圆柱斜齿轮锻造成形技术

32DIEANDMOULDTECHNOLOGYNO32012文章编号100149342012030032050圆柱斜齿轮锻造成形技术石文超，李晓冬，李伟，薛克敏合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥230009摘要介绍了圆柱斜齿轮塑性成形的2种方法，滚轧成形与浮动凹模成形。针对2种成形工艺，分别以不同型号的圆柱斜齿轮为对象进行了数值模拟与试验研究，探索了齿轮在不同工艺下，金属流动规律、成形缺陷及成形力等。结果表明圆柱斜齿轮采用滚轧成形可有效避免脱模困难，且整个过程属于局部加栽，对设备要求简单。浮动凹模成形可有效降低成形载荷，较传统工艺载荷下降近3O个百分点，脱模时，锻件齿形在模腔内沿螺旋方向做刚性平移运动，一定程度上保证了锻件的精度。关键词圆柱斜齿轮；滚轧成形；浮动凹模；脱模中图分类号TG316文献标识码ARESEARCHONTHECOLDFORGINGTECHNIQUEOFHELICALGEARSSHIWEN。CHAO，LIXIAODONG，LIWEI，XUEKEMINABSTRACTTWOFORGINGMETHODSFORHELICALGEARSINCLUDINGROLLINGFORMINGANDFLOATINGDIEFORMINGWEREINTRODUCEDAIMEDATTHETWOPROCESSES，DIFFERENTTYPEHELICALGEARSWERERESEARCHEDBYBOTHNUMERICALSIMULATIONANDPHYSICALEXPERIMENTSCHARACTERISTICSOFMETALFLOWING，FORMINGDEFECTSANDFORMINGLOADWEREANALYZEDINDIFFERENTPROCESSESTHERESULTSSHOWTHAT，BYTHEMETHODOFROLLINGFORGING，THEGEARSCANBEFORMEDANDDEMOULDINGDIFFICULTYCANBEAVOIDEDEFFECTIVELY，ANDBECAUSETHELOADINGMODEDURINGTHEWHOLEPROCESSISLOCALLOADING，SIMPLEEQUIPMENTISNEEDEDTHEFLOATINGDIEFORMINGCANEFFECTIVELYREDUCETHEFORMINGLOADCOMPAREDWITHTHETRADITIONALPROCESSINGLOAD，THEFORMINGLOADOFTHEFLOATINGDIECANBEREDUCEDABOUT30WHENDEMOULDING，THEGEARSMAKERIGIDROTATIONALONGTHEHELICALDIRECTIONS，WHICHINSURESTHEPRECISIONOFTHEFORGINGTOACERTAINEXTENTKEYWORDSHELICALGEARS；ROLLINGFORGING；FLOATINGDIE；DEMOULDING引言圆柱斜齿轮是机械行业的重要零件，其形状复杂，材质、尺寸精度、表面质量及综合机械性能均要求很高。目前斜齿轮的加工仍采用传统切削成形的方法。该种传统的工艺材料浪费严重，生产周期长，生产率低，生产成本高，难以满足我国汽车和机械工业发展的需要。对圆柱收稿日期20111220基金项目国家大学生创新性实验计划项目091035909，安徽省十一五科技攻关计划面上项目08010202132。作者简介石文超1988一，男，硕士研究生。模具技术2012NO333齿轮采取冷锻成形的新工艺，具有切削加工无可比拟的优点。通过该方法获得的齿轮锻件，由于金属受三向压应力，其内部疏松、微裂纹等缺陷得以锻合，工艺塑性得以改善。且金属纤维沿齿形均匀分布，齿轮的使用寿命显著提高。目前齿轮冷锻成形研究主要用于圆柱直齿轮和伞齿轮，斜齿轮由于存在一定的螺旋角，成形后锻件出模较困难，因此该方面的研究还比较少。针对圆柱斜齿轮的形状特点，介绍了对其采用浮动凹模成形和滚压成形的新工艺，分析了各工艺参数对成形过程的影响，为开发圆柱斜齿轮冷锻塑性成形技术提供了参考。1圆柱斜齿轮范成法滚轧成形为探索在滚轧成形过程中金属流动规律以及预测可能出现的缺陷，取某一型号的圆柱斜齿轮为研究对象，其参数为齿数18，螺旋角为2O。