半轴齿轮的热精锻成形工艺设计-毕业论文正文

北华航天工业学院毕业论文 I 摘要 近年来，随着计算机技术的飞速发展，闭塞式精锻技术也取得了巨大的进步。本课题 以半轴齿轮为例， 先利用模具CAD技术对半轴齿轮进行三维实体建模， 然后应用FEM模拟技 术等对半轴齿轮的成形过程进行数值模拟仿真。 再根据模拟研究出的结果确定出实际生产 加工中的重要工艺参数，并优化模具结构。 闭塞式精锻工艺属于金属塑性加工的先进工艺， 齿轮精锻就是通过精密锻造直接获得 完整齿形， 且齿面不需或仅需少许精加工即可使用的齿轮制造技术。 它有效地改善了齿轮 的组织和性能。精锻齿轮的齿形精度能达到精密级公差、余量标准，工件只需少量精加工 就可进行热处理，提高了生产效率及材料利用率，降低了生产成本，大大提高了齿轮制造 的市场竞争能力。 在这个研究中我们能够分析金属在成形过程中各种场变量的变化，预测金属流动趋 势，并就不同的凸、凹模结构及形状尺寸、连皮厚度、连皮相对于齿轮端面距离等对半轴 齿轮的成形载荷、 金属流动情况(或充填性)以及模具寿命等的影响规律进行研究， 确定了 最优的凸、凹模结构、连皮厚度以及连皮相对于齿轮端面的距离等工艺参数。进而根据优 化出来的结果设计出了一套合理的热精锻工艺和基于800吨双动液压机的模具。更多详细 内容可以查看报告。 通过本课题的研究， 将精密锻造理论， 数值模拟仿真技术以及模具CADCAM技术结合 起来，达到了提高生产效率、缩短产品开发周期、提高模具寿命、降低能耗和生产成本等 目的。 本课题的研究成果可以为其他锥齿轮的生产以及相关的模具设计提供理论和实践依 据。 关键词：半轴齿轮闭塞式精锻FEM 模拟热精锻成形 北华航天工业学院毕业论文 II Abstract During recent years，with the rapid development of computer technology，the technology of encloseddie forging has achieved great progresses，In this research a kind of half axle gear was introducedwhose model was made by the CAD technologyThe forming process of the half axle gear was simulated by FEM softwareThen according to the result simulated from the software to work out the important industrial parameters which is used in real forging progress， and to optimize the structure of molds Encloseddie forging process is one of the advanced processes in the field of metal formingFull tooth of gear can be obtained through precision forging process，and the tooth need no or little precision machining onlyThe structure and performance of gear can be improved effectively through this process The precision of gear shape can come to a very high levelThe workpiece needs only a little of machining before heat treatmentThe process increases