邊界，因（yīn）此零件所有的（de）部位都沒（méi）有（yǒu）受到破碎損傷。

                        圖4 齒輪模型在（zài）熱鍛壓後的損傷分布圖

   
     可以得出的結（jié）論是（shì）：越靠近齒輪中間凹麵結構（gòu）的薄（báo）層（céng）的部位，損傷越小，而齒輪環狀的結構損傷最大，在0.600左右（yòu），材料的損（sǔn）傷率沿著螺從齒的表麵由外到裏遞減，到齒輪中間凹麵結構損傷率最小，隻有0.125左右，而且零件所有的部位都（dōu）沒有受到破碎損（sǔn）傷。

     2.2齒輪模型在熱鍛壓後的表（biǎo）麵壓力分析（xī）

     運（yùn）用DEFORM-3D對螺從齒鍛壓過程進行數值模擬，可以得到從鍛壓開始到結束金（jīn）屬材料在鍛壓模腔中的流動情況，圖5中截（jié）取了齒輪毛坯在（zài）鍛壓過程中第80、135、152和166步時（shí）的金屬流動速度矢量圖，圖5（a） 為鍛壓開始不久時的材料流動（dòng）情況，圖5（b）、（c） 為鍛壓中間階段的材料流動情況，圖5（d） 為鍛壓快結束時的材料流動情況（kuàng）。通過DEFORM-3D軟件可以很直觀的觀察整個鍛壓過程金屬材料的流動方向和速（sù）度，為鍛壓模（mó）具的設計及鍛壓設備的選型提供指導。

               圖5 齒輪模型熱鍛壓過程金屬流動的分（fèn）布圖
  

     模擬（nǐ）螺從齒（chǐ）的熱鍛壓後，通過有限元分析對金屬坯料表層壓力情況進行觀察，如圖6所（suǒ）示，可以（yǐ）發現（xiàn）螺從齒的表麵壓力的分布。對於塑性材料（liào），常以屈服（fú）極限或屈服強度為強度計算時的極限應力。當應變繼續增加，塑（sù）性變形抗（kàng）力也增加，出（chū）現應變強化階段（duàn）。當應力達到強度（dù）極限時，因局部塑性失穩（wěn），中心處於三向拉應力狀態，限製了塑性變形的發展，中心部分開始出現微孔（kǒng）和微裂紋，發展成宏觀圓形裂（liè）紋。

                            圖6 螺從齒的表麵壓力的分布
   

     螺從齒毛坯外環結構的（de）上下表麵以（yǐ）及側麵的壓力都在70 MPa左右，而從正麵看，金屬毛（máo）坯的壓力從外到內（nèi）不斷遞升，第一層階梯平麵和側麵的壓（yā）力在95 MPa左右，到第二（èr）層（céng）階（jiē）梯的側（cè）麵，表麵壓力升至100 MPa，在從齒（chǐ）輪凹（āo）麵的薄層處壓力達到了（le）110 MPa。特別值得留意的是，在每個階梯的轉折（shé）處（chù）壓力都會呈不規律（lǜ）的突變（biàn），達到130 MPa。

                       圖7 螺旋錐（zhuī）齒輪鍛壓（yā）後實物
   

     可以得（dé）出的結論是（shì）：在階梯的轉折處材料（liào）表麵的壓力最大，其次是坯料（liào）中間凹麵的薄層處。在這些部位具有宏觀圓形裂紋。
 
 
     3、結論

     利用DEFORM-3D有限元分（fèn）析軟（ruǎn）件，可以有效地預測螺從齒的損傷（shāng）、應力、應變及壓力（lì）等參數的變化情況，以便對坯料強度、產品質量（liàng）特別是（shì）端部裂紋缺陷等進行分（fèn）析和（hé）有效控製，為生產工藝設計提供了較好（hǎo）的指導作用。