，法向压力角20。，齿高10MM，法向模数1MM，齿顶高系数1O，顶隙系数025。11齿轮滚轧成形原理圆柱斜齿轮范成法滚轧成形原理如图1所示，将计算好的齿坯放人两滚轧轮之间，齿坯在圆周方向可自由转动。滚轧时，两轧轮以相同的角速度做同方向的回转运动，并以相同的速度做方向相反的进给运动，随着滚轧轮的边旋转边进给，逐渐在齿坯周围成形出齿形3。圈1齿轮滚轧原理示意图12滚轧过程相关参数计算为了保证整个齿轮滚轧过程顺利进行，必须在开始分齿阶段就在齿坯外圆上分度出规定的齿数，因此根据圆柱齿轮啮合原理，在滚轧成形过程中，需满足如下关系式。SIND一D1SIN21式中D滚轧轮齿顶圆直径；D齿坯外径；Z，。滚轧轮及斜齿轮锻件的齿数。根据体积不变原则，计算齿坯直径D。为19MM，成形过程中取轧轮齿数为36，模数1MM，螺旋角2O。代人式1中，可得轧轮齿顶圆直径为38MM。13滚轧过程有限元建模利用DEFRM3D有限元软件对斜齿轮滚轧过程进行数值模拟5。坯料选用20CRMNTI。采用刚塑性有限元法，将模具视为刚性体，齿轮坯视为塑性体，成形温度为2O。划分网格时，由于变形部分主要集中在齿坯周边，故对该部分进行局部网格细化，细化比例为101。两滚轧轮进给速度一03MMS_。，旋转速度为一40RMIN一。有限元简化模型如图2所示。图2滚轧过程有限元模型14数值模拟结果分析图3为不同进给量下齿形充填情况示意图。从图3可见，随着滚轧轮做旋转和进给的复合运动，齿坯外圆相应部分的金属逐渐凸起，进而充填滚轧轮齿形凹槽，且金属充填速度大小相近。同时，整个成形过程是一个局部加载的过程，滚轧轮始终保持23个齿形与坯料接触，有效避免了常规的冷闭式锻造导致的成形力较大，模具寿命低等缺陷。在滚轧过程结束后，两滚轮需带动坯料空转若干圈，以完成对斜齿轮齿形的整形。圆柱斜齿轮冷滚轧成形时，理论上齿根的进给量与齿顶的凸起量是相等的，但在实际成36DIEANDMOULDTECHNOLOGYNO32012形几乎不发生变形，虽然在上下角隅处会产生微小应变，但脱模后只需少许打磨或倒角即可保证斜齿轮的精度。参考文献1王岗超，薛克敏，许锋，等齿腔分流法冷精锻大模数圆柱直齿轮JI塑性工程学报，2010，17318212胡忠民齿轮精密锻造技术的发展J塑性工程学报，2002，9479833郑全刚圆柱直齿小模数渐开线花键冷滚轧成形技术EJ汽车工艺与材料，199771618E4L朱家诚，王纯贤机械设计基础M合肥合肥工业大学出版社，20035王志奎以DEFORM一3D实现花键轴精密冷滚轧成形模拟J现代制造工程，2009758616郭霓虹，张德仁小模数渐开线花键无屑冷轧技术J汽车齿轮，1993412187杨程，赵升吨浮动凹模对直齿圆柱齿轮精锻成形影响的研究J热加工工艺，2009，3823112114上接第28页14隔层分流套如图3所示部件7，隔层分流套是分隔成型双层管材的外层和内层的主要部件，其主要是为了物料能被均匀分流，然后汇入阻流芯棒和口模定径挤出成型。同时为了机头的加工和装拆方便，将隔层分流套单独设计一件，使机头更加紧凑合理。15外层连接器如图3所示部件6，外层连接器是成型复合管材的外层通道，物料从挤出机B通道进入机头内的外层流道，使物料形成环流状充满型腔，并经双阻流芯棒件5的平直段，经口模定径挤出成型。由于复合管材的外层采用直角式机头优化设计，管材的定径精度高，挤出稳定，表面光泽度好。2成型原理及工艺条件21成型原理共挤双层复合塑料管材的成型原理将原料加入2台挤出机内，物料经加热塑化后，分别通过A挤出机和B挤出机的复合机头，将物料输送到各自分配的流道中，并汇集到同一流道中熔融复合为一体，然后通过机头口模挤出，冷却、牵引得到双层复合塑料管材。22工艺条件共挤双层复合管材的工艺条件可按普通管材生产工艺条件进行加工。其生产工艺应满足以下条件1对于生产不同或相同类型的树脂，只要分别加入2台挤出机中就能生产层次分明的品种，如将回收料加入A挤出机中可作为管材的内层。为了防止管材老化，提高管材的使用寿命，可在B挤出机中加入耐侯性树脂或混入碳黑母料的树脂共挤复合成型。2方便制品层厚的调整，如果要求生产管材层厚不等，从工艺上可以减少或增加某一台挤出机的挤出量，然后进行各自工艺参数的调整，便可以达到不同层厚管材制品的要求。3该机头可以生产单壁实管，只要将B挤出机一台停止使用，即可生产单层塑料管材。3结