倒錐結(jié)合齒精密鍛造成型工藝研究

鞠麗　金俊松　李文新

摘 要 研究一種倒錐結(jié)合齒精密鍛造成型工藝，以同步器結(jié)合齒圈為例，從產(chǎn)品出發(fā)，詳述熱鍛、冷精整、擠倒錐各工步設(shè)計(jì)方法，利用DEFORM 3D模擬分析各工步工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)述模具設(shè)計(jì)、加工方法，以及實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該注意的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)兩輪的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證符合設(shè)計(jì)預(yù)期，滿足產(chǎn)品要求。

關(guān)鍵詞 結(jié)合齒；倒錐結(jié)合齒；精密鍛造；DEFORM 3D；模具制造；五軸高速加工

中圖分類號(hào) TG37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）11-0072-02

為了防止變速器自動(dòng)脫檔，變速器中結(jié)合齒部越來(lái)越多的趨向于采用倒錐結(jié)合齒，倒錐角度一般為4°～7°，常用插齒和擠齒加工。插齒工藝中，從鍛造毛坯到粗車、精車、插齒、去毛刺、結(jié)合齒倒110°、銑端面油槽、熱后磨凸端面等，工序多時(shí)間長(zhǎng)。擠齒成形，即將加工出的直齒在專用設(shè)備上擠壓出倒錐，工序多擠齒刀具壽命極短。齒輪精密鍛造成形是一種近凈成型技術(shù)，可將結(jié)合齒部位直接鍛出免于加工，鍛造流線完整，齒部性能更優(yōu)。

1 結(jié)合齒產(chǎn)品分析

圖1是一款鎖環(huán)式雙錐同步器，其工作原理是：外摩擦環(huán)4和內(nèi)環(huán)6通過(guò)六爪連接，中間環(huán)5和結(jié)合齒圈7通過(guò)凸臺(tái)連接，換擋時(shí)滑動(dòng)齒套1在換擋力P的作用下與鎖止銷2脫離向左運(yùn)動(dòng)與外摩擦環(huán)4嚙合，外摩擦環(huán)4帶動(dòng)內(nèi)環(huán)6通同時(shí)壓向中間環(huán)5，中間環(huán)5的內(nèi)、外錐面均受到摩擦力矩的作用轉(zhuǎn)速迅速與外摩擦環(huán)4和內(nèi)環(huán)6趨同，在轉(zhuǎn)速相同的瞬間換擋力P帶動(dòng)滑動(dòng)嚙合套1順利地與結(jié)合齒圈7嚙合，完成換擋。

工作過(guò)程顯示在換擋時(shí)同步器結(jié)合齒圈不承擔(dān)傳動(dòng)功能，其齒部精度較傳動(dòng)齒輪精度要求低；為便于嚙合和防止脫檔，結(jié)合齒部有鎖止角α和倒錐角β。

2 精鍛工藝方案確定

根據(jù)同步器結(jié)合齒圈的功能要求，其精鍛件的主要特點(diǎn)為：1）齒部包括鎖止角α和倒錐角β均為非加工，其余部位有少量余量車削；2）齒部精度要求一般為IT8～I(xiàn)T9級(jí)，粗糙度為Ra3.2；3）齒部圓角極小，一般要求R0.25以下。

為滿足上述要求，并綜合考慮成形工藝和設(shè)備，最終將精鍛工藝確定為：

熱鍛→沖孔→毛坯軟化→表面潤(rùn)滑→冷精整 倒錐。

3 工步圖設(shè)計(jì)及精鍛模具設(shè)計(jì)

1）冷鍛件圖設(shè)計(jì)。冷鍛件圖是在成品圖基礎(chǔ)上，在上下端面、內(nèi)外圓等位置加量0.5mm～1mm。齒部保持產(chǎn)品尺寸并適當(dāng)調(diào)整，增加鍛造圓角，凸圓角R0.25，凹圓角R0.5。鍛出齒部鎖止角、倒錐角。

2）工步圖設(shè)計(jì)及型腔設(shè)計(jì)。倒錐和冷精整均為常溫鍛造，主要差別在齒部是否有倒錐。熱鍛工步有鐓粗、預(yù)鍛、終鍛三步，鐓粗工步的主要作用是預(yù)成型和去除氧化皮；預(yù)鍛工步?jīng)]有鍛出齒形，以便于放入終鍛型腔；終鍛工步需考慮精整變形量、熱脹量等。由于是閉式無(wú)飛邊鍛造成形，必須精確控制坯料重量和端面質(zhì)量，并考慮好前一工步到下一工步時(shí)坯料的準(zhǔn)確定位。熱鍛預(yù)留的齒部變形量應(yīng)合理，保證冷精整時(shí)齒部充填容易，操作上坯料易于放入齒模。型腔設(shè)計(jì)除要遵從工步圖外，還涉及冷熱尺寸配合、模具壓裝前后尺寸變化、坯料加熱溫度的影響、模具溫度的影響、鍛打時(shí)打擊力的影響、鍛件氧化皮損耗補(bǔ)償?shù)鹊?。齒部參數(shù)的選擇和確定，以及齒部附近鍛造余塊的選擇很關(guān)鍵。熱鍛齒形一般預(yù)留單邊0.1mm～0.2mm的變形量，圓角部位也較大，為R0.5-R1；冷精整時(shí)齒形達(dá)到產(chǎn)品尺寸，圓角部位充填更加飽滿，凸圓角至R0.25，凹圓角至R0.5；倒錐時(shí)齒形不變，主要是形成倒錐角β，軸向方向上齒厚由大端至小端的變化。如果齒部參數(shù)不合理，則冷精整時(shí)不易保證尺寸；余塊選擇不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致打擊力極大，對(duì)成形和鍛打設(shè)備不利。

