齿轮模具设计及有限元仿真研究

模具是工业生产上通过注塑、吹塑、挤出、压铸、锻压成形、冶炼、冲压等成形方法获得所需工业产品的各种模子和工具的统称。齿轮作为重要的传动件，在各行各业中得到了广泛的应用。齿轮成形按加工方式分为无切削加工和有切削加工两大类，其中无切削加工主要包括热轧、冷轧、精锻、粉末冶金等新成形工艺，该类成形方式需要齿轮模具；有切削加工主要包括成形法和展成法等成形方式。齿轮模具是齿轮制造成形过程中的重要组成部分，直接影响齿轮成形精度和疲劳寿命，因此对齿轮模具进行相关研究显得尤为必要。基于其他学者对齿轮成形模具的研究，以某齿轮模具为研究对象，运用模具建模软件UG对齿轮模具进行设计，运用有限元仿真软件ANSYSWorkbench对设计的齿轮模具进行有限元仿真，为齿轮模具优化设计及仿真分析提供参考。

1模锻齿轮分析

（1）齿轮结构特性研究对象为某带偏心轴的直齿圆柱齿轮，该类齿轮广泛应用于煤矿机械、汽车、工业品生产机械设备中，带偏心轴的直齿圆柱齿轮主要用于实现特殊轨迹的齿轮传动系统中，要求传动平稳可靠、齿轮精度高、振动噪声小。带偏心轴的直齿圆柱齿轮三维模型及主要二维尺寸如图1所示。为了获得图1所示的带偏心轴的直齿圆柱齿轮，需要对齿轮材料和模锻模具材料进行选型和分析，同时对齿轮模锻成形模具进行精确设计和优化。（2）齿轮及模具材料选型及特性根据带偏心轴的直齿圆柱齿轮形状，结合齿轮实际使用工况，选取齿轮精度为7级，齿轮要求有较高的强度和刚度，综合力学性能和耐磨性优良，自润滑性好，耐疲劳和耐热性好。选取齿轮模锻坯料材料为40Cr，模锻模具材料为H13模具钢，齿轮及模具材料特性如表1所示。

2齿轮模具设计

为了提高加工效率及保持模锻力均衡，在模具设计中考虑同时加工2件带偏心轴的直齿圆柱齿轮，比单件加工生产效率提高了1倍。齿轮模锻模具主要由模锻上模、定位销、模锻下模等零部件组成，运用专业三维模具建模软件UG建立由模锻上模、定位销、模锻下模等零部件组成的直齿圆柱齿轮模锻模具三维模型如图2所示。根据图2，结合模具设计原则和工作原理，得到带偏心轴直齿圆柱齿轮模锻模具的主要二维尺寸如图3所示。

3有限元建模及工况添加

将所建立的齿轮模具三维装配模型保存为可被有限元软件识别的中间格式，建立齿轮模具有限元仿真网格模型如图4所示。由图4可知，在齿轮模具有限元仿真网格模型中有2297360个单元，3205316个节点。在齿轮模具有限元仿真模型中，对模锻上模加载40MN的模锻力，下模做固定约束；设置上下模具接触摩擦因数为0.12，接触因子为1.0，最大渗透量为0.1。

4仿真结果与分析

根据所建立的齿轮模具有限元仿真模型，采用有限元仿真软件ANSYSWorkbench进行数值计算，仿真得到齿轮模具在实际工况下的等效应力分布如图5所示。图5齿轮模具在实际工况下的等效应力分布由图5可知，在实际工况下，齿轮模具的等效应力主要分布在下模底部四周边缘，最大等效应力为872.16MPa，最大等效应力对应齿轮模具材料H13屈服强度1075.6MPa的安全系数为1075.6/872.16=1.233，设计强度可以满足齿轮模具使用要求。仿真得到齿轮模具在实际工况下的等效弹性应变分布如图6所示。由图6可知，在实际工况下，齿轮模具的等效弹性应变主要分布在下模底部四周边缘，与等效应力分布一致，最大弹性应变为0.0046964，可以满足齿轮模具使用要求。

5结语

为了获得综合力学性能和疲劳寿命长的齿轮模具，以某带偏心轴的直齿圆柱齿轮为研究对象，基于UG设计齿轮模锻模具，建立齿轮模具的三维装配模型，导入有限元仿真软件ANSYSWorkbench中进行强度校核。通过对齿轮模具进行设计，获得齿轮模锻成形的模具系统，为齿轮模锻生产提供参考；对设计的齿轮模具进行强度校核，验证模具设计的合理性，从而节约模具试验成本。该研究可为齿轮模具设计和仿真分析提供重要的参考。

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作者:赵利民 任云晖 单位:扬州工业职业技术学院