基于環(huán)形坯料的直齒輪精鍛成形研究

文/楊程，趙升噸·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

章建軍·西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院

基于環(huán)形坯料的直齒輪精鍛成形研究

文/楊程，趙升噸·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

章建軍·西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院

齒輪精鍛工藝是指輪齒由坯料直接鍛出，齒面不需切削加工或僅需少許精加工即可滿(mǎn)足使用要求的齒輪制造技術(shù)。但由于齒形（特別是上下角隅處）充填困難，需要較大的成形力，易引起凹模型腔壁壓強(qiáng)過(guò)大，導(dǎo)致凹模開(kāi)裂，因此，分析圓柱齒輪成形的規(guī)律、改進(jìn)成形方式、降低成形壓力，是目前圓柱齒輪精鍛成形急需解決的問(wèn)題。

圓柱體鐓粗時(shí)坯料接觸面上的徑向壓力分布規(guī)律如圖1所示，坯料中部壓力最大。由此設(shè)想，采用環(huán)形坯料進(jìn)行成形，使精鍛時(shí)坯料只在外圈部分發(fā)生局部鐓粗而不是實(shí)心坯料的整體鐓粗，這樣由于坯料受力面積的減少，最終的成形載荷也就相應(yīng)降低。為此，本文設(shè)計(jì)了幾種采用環(huán)形坯料進(jìn)行齒輪精鍛成形的工藝方案，通過(guò)有限元模擬和試驗(yàn)方法分析了中心孔帶芯軸、中心孔自由分流和中心孔限制分流成形方法對(duì)成形的影響，獲得了不同成形方案下的流動(dòng)充型規(guī)律和對(duì)成形載荷的需求。結(jié)果表明，中心孔限制分流時(shí)，通過(guò)控制坯料在模腔中的流動(dòng)，可以采用較小的成形載荷獲得充填完好的工件，并能有效地節(jié)約材料。

圖1 圓柱體鐓粗時(shí)坯料接觸面上的徑向壓力分布

圖2 模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)和方案設(shè)計(jì)

齒輪精鍛成形時(shí)，工件尺寸由模腔保證。過(guò)大的成形載荷將會(huì)引起模腔變形，造成工件尺寸精度超差，甚至模具失效。為此，必須將成形載荷控制在合理的范圍內(nèi)?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了如圖2所示的模具結(jié)構(gòu)。上模和下模分別成形齒輪的上表面和下表面，為了方便金屬流入齒腔角部，在上下模設(shè)計(jì)了斜角。浮動(dòng)模采用齒形凹模的形式，用來(lái)成形齒輪的外形，同時(shí)為了方便金屬流入齒腔角部，浮動(dòng)模采用較輕的彈簧支撐，并可沿軸向自由移動(dòng)。芯軸用來(lái)成形齒輪的內(nèi)孔，這樣一個(gè)閉式的精鍛模腔就實(shí)現(xiàn)了。

擠出材料采用Al1100，擠壓速度為10mm/s，摩擦系數(shù)為0.12。成形的齒輪模數(shù)m=3mm，齒數(shù)z=18，厚度h=20mm。根據(jù)成形齒輪的體積，確定了如圖3所示的毛坯圖。在有限元模擬中，因?yàn)辇X輪為軸對(duì)稱(chēng)，故為了研究方便，取1/18作為研究對(duì)象。

圖3 毛坯圖

有限元模擬結(jié)果分析

速度場(chǎng)分析

如圖4所示為中心孔帶芯軸成形時(shí)縱切面的速度場(chǎng)分布。如圖4a所示，此時(shí)速度場(chǎng)與實(shí)心坯料自由鐓粗類(lèi)似，在上模的驅(qū)動(dòng)下，靠近上模一端金屬流動(dòng)速度快，軸線金屬沿軸線向下流動(dòng)，與下凸模接觸的金屬基本不流動(dòng)，其他部位金屬均包含著軸向壓縮運(yùn)動(dòng)和徑向充填運(yùn)動(dòng)。

從圖4b可以看出，隨著壓下量的增加，金屬向齒腔的充填也增多，由于坯料上下端面分別與上下模直接接觸，所以?xún)啥嗣嬉戎虚g部位受到的摩擦力大，這就影響了兩端面的徑向充填速度，所以從軸向截面看，外形從圓柱體逐漸變?yōu)橹虚g鼓形。

