弧齒錐齒輪開式冷精鍛工藝優(yōu)化設(shè)計

高 暢，金俊松，王新云，王耀祖

（1.華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司，江蘇 泰州 225500）

0 引 言

弧齒錐齒輪是機械傳動中傳遞相交軸或交錯軸運動的關(guān)鍵零件，具有重疊系數(shù)大、承載能力強、傳動平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)點[1]，廣泛應(yīng)用于礦山、石油、煤礦機械、機床、鐵路機車、航海艦船、航空直升機等機械工程領(lǐng)域[2]。

齒輪精鍛技術(shù)屬于少/無切削技術(shù)，與傳統(tǒng)切削技術(shù)相比，不僅可以形成連續(xù)的金屬流線，提高齒輪的疲勞強度，還能減少機械加工余量，提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本，因此得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3]。齒輪開式冷精鍛技術(shù)是齒輪精鍛技術(shù)的一種，特點是利用金屬飛邊產(chǎn)生工藝阻力，迫使其余金屬充滿型腔，以保證輪齒的成形質(zhì)量[4]。

針對齒輪精鍛，N R CHITKARA 等[5]采用碲鉛材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)漸進(jìn)閉式模鍛成形試驗研究，分析了不同階段的模具載荷和變形形式，試驗結(jié)果與理論估計值有良好相關(guān)性。K KONDO等[6]分析了直齒輪鍛造過程中的變形特點，通過優(yōu)化坯料的截面形狀消除了成形缺陷，降低了成形載荷。CAI J 等[7]通過試驗和有限元模擬，研究了不同工具設(shè)計及摩擦對金屬流動和成形載荷的影響。ZHANG Q P 等[8]通過設(shè)計錐齒輪的精密鍛造工藝，在較低的鍛造載荷下獲得了完全充型的齒形。金俊松等[9]討論了齒頂和分型面不同相對位置對模具使用壽命的影響。馮文杰等[10,11]在開式模鍛工藝的基礎(chǔ)上，通過在下凹模中心位置設(shè)計工藝凸臺，以降低弧齒錐齒輪開式模鍛的成形載荷。羅善明等[12]在分流鍛造法的基礎(chǔ)上，提出了閉式預(yù)鍛-分流終鍛新工藝，該工藝有利于齒形充填、降低成形載荷等優(yōu)點。陳淑婉等[13]將分流腔設(shè)置在齒形大端處，以保證輪齒大端的成形質(zhì)量。YANG T S[14-16]等通過有限元法研究了不同工藝參數(shù)對近凈成形斜齒錐齒輪鍛造的影響，并對最大載荷、坯料體積和等效應(yīng)變進(jìn)行了預(yù)測。田福祥等[17,18]改進(jìn)了汽車差速器行星齒輪精鍛工藝和模具結(jié)構(gòu)，提出了螺旋傘齒輪閉式冷精鍛新型浮動模具結(jié)構(gòu)，提高了生產(chǎn)效率和延長了模具使用壽命。但尚未有學(xué)者對弧齒錐齒輪開式冷精鍛過程中，預(yù)鍛件體積分配和分流形式對齒輪成形過程以及成形質(zhì)量的影響進(jìn)行相關(guān)研究。

以下研究了在開式冷精鍛弧齒錐齒輪成形過程中，預(yù)鍛件體積分配和分流形式對材料流動、輪齒成形過程和成形載荷等的影響。

1 鍛造成形方案設(shè)計

需要加工的弧齒錐齒輪的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪參數(shù)表

圖1所示為要加工的弧齒錐齒輪開式冷精鍛鍛件，冷精鍛鍛件的輪齒直接作為后續(xù)的機加工基準(zhǔn)，不需要設(shè)計切邊模切除飛邊。圖中未注圓角為R1 mm，未注拔模斜度為5°。

合理的分流腔設(shè)計可以起到容納多余材料，因此可以避免鍛造過程中材料體積波動導(dǎo)致的模具應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象，有利于材料向輪齒角隅部位流動、提高輪齒的成形質(zhì)量和有效降低成形載荷與模具角隅部位的應(yīng)力。此處采用2種分流形式進(jìn)行對比試驗：第1種采用預(yù)鍛件中心通孔分流的形式，通孔直徑為φ10 mm，如圖2（a）所示；第2 種分流形式為分流腔分流，如圖2（b）所示，預(yù)鍛件不使用中心通孔，分流腔位于上凹模中心，分流孔直徑為φ10 mm，調(diào)整上頂桿的長度使分流腔深度為2.4 mm。

圖1 鍛件

齒輪鍛造過程中，輪齒處是終鍛工序的主要變形位置，因此，預(yù)鍛件面錐處的材料分配對輪齒的成形質(zhì)量及成形載荷有直接影響。如圖3 所示，預(yù)鍛件的面錐角等于錐齒輪的面錐角。保持預(yù)鍛件面錐中心與終鍛件齒寬中心一致，即面錐寬度中點半徑Rm=19 mm，設(shè)面錐凸臺高度為H，面錐凸臺寬度為W，則面錐凸臺的寬高比可定義為η=W/H。

2 有限元模型

由于弧齒錐齒輪的齒線為弧形，成形過程中金屬材料流動復(fù)雜，為了獲得精確的成形過程信息，采用Deform-3D 軟件對模擬弧齒錐齒輪的鍛造過程進(jìn)行有限元模擬。