productivity rate and use ratio of materials，decreases the cost of productionTherefore the competing ability of gears is improved greatly In this study we can get the transformations of the fields during the process of metal forming were investigated，the tendency of metallic flow was forecasted，and the rules how various items affect the forming load，metallic flow，the life of dies were discoveredThe factors include the different structures of male and female die，web thickness，the distance between web and big-end face of gear，etcAnd the most suitable die structure，web thickness and distance were made certain A proper warm forging process and a die-set based on 800-ton double action hydraulic press were designed according to the result of FEM simulationAnd more detailed information can look at my report The theory of precision forging，technology of FEM simulation and mould CADCAM are integrated through this research，which helps to shorten developing period，prolong lifespan of die，and cut down the cost，etcThe progeny of the research can provide accordance for other bevel gearsproducing Key words: half axle gearencloseddie forgingFEM simulationwarm forging progress 北华航天工业学院毕业论文 III 目录 摘要 AbstractAbstract 第 1 章绪论 1 1.1课题背景1 1.2主要研究内容1 1.2.1变形规律分析1 1.2.2工艺和模具设计2 1.2.3质量和精度控制2 1.3研究目的和意义2 1.4研究的可行性3 第 2 章 工艺分析 4 2.1冷精锻4 2.2热精锻4 2.3温精锻4 2.4工艺方案制定5 第 3 章模拟分析 6 3.1不同温度对齿轮成形性的影响6 3.1.1冷锻6 3.1.2热锻9 3.1.3小结11 3.2模具结构对齿轮成形性的影响11 3.2.1平底凸模结构11 3.2.2带凸台的凸模结构12 3.2.3小结15 3.3不同连皮厚度对齿轮成形性的影响15 3.3.1连皮厚度 t=7.6mm 时的模拟结果分析15 3.3.2连皮厚度 t=11.4mm 时的模拟结果分析 18 3.3.3连皮厚度 t=15.2mm 时的模拟结果分析 21 3.3.4小结23 3.4不同连皮位置对齿轮成形性的影响24 3.4.1当 h=0.4H 时的结果模拟分析 24 3.4.2当 h=0.5H 时的结果模拟分析 26 北华航天工业学院毕业论文 IV 3.4.3当 h=0.6H 时的结果模拟分析 29 3.4.4小结31 3.5模拟结论32 第 4 章实验验证 33 4.1双动液压机参数33 4.2整体模具结构设计34 结论（总结） 35 致谢 36 参考文献 37 附录 38 北华航天工业学院毕业论文 - 1 - 第 1 章绪论 本课题所研究的对象是半轴齿轮的热精锻成形工艺。 