｜正齒輪齒形彈性補償冷鍛分流成形模擬分析

摘要：本研究提出一道次冷間鍛造分流成形來製作正齒輪。與傳統機械加工法中銑削、刨削，輪磨等製作程序相比，由於鍛造齒輪於齒形部位不需要作進一步的切割，因此可降低製造成本。採以上下沖頭複動化鍛造降低成形負荷，且利於齒形充填成形。在冷間鍛造變形模式中，材料受模具擠壓變形時，模具與材料接觸的表面受壓應力影響，輪廓產生彈性變形，齒輪鍛件成形後脫模，因應力釋放效應，促使齒形產生回彈變形，以上兩項彈性變形量將對鍛造齒輪的齒形精度及尺寸造成影響。針對冷間鍛造正齒輪提出齒形補償設計方法，考量預先設計之模穴齒形彈性變形量及鍛件齒形回彈量，以非標準漸開線修正齒形輪廓補償齒形彈性變形量，使鍛件脫模後能自動回復至標準漸開線輪廓。應用有限元素分析軟體DEFORM 3D來評估所提出的模具外形設計及模擬分流成形製程。由成形模擬分析結果可知本文所提出的齒形彈性補償法能成功預測成形過程所造成的彈性變形量，並完成齒形輪廓修整。再者，期望本文在產業及理論研究上，均能協助提升正齒輪的冷鍛近淨形技術。

Abstract: A one-step divided flow cold forging process is proposed to manufacture the spur gear. Compared to milling, routing and grinding wheel related to machining process, the manufacturing cost can be reduced in forging process without further material cutting on gear tooth shape. And multi-action forging method can virtually reduce the forming force results in better tooth forming. During the cold forging process, the elastic deformation of the die cavity and the elastic recovery of gear after unloading have a remarkable influence on the dimension of gear tooth. A compensational methodology of spur gear is developed to design the tooth-shape with considerations of elastic deformation and the non-standard involute curve modification. Therefore, the modified tooth shape is going to deform to the standard involute curve with a predicted elastic recovery and die elastic deformation. The variation of gear tooth curve of the spur gear is respectively plotted for the radial elastic expansion not only for tool but the gear shape. Three-dimensional FEM simulations in DEFORM-3D were carried out to evaluate the proposed die profile designs and validate the divided flow forging process. The theoretical predicted results of tooth profile and the finite element simulations show that the proposed tooth compensation method is capable of predicting the forming process and gear shape modifications. Furthermore, hope to improve near-net shape cold forging technology of spur gear not only industrial but theoretical.

關鍵詞：分流成形、齒形補償、DEFORM-3D

Keywords：Spur gear, Divided flow method, Tooth Compensation, DEFORM-3D

前言
以鍛造成形預成形件，再以機器加工出最終齒輪產品，是目前製作高精度正齒輪最普遍的製造程序。但由於其較長的加工製作時間及較低的得料率，因此材料成本高且須投資大量的加工設備的需求，使得整體製作成本無法符合經濟效益，進而降低市場競爭力。近年來發展溫、熱鍛造，搭配冷精整製作齒輪，已成為業界生產齒輪的主要之製程，目前國際以日本為例，齒輪鍛造精度已可達到≦JIS3級齒輪。然而以溫、熱鍛造技術，將使鍛件表面形成氧化層及脫碳層，而造成表面的品質不良，精度下降，造成齒輪後續運作嚙合時產生噪音。傳統的正齒輪冷鍛法是以實心圓柱形金屬進行鍛造，然而齒形充填不易，將造成過高的成形負荷，及齒形填補不均勻。此外，齒輪的品質及精度不易控制，且材料步留率相對較低。為了克服上述問題，研究主軸聚焦於發展正齒輪的冷鍛近淨形技術。國內外學者及廠商更積極投入發展分流成形製程開發，來改善不均勻的齒形充填，並延長模具工作壽命。

冷間鍛造齒輪齒形尺寸精度仍控制不易，非標準齒形輪廓修整設計工法及齒形回彈研究值得深入探討。模具設計牽涉到使用壽命，徐祥龍等人[1]分析標準齒形模具的齒輪成形，模齒頂處的磨損，大於齒面和齒根處，因此對齒形作修正，可使模具獲得均勻磨損的效果。K. Kondo等人[2]探討影響齒輪冷精鍛齒形精度之原因，只要受模具及鍛件脫模後之彈性變形所改變，冷鍛時模具及胚料皆受到很大的壓力且因面壓不均勻，則產生彈性變形，使齒形精度下降。王培郁等人[3]針對成形模式採取分流法搭配二次成形，模具設計以非完全閉模，留有空隙釋放充填壓力，以及齒底導圓，增加材料流動性。許源泉等人[4]探討內徑、外徑、應變硬化指數、材料強度係數及表面粗糙度等，對冷精鍛負荷的影響，其中摩擦係數越大，鍛壓成形所需的負荷也越高。濱家信一[5]運用CAE分析，對模具彈性變形，給予模具齒形補償，以提高齒面形狀精度；模具應力集中區域，也是容易發生模具破壞位置，因此修改模穴特徵，得到應力值下降。張清萍等人[6]提出了閉模鍛與向內分流法兩步成形方案，運用三維剛塑性有限元法模擬成形，確認有效降低成形負荷，而齒形充填良好。鄧陶勇等人[8]以有限元素分析方法研究齒輪鍛造過程之齒形彈性變形效應，考慮齒形模仁與脫模後的齒輪齒形彈性回復差異，套用高斯曲線擬合齒形輪廓上之節點以逆向設計方式補償齒形輪廓。張清萍[9]藉由改變模數進行模具齒形補償設計，以改善鍛造脫模後齒輪齒形彈性回復問題，考慮模具彈性變形量做為輪廓補償依據，以提升鍛造後齒輪精度。簡永泰等人[10]整合齒輪鍛造與齒形回彈效應等相關研究，內容歸納出鍛造齒形回彈補償設計探討，齒面機械加工修整技術，模具齒形模穴補償設計等架構，可作為齒形補償設計研究工程師的參考方向。

本研究主要以正齒形輪廓變形模擬補償設計做為主軸，設計冷鍛對稱分流成形製程、採複動化鍛造成形，材料使用SCM440，齒形為漸開線輪廓，模數為1，壓力角20°，齒數24，建立正齒輪近淨形產品的製造設計能力；本文中將探討分流成形與齒形彈性變形補償設計，並以有限元素分析模擬，驗證齒形補償結果與原漸開線齒形之尺寸差異。透過一道次分流鍛造成形製程設計與模擬，鍛造後齒面則不進行機械加工為目標，採逆向齒輪鍛件設計補償方式探討冷鍛齒輪產品的尺寸偏差，以大幅提升材料得料率，以利生產高精度齒輪鍛品。