弧齒錐齒輪為準(zhǔn)軸對稱形狀，利用Deform 的旋轉(zhuǎn)邊界條件技術(shù)，可以采用1/5 模型進(jìn)行模擬，以降低計算成本。上模和下模在成形過程中設(shè)置為剛體。預(yù)鍛件設(shè)置為塑性體，材料選用AISI-4120 鋼，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4（a）所示，泊松比為0.3，彈性模量為206 GPa，密度為7.85×103kg/m3。鍛造溫度為室溫20 ℃，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.12，上模和上頂桿沿Z 軸的運動速度均為20 mm/s。預(yù)鍛件采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖4（b）所示，面錐凸臺網(wǎng)格最小尺寸為0.3 mm，其余位置網(wǎng)格最小尺寸1 mm。

3 2種分流方式對鍛造的影響

圖2 開式模鍛示意圖

圖3 預(yù)鍛件

當(dāng)成形載荷同為3 635 kN，采用不同分流方式鍛造時，鍛件上的應(yīng)力分布如圖5 所示。采用分流腔分流時，應(yīng)力較大的區(qū)域集中在輪齒齒頂和飛邊圓角處，如圖5（a）所示；采用中心孔分流時，應(yīng)力較大的區(qū)域僅集中在飛邊圓角處，如圖5（b）所示。相對而言，中心孔分流時齒頂處的應(yīng)力更小，即齒頂處的應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，對延長模具使用壽命更有利。

圖6 所示為2 種分流方式的速度場，由圖6 可知，采用分流腔分流時，輪齒大端處的多余材料向分流腔流動的路徑較曲折；而采用中心孔分流時，輪齒大端的材料可以直接流向中心孔。因此，中心孔分流時，材料流動路徑相對較短，即流動阻力更小，有利于緩解輪齒齒頂處的應(yīng)力集中，這也是采用中心孔分流時輪齒齒頂應(yīng)力分布更合理的原因。

綜上所述，采用中心孔分流方式進(jìn)行終鍛模具設(shè)計時有利于降低材料流動阻力和延長模具使用壽命。

4 預(yù)鍛件形狀設(shè)計對終鍛的影響

為了考察不同寬高比η 對鍛造過程的影響，以鍛件輪齒完全充滿上凹模為終止條件，取η=1.0、2.0、3.0 進(jìn)行鍛造模擬試驗。試驗得到的不同寬高比對應(yīng)的行程-載荷曲線如圖7 所示，不同寬高比的成形載荷均是先平緩增加，然后急劇上升。隨著預(yù)鍛件寬高比η 的增加，成形載荷先降低后增加，當(dāng)η=2.0時，成形載荷達(dá)到最低，為4 238 kN。

在Deform-3D 后處理中沿輪齒齒線創(chuàng)建一系列切平面，僅保留模具和鍛件的輪廓線，以觀察在鍛造過程中輪齒處的變形過程。如圖8（a2）、（a3）所示，當(dāng)η=1.0 時，預(yù)鍛件面錐的材料先接觸凹模的小端齒根處，然后從凹模小端流向凹模大端，此時材料流動阻力較大，成形載荷增加。如圖8（c2）、（c3）所示，當(dāng)η=3.0 時，預(yù)鍛件材料先與上凹模的大端側(cè)壁接觸，然后沿側(cè)壁往上流動，填充凹模大端。由于預(yù)鍛件面錐寬度更寬，材料流向中心孔和飛邊更多，流向輪齒的材料減少以及飛邊寬度增加，導(dǎo)致成形載荷增加。η=2.0 時，如圖（b2）、（b3）所示，材料流動特點介于以上兩者的流動特點之間，材料在接觸凹模的小端齒根的同時也接觸凹模大端側(cè)壁，然后充填大端角隅部位，材料分配比前兩者更合理，因此成形載荷較低。

綜上所述，預(yù)鍛件寬高比采用η=2.0 時，材料體積分配更合理，能有效降低成形載荷。

5 鍛造試驗

在8 000 kN數(shù)控雙動液壓擠壓機上進(jìn)行鍛造試驗，如圖9（a）所示，鍛造模具熱處理至60～62 HRC，型腔表面拋光至Ra0.4 μm。鍛坯材料為20CrMo，經(jīng)球化退火至15 HRC，如圖9（b）所示。鍛造分流方式選用中心孔分流，預(yù)鍛件面錐凸臺寬高比η=2.0，鍛前對預(yù)鍛件表面進(jìn)行磷皂化處理。齒形（上模）凹模下行速度為20 mm/s。

圖8 鍛件輪齒成形過程

壓力機的終鍛載荷顯示為3 860 kN，小于數(shù)值模擬的終鍛載荷4 238 kN。數(shù)值模擬的成形載荷大于實際的成形載荷，這是由于數(shù)值模擬過程中旋轉(zhuǎn)對稱邊界條件施加在坯料側(cè)面，邊界面上的網(wǎng)格變形復(fù)雜，產(chǎn)生畸變導(dǎo)致的。圖9（b）、（c）分別為預(yù)鍛件和輪齒大端的成形情況，可以看出輪齒大端角隅部位充填完整，鍛件成形飽滿。

6 結(jié)束語

采用Deform-3D有限元模擬軟件，對2種分流方式的鍛造過程進(jìn)行了模擬分析，然后選用優(yōu)化的分流方式對不同寬高比的預(yù)鍛件的鍛造過程進(jìn)行模擬分析，最后采用綜合優(yōu)化方案進(jìn)行鍛造試驗驗證，結(jié)論如下。

（1）采用中心孔分流時，材料流動路徑更短、流動阻力更小，且輪齒齒頂處的應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，有利于延長模具使用壽命。

（2）當(dāng)預(yù)鍛件寬高比η=2.0 時，預(yù)鍛件的材料分配更合理，輪齒完全充滿時的成形載荷最小。

（3）采用弧齒錐齒輪冷精鍛的綜合優(yōu)化方案進(jìn)行鍛造試驗，得到的錐齒輪成形質(zhì)量良好，齒輪大端和小端的角隅部位充填完整。

圖9 鍛造試驗