该产品是长安汽车上的行星半轴 齿轮，现行生产工艺采用热锻成形、冷锻精整的方法进行生产。 1.1 课题背景 齿轮精密锻造技术源于德国。早在 20 世纪 50 年代,由于缺乏足够的齿轮加工机床, 德国人开始用闭式热模锻的方法试制锥齿轮。 其中的主要特征是使用了当时很新的电火花 加工工艺来制造锻模的型腔。另外还对锻造工艺过程进行了严格地控制。20 世纪 60 年代 开始了圆柱齿轮的锻造研究, 20 世纪 70 年代有较大的发展,这主要是受到来自汽车工业 降低成本的压力。到 20 世纪 80 年代,锻造技术更加成熟,能达到更高的精度和一致性,使 锻造生产齿轮能在流水生产线上准确定位,适合于批量生产。 目前,比较一致认同的工艺途径为热锻、温锻和冷锻的结合。热锻、温锻可实现高效 能和材料的高利用率,冷锻过程则修正热、 温锻过程的误差和提高表面质量。 同时,冷处理 工艺还能使轮齿表面获得残余压应力,提高齿轮的寿命。经过多年的发展，行星齿轮、半 轴齿轮精锻技术已经广泛应用于汽车差速器的生产中。 目前规模较大的企业有： 江苏太平 洋精密锻造有限公司、一汽专用汽车有限公司、青岛三星精锻齿轮有限公司、株洲齿轮股 份有限公司、兴城粉末冶金有限公司、江苏飞船股份有限公司等。 目前， 行星齿轮、 半轴齿轮工作过程中出现的主要质量问题是行星齿轮和半轴齿轮打 齿。从齿轮角度分析主要原因有：行星齿轮和半轴齿轮接触区偏小、安装距波动超差、根 锥角偏小、大端倒角偏大，以及背锥尺寸偏小。行星齿轮和半轴齿轮接触区偏向齿顶，使 齿轮单齿承受的弯矩偏大， 这与行星齿轮和半轴齿轮齿廓的理论形状、 啮合过程中的齿隙 及重合度有直接的关系； 安装距波动超差造成齿轮个别齿承受较大的载荷， 这与齿轮加工 后的周节误差关系较大。此外，根锥角偏小导致单齿强度削弱；大端倒角偏大和背锥尺寸 偏小都不同程度地减小了齿轮的接触区。 齿轮打齿除了齿轮自身的形状和加工精度的影响 之外，十字轴、差速器壳、垫片等零件的加工质量及装配质量也有着不可忽视的影响。 近年来，行星齿轮、半轴齿轮精锻和模具制造技术得到了快速发展，从材料的控制、 加热到精锻工艺、 再到模具加工， 以及后续的热处理和机械加工各个环节都有了长足的进 步。未来的精锻行星齿轮和半轴齿轮将向更高的精度、强度及更小的啮合噪声方向发展。 1.2 主要研究内容 1.2.1 变形规律分析 在 20 世纪 90 年代初期，人们主要采用一些传统理论方法研究齿轮精锻，Kondo K 等 北华航天工业学院毕业论文 - 2 - 提出了精锻齿轮的分流减压原理，Ohga K 等论述了其适用范围。Dohamann F 等用数值逼 近法和主压力法分析了冷精锻齿轮时金属流动和模具应力情况， 给出了沿齿面轮廓的法向 应力分布图。Chitkara N R 等用基于主应力法的自由体平衡法模拟了各种轴对称坯料增 量锻造直齿轮的过程。 王洪义设计了用带减压孔的坯料精锻圆柱齿轮的压力计算模型。 随 着研究的深入，上限法被证明是一种用于齿轮精锻力能分析预测的好方法。Abdul N A 等 早在 1986 年就用上限法分析了直齿圆柱齿轮精锻过程中齿数，齿根圆直径，摩擦等因素 对金属流动和锻造变形力的影响。随后，Choi J C 等 1用上限法对实心圆柱坯料精锻直齿 圆柱齿轮进行了较为精确的分析。Chitkara N R 等 2用上限法分析了镦锻直齿轮的变形规 律，在此基础上用计算机模拟了增量锻造直齿轮时的变形力和应力应变规律。林治平等 4 用上限法对空实心坯料精锻(带毂)直齿圆柱齿轮等各种工艺方案进行了理论分析和计算 机模拟。