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摘要：基于Deform-3D建立内齒轮挤压有限元模型，探讨了模拟参数的设置，对成形过程进行了数值模拟。从后处理器处获得了成形过程中的等效应力和应变云图；分析了行程载荷曲线和金属的流动速度。
关键词：内齿轮；有限元模型；Deform-3D；数值模拟
前言
通常，设计挤压模具前，进行挤压的有限元仿真，将能节省设计周期，预测可能的缺陷，防止返工遭成的经济损失。图1是经简化的需挤压加工的内齿轮零件图，外径60mm，高20mm，内齿轮深8mm。材料10钢，采用冷挤压。设计挤压模具时，需知道应力和应变及挤压过程中可能存在的缺陷。为此，基于Deform-3D对挤压过程进行了有限元仿真。
1 内齿轮挤压三维建模
齿轮参数：m=3，z=14
用solidworks绘制挤压上模、下模和工件三维图，并组装成装配体，如图2所示。保存为stl格式，获得如图3所示的文件形式。
2 齿轮成形挤压的前处理
2.1 导入工件、上模和下模
由图3选择工件，选择“Workpiece”点击“GEOMETRY”和“Import”，选择图3中的“z1-workpiece-1”，将工件导入系统里面。
由图3选择“上模”“TOP DIE”，单击 “GEOMETRY”，进入选择三维模型。单击“Import”，选择图3所示的“Block_TopDie.STL”，也即是“z1-t1-1”。用同样的方法选择下模，也即是“z1-b1-1”。
2.2 设置材料及网格划分
选择“block”，单击“material”选项，本次选择“steel”“AISI1010，COLD”。单击 “mesh”选项，在“Number of Element”中输入划分的网格个数32000，单击“预览”，在确定网格无误后，单击“应用”选项生成网格。
2.3设置模拟的其它参数
设置的总步数100步，每10步自动保存一次。每步增量0.08，给定运行的速度为1。
在Inter-Object对话框中添加接触关系。设置定义对象之间的关系，包括摩擦、对象之间的传热等。首先定义上模与工件间的关系，摩擦系数取0.3，传热系数0.004，然后，把这种关系复制给下模和工件。
检查是否可以生成数据。当出现Database can be generated时，说明数据生成成功，点击按钮Generate生成数据库，然后保存并退出。
3 后处理及结果分析
3.1 行程载荷曲线分析
经过DEFORM-3D得到的模拟计算，从后处理器处可以得到如下x、y、z三个方向的载荷分布图。从图4中可以看出，当上模的向下运动初期，水平方向挤压载荷增长的缓慢，且数值不大。。随着上模不断的下压，坯料与下模套紧密接触，并开始逆向流动。这时水平方向挤压载荷持续增长，行程结束前达到峰值，接近终了时，水平方向挤压载荷明显降低，其原因是要克服的金属变形抗力的载荷降低了。
从图5中可以看出，当从0时刻起，轴向力刚开始发生剧烈变化，曲线很陡。随后经历一段缓增，直至增加到载荷为2.21e+006时趋于平稳，但是还是有所增加的，由于在挤压过程中主要是在z方向挤压，材料反向流动，坯料与下模内壁摩擦增加，因此z方向上所受的力一直增加至行程终了。
3.2 等效应力应变分析
成形过程中的等效应变云图如图6所示，最大等效应变达9.81。图7显示了等效应力云图，图中最大等效应力值671MPa。观察图中颜色变化知，底部应力值大，说明行程最后应力将达到最大。
3.3 金属的流动速度分析
随着上模的向下开始压入工件，金属材料流向四周开始扩散，坯料外圆面速度出现反同流动，符合反挤压的预期。坯料与上模端面接触处向下流动，齿形流线圆滑。
4 总结
通过以上仿真及结果分析，可以获得齿轮在成形过程中的最大应力值，这对设计挤压模具时，确定壁厚等参数提供了定量依据，可节约大量力学计算时间。同时行程载荷曲线、金属流动分析，为实际生产提供了参考，有利于提高齿轮的生产率。
参考文献：
[1]薛永栋，韩静涛.基于DEFORM的金属压力加工数值模拟[ J].冶金设备，2007，164（4）：34-36 .
[2]袁安富.细长梯形花键的挤压成型[ J].机械科学与科学，2008，27（10）：1149-1153.
[3]孙建，张水忠.基于DEFORM-3D 的离合块冷挤压工艺优化[ J].锻压技术，2009，34（5）：12-15.
[4]杨程，赵升吨，王军等.挤压筒摩擦对正挤压成形影响的研究[ J].锻压技术，2009，34（2）：38-39.
[5]陈军，张向，阮雪榆.金属三维挤压成形过程数值模拟的若干关键技术[J].中国有色金属学报，2002.12（6）：1119-1122.
[6]杜海威，刘凯泉，郭义. DEFORM 软件在加工制造业中的应用[J]. 一重技术，2008，23（3）：103-105 .