隨著變形量的進(jìn)一步增大，如圖4c所示，坯料繼續(xù)向齒腔流動(dòng)，中部將優(yōu)先充滿(mǎn)，并在上下模腔的角部形成斜角。

圖4d為終鍛時(shí)速度場(chǎng)的分布，此時(shí)上下角部也充填完畢，少量金屬被擠入模具縫隙中形成毛刺。

圖4 中心孔帶芯軸成形流動(dòng)分析結(jié)果

圖5 中心孔自由分流成形流動(dòng)分析結(jié)果

如圖5所示為中心孔自由分流時(shí)縱切面的速度場(chǎng)分布。如圖5a所示，此時(shí)速度場(chǎng)和環(huán)形坯料自由鐓粗類(lèi)似，在上模的驅(qū)動(dòng)下，金屬同時(shí)流向中心分流孔和齒腔，分流面大致位于環(huán)形坯料的中部。

圖6 中心孔限制分流成形流動(dòng)分析結(jié)果

隨著壓下量的增加，從圖5b可以看出，金屬依然同時(shí)向齒腔和中心分流孔兩個(gè)方向流動(dòng)，分流面依舊位于環(huán)形坯料的中部。同時(shí)由于坯料上下端面分別與上下模面直接接觸，所以?xún)啥嗣嬉戎虚g部位受到的摩擦力大，這會(huì)影響兩端面處金屬的徑向充填速度，故也出現(xiàn)鼓形。

如圖5c所示，隨著中心分流孔的縮小和齒腔的逐步充滿(mǎn)，坯料向兩個(gè)方向的流動(dòng)都更加困難，但由于兩個(gè)方向上的流動(dòng)阻力相當(dāng)，故分流面依舊位于環(huán)形坯料的中部。

圖5d為終鍛時(shí)速度場(chǎng)的分布，此時(shí)齒腔的上下角部處都已充填完畢，坯料均向中心分流孔處流動(dòng)。

圖6給出了中心孔限制分流方法下的金屬流動(dòng)分析結(jié)果。開(kāi)始階段，由于受到上下芯軸的限制作用，金屬大部分流向齒腔，少部分流入中心分流區(qū)，如圖6a所示。隨著壓下量的增大，中心分流孔迅速減小，向心流動(dòng)阻力更大，故大部分金屬流向齒腔、少部分流入中心分流區(qū)的趨勢(shì)會(huì)持續(xù)，如圖6b所示，分流面位于更靠近環(huán)形坯料中心的地方。隨著齒腔的逐漸充滿(mǎn)，如圖6c所示，流向中心分流孔的金屬增多，但同時(shí)由于上芯軸的壓下，中心分流孔越來(lái)越小，流入越來(lái)越困難，故而更多的金屬流入齒腔，分流面依舊位于更靠近環(huán)形坯料中心的地方。最后齒腔角部全部充滿(mǎn)，如圖6d所示，坯料都向中心分流孔處流動(dòng)，并在該處形成飛邊。

成形載荷分析

如圖7所示為不同模具結(jié)構(gòu)的載荷—行程曲線。從圖中可以看出，三種工藝方案的載荷—行程曲線具有相似的變化趨勢(shì)。中心孔帶芯軸的成形方式最先進(jìn)入打靠區(qū)，終鍛載荷為69.2kN；中心孔限制分流的成形方式稍后進(jìn)入打靠區(qū)，終鍛載荷為55.4kN；中心孔自由分流的成形方式最后進(jìn)入打靠區(qū)，終鍛載荷也最小，為52.5kN，相比較而言，其比中心孔帶芯軸成形的終鍛載荷下降了24.1％，比中心孔限制分流下降了5.2％，并且避免了這兩種成形方式在進(jìn)入打靠階段后載荷的急劇上升。中心孔限制分流成形時(shí)，終鍛載荷相比中心孔帶芯軸成形下降了19.9％，而和中心孔自由分流成形的終鍛載荷相近。