刘庆斌等 5用上限法正反向模拟了直齿圆柱齿轮挤压成形。 1.2.2 工艺和模具设计 国内外学者在进行理论研究的同时， 也设计了各种齿轮精锻工艺方案和模具， 并进行 了实验研究。早在 1987 年，Tuncer C 等就提出了浮动凹模精锻空心件思想，归纳了无飞 边锻模制造和使用的各种工艺要点，设计了数种模具。1991 年 Drecum V M 等开发了一套 参数化的直齿圆柱齿轮精锻模 CAD 软件。 1993 年， Nagai Y 研究了用预制杯形件通过拉延、 整形、变薄拉延和压缩 4 个工步冷锻具有较大沉孔的直齿圆柱齿轮的成形方案。近年来， 林治平 4设计了专用组合模具，其特点是分别利用浮动凹模和上模环行飞边槽，保证齿底 和齿顶角部充满。 刘庆斌等 8针对直齿圆柱齿轮塑性挤压成形时齿顶角部充满困难提出了 几种解决方案。田福祥 9,10提出了首先用热精锻初步成形轮齿，然后用冷推挤精整齿面精 度的联合成形工艺， 其特点是对热锻模的精度要求不高， 并研究了齿轮精锻模具齿形参数 的计算方法。 1.2.3 质量和精度控制 齿轮精锻成形技术的成功关键在于质量和精度的控制。 国内外分析研究表明， 模具设 计、加热方式、坯料尺寸等因素是保证齿轮锻件精度的关键，模具的加工方法、磨损和弹 性变形、润滑与冷却、能否充分排气排污都影响着齿形精度。 1.3 研究目的和意义 齿轮作为传递运动和动力的最基本的机械零件， 在汽车、 摩托车行业中应用量相当大。 传统的齿轮切削加工技术存在着金属纤维被切断而降低了齿轮强度， 材料利用率较低， 能 源和工时消耗较大等不足。因此国内外曾对轧制，挤压，粉末锻造，精密冲裁齿轮等少无 北华航天工业学院毕业论文 - 3 - 切削技术进行了研究开发。目前，齿轮精锻技术日益受到了国内外的高度重视。齿轮精锻 的特点是： （1）改善了齿轮的组织和性能 精锻使金属三向受压，晶粒及组织变细，致密度提高，微观缺陷减少；精锻还使金属 流线沿齿形连续均匀分布，提高了齿轮的机械性能。一般束说，精锻可使轮齿强度提高 20以上，抗冲击强度提高约 15，抗弯曲疲劳强度提高约 20，齿轮的使用寿命延长 l 倍以上。 （2）精度能达到精密级公差、余量标准 工件不需或者只需少量精加工就可进行热处理或直接使用， 提高了生产效率及材料利 用率，降低了生产成本。一般来说，精锻可使生产效率提高 1 倍以上，材料利用率提高 40左右，批量生产成本降低 30上。因此大大提高了齿轮的市场竞争能力。 1.4 研究的可行性 采用当今世界上最先进，也是最有效的体积成形模拟软件 DEFORM 来全面分析半轴齿 轮热精密成形过程的金属流动及应力应变分布规律， 以达到预测和消除成形缺陷、 优化工 艺及模具参数、 预测模具中的应力分布并防止模具过早失效， 从而大大减少工艺及模具试 验次数， 确保工艺及模具设计的正确性和试验的成功等目的： 结合国内外的先进技术资料， 以及各地齿轮厂多年在热精密塑性成形加工的实际生产经验， 研究和设计汽车用半轴齿轮 的热精锻成形工艺、 具有良好互换性的热精锻模具和精滚轮齿夹具等； 然后利用 800 吨双 动液压机完成试验； 最后在校内实验室对精锻齿轮的组织、 机械性能和使用寿命进行检测 和评估。以上的软件和硬件设施为本课题的顺利进行提供了有力的保障。 北华航天工业学院毕业论文 - 4 - 第 2 章工艺分析 本章主要针对半轴齿轮的精锻工艺进行分析。 按照坯料加热温度的不同， 精锻工艺又 可以分为冷精锻、温精锻和热精锻。下面就这三种不同的成形工艺分别进行讨论。 2.1 冷精锻 冷精锻通常指的是在室温下对毛坯进行精密锻造。 采用冷精锻工艺的优点是： 可以降 低原材料消耗，材料利用率高；锻压后的金属材料晶粒组织更加细小而致密：金属流线不 被切断加上所产生的加工硬化特征， 可使锻件的强度大为提赢： 可以获得较高的尺寸精度 和较高的表面光洁度。