3）數(shù)值模擬分析。利用DEFORM 3D進(jìn)行有限元模擬分析。鐓粗直徑會(huì)影響到齒部的充填效果，鐓粗坯料放入預(yù)鍛型腔時(shí)必須定位準(zhǔn)確；預(yù)鍛保證上模位置不能擠出毛刺，以避免轉(zhuǎn)180°放入終鍛齒模時(shí)在齒部留下折疊等鍛造缺陷。由于熱鍛到冷精整的變形量很小，并且冷態(tài)時(shí)齒部充填非常困難，因此，熱鍛件齒部必須充填飽滿。熱鍛時(shí)如果沒(méi)有前文所述減重槽部位增加的鍛造余塊，則冷鍛時(shí)打擊力會(huì)非常大，對(duì)鍛壓設(shè)備和齒模都是非常不利的。另外，在模擬中也可以明顯看到熱鍛終鍛時(shí)減重槽處如果預(yù)設(shè)一個(gè)很小的角度，則可以明顯降低冷精整時(shí)的打擊力。冷精整時(shí)齒部要完全達(dá)到產(chǎn)品尺寸，以便倒錐工步只是少量變形形成錐角，從而保護(hù)較為脆弱的倒錐

模具。

4）模具結(jié)構(gòu)及模具加工。鐓粗、預(yù)鍛工步用常規(guī)模具結(jié)構(gòu)；終鍛工步以及冷精整模具均設(shè)計(jì)成帶有環(huán)形下頂出的結(jié)構(gòu)，以防止頂出時(shí)鍛件變形。熱鍛和冷精整的齒模部分采用應(yīng)力圈結(jié)構(gòu)以更好的保證鍛件尤其是的尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性。模具加工是結(jié)合齒精鍛的另一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合齒模具模數(shù)小齒數(shù)多，型腔較深，采用電火花加工效率低，表面硬化層需手工拋光，工作量大。采用先進(jìn)的五軸高速加工技術(shù)加工，工序少加工周期短效率高，模具尺寸穩(wěn)定。

4 需要注意的一些細(xì)節(jié)

生產(chǎn)時(shí)，熱鍛工序加熱溫度1170±30℃，能得到充滿性較好的熱鍛件，溫度過(guò)低齒部不易充滿，打擊力大，模具壽命差，溫度過(guò)高氧化皮厚。為保證冷精整時(shí)齒部尺寸穩(wěn)定性，毛坯軟化時(shí)最好用氣氛保護(hù)爐，防止嚴(yán)重的二次氧化。表面清理采用轉(zhuǎn)臺(tái)拋丸機(jī)或手工噴砂，噴砂效率較低但表面效果優(yōu)于拋丸。冷鍛設(shè)備用肘桿式精壓機(jī)，需事先調(diào)整好閉合高度，生產(chǎn)時(shí)根據(jù)冷鍛件充滿情況再微調(diào)閉合高度。倒錐模結(jié)構(gòu)復(fù)雜安裝難度較大，裝配前務(wù)必將各個(gè)部件清洗擦拭干凈。毛坯機(jī)加工時(shí)必須先以精鍛出來(lái)的齒部鎖止角一端定位車一面，再粗精車另一面至端面與鎖止面棱線根部平齊。

5 結(jié)論

實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合齒部帶有倒錐角產(chǎn)品的廠家很少。上述工藝、模具、現(xiàn)場(chǎng)控制方法經(jīng)過(guò)一段時(shí)間驗(yàn)證，滿足產(chǎn)品要求，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，總結(jié)如下：1）工藝采用熱鍛加冷精整成型，可保證產(chǎn)品精度和尺寸穩(wěn)定性；2）利用DEFORM 3D有限元分析可以有效預(yù)防常規(guī)鍛造缺陷，優(yōu)化設(shè)計(jì)；3）模具加工采用先進(jìn)的五軸高速加工技術(shù)完成，工序少加工周期短效率高；4）與插齒和加工后擠齒工藝相比，精密鍛造成形倒錐結(jié)合齒效率更高，模具壽命長(zhǎng)，產(chǎn)品尺寸精度穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]夏巨諶.材料成形工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]夏巨諶.典型零件精密成形[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]晏爽，李普，潘秀秀，等.精密鍛造成形技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展[J].熱加工工藝，2013（15）：9-12.

[4]裘俊彥.倒錐形接合齒齒厚的量球測(cè)量法[J].水利電力機(jī)械，2004（1）.

[5]祝萬(wàn)錢，劉曉菲，陳國(guó)學(xué).齒輪坯多工步閉式模鍛工藝的優(yōu)化研究[J].鍛壓技術(shù)，2005，30（s1）：115-118.