基金项目：贵州省科学技术基金项目（黔科合LH字[2014]7173号）
作者简介：蒙秉嵩，男，1963年出生，副教授，主要研究方向为机械制造及其自动化
关键词：内齿轮；有限元模型；Deform-3D；数值模拟
前言
通常，设计挤压模具前，进行挤压的有限元仿真，将能节省设计周期，预测可能的缺陷，防止返工遭成的经济损失。图1是经简化的需挤压加工的内齿轮零件图，外径60mm，高20mm，内齿轮深8mm。材料10钢，采用冷挤压。设计挤压模具时，需知道应力和应变及挤压过程中可能存在的缺陷。为此，基于Deform-3D对挤压过程进行了有限元仿真。
1 内齿轮挤压三维建模
齿轮参数：m=3，z=14
用solidworks绘制挤压上模、下模和工件三维图，并组装成装配体，如图2所示。保存为stl格式，获得如图3所示的文件形式。
2 齿轮成形挤压的前处理
2.1 导入工件、上模和下模
由图3选择工件，选择“Workpiece”点击“GEOMETRY”和“Import”，选择图3中的“z1-workpiece-1”，将工件导入系统里面。
由图3选择“上模”“TOP DIE”，单击 “GEOMETRY”，进入选择三维模型。单击“Import”，选择图3所示的“Block_TopDie.STL”，也即是“z1-t1-1”。用同样的方法选择下模，也即是“z1-b1-1”。
2.2 设置材料及网格划分
选择“block”，单击“material”选项，本次选择“steel”“AISI1010，COLD”。单击 “mesh”选项，在“Number of Element”中输入划分的网格个数32000，单击“预览”，在确定网格无误后，单击“应用”选项生成网格。
2.3设置模拟的其它参数
设置的总步数100步，每10步自动保存一次。每步增量0.08，给定运行的速度为1。
在Inter-Object对话框中添加接触关系。设置定义对象之间的关系，包括摩擦、对象之间的传热等。首先定义上模与工件间的关系，摩擦系数取0.3，传热系数0.004，然后，把这种关系复制给下模和工件。
检查是否可以生成数据。当出现Database can be generated时，说明数据生成成功，点击按钮Generate生成数据库，然后保存并退出。
3 后处理及结果分析
3.1 行程载荷曲线分析
经过DEFORM-3D得到的模拟计算，从后处理器处可以得到如下x、y、z三个方向的载荷分布图。从图4中可以看出，当上模的向下运动初期，水平方向挤压载荷增长的缓慢，且数值不大。。随着上模不断的下压，坯料与下模套紧密接触，并开始逆向流动。这时水平方向挤压载荷持续增长，行程结束前达到峰值，接近终了时，水平方向挤压载荷明显降低，其原因是要克服的金属变形抗力的载荷降低了。
从图5中可以看出，当从0时刻起，轴向力刚开始发生剧烈变化，曲线很陡。随后经历一段缓增，直至增加到载荷为2.21e+006时趋于平稳，但是还是有所增加的，由于在挤压过程中主要是在z方向挤压，材料反向流动，坯料与下模内壁摩擦增加，因此z方向上所受的力一直增加至行程终了。
3.2 等效应力应变分析
成形过程中的等效应变云图如图6所示，最大等效应变达9.81。图7显示了等效应力云图，图中最大等效应力值671MPa。观察图中颜色变化知，底部应力值大，说明行程最后应力将达到最大。
3.3 金属的流动速度分析
随着上模的向下开始压入工件，金属材料流向四周开始扩散，坯料外圆面速度出现反同流动，符合反挤压的预期。坯料与上模端面接触处向下流动，齿形流线圆滑。
4 总结
通过以上仿真及结果分析，可以获得齿轮在成形过程中的最大应力值，这对设计挤压模具时，确定壁厚等参数提供了定量依据，可节约大量力学计算时间。同时行程载荷曲线、金属流动分析，为实际生产提供了参考，有利于提高齿轮的生产率。
参考文献：
[1]薛永栋，韩静涛.基于DEFORM的金属压力加工数值模拟[ J].冶金设备，2007，164（4）：34-36 .
[2]袁安富.细长梯形花键的挤压成型[ J].机械科学与科学，2008，27（10）：1149-1153.
[3]孙建，张水忠.基于DEFORM-3D 的离合块冷挤压工艺优化[ J].锻压技术，2009，34（5）：12-15.
[4]杨程，赵升吨，王军等.挤压筒摩擦对正挤压成形影响的研究[ J].锻压技术，2009，34（2）：38-39.
[5]陈军，张向，阮雪榆.金属三维挤压成形过程数值模拟的若干关键技术[J].中国有色金属学报，2002.12（6）：1119-1122.
[6]杜海威，刘凯泉，郭义. DEFORM 软件在加工制造业中的应用[J]. 一重技术，2008，23（3）：103-105 .
基金项目：贵州省科学技术基金项目（黔科合LH字[2014]7173号）
作者简介：蒙秉嵩，男，1963年出生，副教授，主要研究方向为机械制造及其自动化