但其缺点是：成形单位压力大，模具易磨损，损坏，因此要求模具 材料好；对成形设备要求较高，吨位要大除了要求锻艇设备应有较大的强度以外，还要 求较好的刚度； 且通常要在锻压前对坯料做磷化皂化处理， 且处理的好坏直接关系到后序 锻造的效果。 2.2 热精锻 热精锻工艺是将毛坯加热到金属再结晶温度上某个适当的热锻温度范围内锻造。 热精 锻时坯料的加热温度高，变形抗力小，成形较为容易，但是由于加热温度高，容易产生高 温氧化，脱碳以及热膨胀等问题，降低了产品的尺寸精度和表面质量，因而一般需要大量 的切削加工，才能作为最终产品。 2.3 温精锻 温精锻是将毛坯加热到金属再结晶温度以下某个适当的温度进行锻造。由于金属加 热，毛坯的变形抗力减小，成形容易，压力机的吨位也可以减小，而且模具的寿命延长。 但与热精锻不同的是，因为在较低温度范围内加热，工件氧化，脱碳的可能性小，而产品 的机械性能与冷精锻的产品差别不大。 特别是在室温下难加工的材料， 例如析出硬化相的 不锈钢和中高碳钢、含铬量高的一些钢、高温合金以及钛合金等，在温精锻时可能变成可 以加工或者更容易加工。 温精锻不仅适用于变形抗力高的难加工材料， 就是对于冷精锻适宜的低碳钢， 也适合 作为温精锻的对象，因为温精锻有便于组织连续生产的优点。在冷精锻时，包括冷精锻低 碳钢在内，一般在加工前要进行预先软化退火，在各道冷锻工序之间也要进行退火处理， 而且冷精锻以前要进行磷化皂化处理， 这就给组织连续生产带来困难。 温精锻时可以不进 行预先的软化退火和各工序之间的退火， 也可以不进行表面处理， 这就使得组织连续的生 产成为可能，至少可以减小许多辅助工序。温精锻可以采用大的变形量，这样可以减少工 北华航天工业学院毕业论文 - 5 - 序数目。模具费用也大为减少，而且不需要刚性极高的锻压设备，可以采用通用设备。虽 然温精锻需要加热金属，但总的费用还是比较便宜。 2.4 工艺方案制定 半轴齿轮原精锻工艺为： 坯料加热粗锻一切飞边去氧化皮加热精锻 切飞边表面清理冷压整形切削内孔、 半轴和大端面拉削内孔花键 热处理喷丸。 上述工艺存在能耗多，材料利用率低，加工效率低，模具寿命短等诸多问题。为了解 决这些问题，现通过模拟仿真，研制出了节能、省料、高效的无飞边温精锻工艺。 新工艺流程为： 坯料少无氧化加热精锻表面清理切削内孔、 半轴和大端 面拉削内孔花键热处理一喷丸。该工艺与原工艺相比，省去了粗锻、粗锻后的加 热、去氧化皮、两次切边以及精整等六道工序，大大降低了能源消耗和人力消耗。材料利 用率提高 15，达到 901，生产效率提高约一倍。 图 2.1 半轴齿轮零件图 图 2.2 精锻件三维实体图 北华航天工业学院毕业论文 - 6 - 第 3 章模拟分析 影响齿轮成形的因素有很多，例如：坯料与模具之间的摩擦系数、坯料的加热温度、 模具结构、连皮厚度和位置、锻压设备的工作速率以及操作工人的素质等等。本课题主要 针对不同的锻造温度、 凸凹模结构、 连皮厚度和连皮位置(连皮相对于齿端面的距离)对齿 轮充填性的影响， 运用有限元模拟软件 DEFORM 一 3D 分别对其进行了模拟分析， 并确定了 最优的模具结构和工艺方案。 3.1 不同温度对齿轮成形性的影响 3.1.1 冷锻 3.1.1.1 基本模型参数设置 (1)材料为 20Cr,美国牌号 AISl5120，室温 (2)采用刚(粘)塑性有限元模型 (3)成形过程属于非稳态，网格划分时采用三维四面体单元，初始网格数 12000 (4)输入压机速度 250mms (5)模拟步长 02mm步 (6)摩擦边界条件：模型采用剪切模型，摩擦系数选为 0.12 3.1.1.2 模拟结果分析 凸凹模结构简图如图 3-1 所示。 坯料尺寸为4280， 该方案是按照传统理论设计的, 锻件上大于25 的孔要锻出。模具采用平底凸模，上凹模为背锥模，下凹模为齿模。齿 模中端的大端尖顶处不设尖角。 