圖7 不同模具結(jié)構(gòu)的載荷—行程曲線

考慮到中心孔自由分流成形時(shí)，大量金屬流入中心分流孔處，需要在后處理中去除，無(wú)法達(dá)到精鍛的目的。而限制分流時(shí)，僅有少量金屬流入中心分流孔，后續(xù)處理工序簡(jiǎn)單，且兩者終鍛載荷相近，故本文采用中心孔限制分流的方案進(jìn)行進(jìn)一步的有限元分析和試驗(yàn)。

圖8是中心孔限制分流成形時(shí)，連皮厚度為4mm，芯軸直徑分別為25mm、20mm和15mm的載荷—行程曲線。從圖中可以看出，隨著芯軸直徑的增大，終鍛載荷有下降的趨勢(shì)，這說(shuō)明隨著接觸面積的減少，成形載荷也有下降的趨勢(shì)。

圖9是中心孔限制分流成形時(shí)，芯軸直徑為20mm，連皮厚度分別為3mm、4mm和5mm的載荷—行程曲線。由圖可見(jiàn)，隨著連皮厚度的增大，終鍛載荷下降，故隨著分流腔的增大，自由流動(dòng)空間增大，終鍛載荷有下降的趨勢(shì)，但是下降得并不明顯。

圖8 中心孔限制分流成形不同芯軸直徑的載荷—行程曲線

圖9 中心孔限制分流成形不同連皮厚度的載荷—行程曲線

試驗(yàn)研究

在試驗(yàn)室中對(duì)尺寸如圖3b所示的坯料進(jìn)行鍛造試驗(yàn)，坯料表面采用二硫化鉬進(jìn)行潤(rùn)滑，在國(guó)產(chǎn)3150kN液壓機(jī)上，當(dāng)工作載荷達(dá)到1560kN時(shí)得到如圖10所示的齒輪樣件。

從圖10a、b中可以觀察到，在模擬結(jié)果中中心分流孔尚未閉合，而試驗(yàn)樣件的中心分流孔接近閉合；在模擬結(jié)果中齒形上下角部完全充滿(mǎn)，而試驗(yàn)樣件的齒形上角部基本充填完畢，但下角部圓角較大。這是由于在有限元模擬中，浮動(dòng)凹模能實(shí)現(xiàn)自由浮動(dòng)，而在試驗(yàn)中，浮動(dòng)凹模雖然采用較輕的彈簧支撐，但成形過(guò)程中還是會(huì)對(duì)坯料產(chǎn)生向上的摩擦力，只能實(shí)現(xiàn)近似的自由浮動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)真正的自由浮動(dòng)，故呈現(xiàn)齒坯上角部充填情況較好，而下角部充填不是太理想，其余部分的齒形完全充滿(mǎn)的情況。這說(shuō)明，采用中心孔限制分流技術(shù)的精鍛成形能降低成形載荷，但對(duì)齒形角部的充填效果并不明顯。不過(guò)它仍然不失為一種有效降低成形載荷的方法，特別是對(duì)于成形載荷較大的場(chǎng)合，尤其有意義。

圖10 模擬結(jié)果和試驗(yàn)樣件

結(jié)束語(yǔ)

從有限元模擬結(jié)果可以看出，中心孔帶芯軸成形時(shí)，坯料流動(dòng)類(lèi)似于實(shí)心坯料成形；中心孔自由分流成形時(shí)，從一開(kāi)始金屬就分別流向齒腔和中心分流孔，由于向兩個(gè)方向的流動(dòng)具有大致相當(dāng)?shù)淖枇Γ史至髅嫖挥趦烧吡鲃?dòng)的中間，直到齒腔完全充滿(mǎn)，金屬流向中心分流孔；中心孔限制分流成形時(shí)，由于芯軸的阻礙作用，少量金屬流入中心分流區(qū)，更多的金屬流向齒腔，分流面靠近中心分流孔，這種趨勢(shì)一直保持到終鍛階段。

三種成形方式中，中心孔帶芯軸成形時(shí)終鍛載荷最大，中心孔自由分流成形時(shí)終鍛載荷最小，中心孔限制分流成形時(shí)終鍛載荷和自由分流相近。試驗(yàn)結(jié)果表明，中心孔限制分流成形能降低成形載荷，但由于浮動(dòng)凹模無(wú)法實(shí)現(xiàn)自由分流，故上角部充填較好，而下角部圓角較大。

楊程，講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗苄猿尚喂に嚺c設(shè)備。