图 3-2 为坯料变形结束时的网格变形图， 图 3-3 为成形结 束时的应力图，图 3-4 为应变分布图，图 3-5 为成形过程的行程-载荷曲线： 图 3-1 凸凹模结构简图 北华航天工业学院毕业论文 - 7 - 图 3-2 坯料变形结束时的网格变形图 图 3-3 成形结束时的应力图 北华航天工业学院毕业论文 - 8 - 图 3-4 应变分布图 图 3-5 成形过程的行程-载荷曲线 北华航天工业学院毕业论文 - 9 - 从图 3-2 可以看出，齿轮在室温下锻造(即冷锻)时，金属流动极为困难，齿顶处很难 充满，难以保证齿轮的成形质量和精度。由图 3-3、图 3-4、图 3-5 得知，齿轮成形时的 最大载荷约为 858 吨，最大流动应力高达 823Mpa，在变形过程中会属流速较快，变形剧 烈且不稳定，容易造成折叠，开裂等缺陷。成形结束时载荷陡直上升，这对模具的强度和 刚度要求非常苛刻，模具的使用寿命很低。故该工艺方案很不可靠，不予采用。 3.1.2 热锻 3.1.2.1 基本模型参数设置 (1)材料为 20Cr,美国牌号 AISl5120，加热温度 800 (2)采用刚(粘)塑性有限元模型 (3)成形过程属于非稳态，网格划分时采用三维四面体单元，初始网格数 12000 (4)输入压机速度 250mms (5)模拟步长 02mm步 (6)摩擦边界条件：模型采用剪切模型，摩擦系数选为 0.25 3.1.2.2 模拟结果分析 该方案中坯料与模具结构同 3.1.1 冷锻一节中的一样（见图 3-1） ，仍采用平底凸模 结构， 只是将坯料加热到 800进行热锻。 图 3-6 为坯料变形结束时的网格变形图， 图 3-7 为成形结束时的应力图，图 3-8 为应变分布图，图 3-9 为成形过程的行程-载荷曲线： 图 3-6 坯料变形结束时的网格变形图 北华航天工业学院毕业论文 - 10 - 图 3-7 成形结束时的应力图 图 3-8 应变分布图 北华航天工业学院毕业论文 - 11 - 图 3-9 成形过程的行程-载荷曲线 从图 3-6、 图 3-7、 图 3-8、 图 3-9 可以看出， 在相同模具结构和坯料形状的情况下 热 锻时的最大成形载荷相比冷锻大大降低，只有 253.5 吨，且最大流动应力只有 301MPa， 材料变形均匀，金属流动条件大大改善。 3.1.3 小结 采用热锻工艺成形齿轮与采用冷锻工艺相比，大大降低了成形载荷和金属流动应力， 有效的改善了会属的充填性和模具的受力环境， 使得齿轮的成形更为容易， 模具寿命也相 应得到延长。但仍没有从根本上解决齿形的充填问题，齿顶仍然难以充满，故仍需改进工 艺方案。 3.2 模具结构对齿轮成形性的影响 3.2.1平底凸模结构 基本模型参数与“3.1.2 热锻”一节中的一样，凸凹模结构也与 3.1.1.2 节中的一样 （见图 3-1） 。故最终的模拟结果与“3.1.2 热锻”一节中的相同，齿形充填仍不饱满。 表 3-1 列出了模拟结束时的一些数据： 北华航天工业学院毕业论文 - 12 - 表 3-1 模拟结束时的相关数据 最大载荷（吨）最大流动应力（MPa）最大应变（mm/mm）材料最大损伤因子值金属流动性齿形充填状况 253.53012.200.642一般一般 3.2.2带凸台的凸模结构 基本模型参数设置： (1)坯料规格为5880，材料为 20Cr,美国牌号 AISl5120，加热温度 800 (2)采用刚(粘)塑性有限元模型 (3)成形过程属于非稳态，网格划分时采用三维四面体单元，初始网格数 15000 (4)输入压机速度 250mms (5)模拟步长 02mm步 (6)摩擦边界条件：模型采用剪切模型，摩擦系数选为 0.25 凸凹模简图如图 3-10 所示：上下凸模与坯料接触端均设有凸台，直径为38mm，成 形时锻出内孔；且齿模在下，背锥模在上面，这样有利于坯料定位和顶出工件。该方案中 齿模大端齿顶处设置尖角。连皮厚度定为 11.4mm，其中心线与分模面处在同一个水平面。 图 3-10 凸凹模结构简图 图 3-11 为网格变形图，图 3-12 为应力分布图，图 3-13 为应变分布图，图 3-14 为行 程-载荷曲线图。 北华航天工业学院毕业论文 - 13 - 图 3-11 网格变形图 图 3-12 应力分布图 北华航天工业学院毕业论文 - 14 - 图 3-13 应变分布图 图 3-14 行程-载荷曲线图 北华航天工业学院毕业论文 - 15 - 表 3-2 模拟结束时的相关数据 最大载荷（吨）最大流动应力（MPa）最大应变（mm/mm）材料最大损伤因子值金属流动性齿形充填状况 168.92546.690.921好好 在该工艺方案中，虽然工件成形时齿项锻出了尖角，增加了一道后续切除工序，但带 来的好处是：可以起到像飞边槽一样的容纳多余金属的作用，并确保齿廓面的完全充满。 在凸模下端与项杆上端加一大小、形状适当的凸台，可对毛坯产生一定的径向力，便于分 流，更有效的改善了齿顶的充填条件。 3.2.3小结 对照表 3-1，表 3-2 可以看出，改进了凸凹模结构后，齿轮的最大成形载荷和流动应 力降低，并且成形终了时材料的损伤倾向有所减小，最终使得齿轮的成形更加顺利，且模 具寿命也得到相应的延长。 而且凸台的引入使材料利用率得到增加， 并减少了后续加工内 孔的工时，经济效益非常显著。 3.3 不同连皮厚度对齿轮成形性的影响 图 3-15 为连皮厚度示意图。图中 d=38mm，H=19.4mm，t 表示连皮厚度，h 表示连皮 中心线与齿轮上端面之间的距离。模具结构见图 3-10，当 h=05H，即连皮中心线经过齿 轮大端尖顶时，不同连皮厚度对齿轮充填质量的影响如下所述： 图 3-15 连皮厚度示意图 3.3.1连皮厚度 t=7.6mm 时的模拟结果分析 3.3.1.1 基本模型参数设置 北华航天工业学院毕业论文 - 16 - (1)坯料规格为5880，材料为 20Cr,美国牌号 AISl5120，加热温度 800 (2)采用刚(粘)塑性有限元模型 (3)成形过程属于非稳态，网格划分时采用三维四面体单元，初始网格数 15000 (4)输入压机速度 250mms (5)模拟步长 05mm步 (6)摩擦边界条件：模型采用剪切模型，摩擦系数选为 0.25 3.3.1.2 模拟结果分析 在这个方案中，设置连皮厚度 t=7.6mm。图 3-16 为坯料变形结束时的网格变形图， 图 3-17 为成形结束时的应力图，图 3-18 为应变分布图， 图 3-19 为成形过程的行程-载 荷曲线： 图 3-16 坯料变形结束时的网格变形图 北华航天工业学院毕业论文 - 17 - 图 3-17 成形结束时的应力图 图 3-18 应变分布图 北华航天工业学院毕业论文 - 18 - 图 3-19 成形过程的行程-载荷曲线 从图 3-16图 3-19 可以看出，齿轮成形结束时应力应变分布不均匀，成形不稳定， 金属流动性较差，齿轮充填不满。模拟结束时的相关数据见表 3-3： 表 3-3 模拟结束时的相关数据 最大载荷（吨）最大流动应力（MPa）最大应变（mm/mm）材料最大损伤因子值金属流动性齿形充填状况 202.52744.670.952一般一般 3.3.2连皮厚度 t=11.4mm 时的模拟结果分析 3.3.2.1 基本模型参数设置 本节中基本模型参数的设置与 t=7.6mm 时的设置相同。 3.3.2.2 模拟结果分析 在这个方案中，设置连皮厚度 t=11.4mm。图 3-20 为坯料变形结束时的网格变形图， 图 3-21 为成形结束时的应力图，图 3-22 为应变分布图， 图 3-23 为成形过程的行程-载 荷曲线： 北华航天工业学院毕业论文 - 19 - 图 3-20 网格变形图 图 3-21 应力分布图 北华航天工业学院毕业论文 - 20 - 图 3-22 应变分布图 图 3-23 行程-载荷曲线图 北华航天工业学院毕业论文 - 21 - 从图 3-20图 3-23 可以看出，齿轮成形结束时应力应变分布也较为均匀，金属流动性更好，齿 轮充填非常饱满，且材料损伤因子有所降低。模拟结束时的相关数据见表 3-4： 表 3-4 模拟结束时的相关数据 最大载荷（吨）最大流动应力（MPa）最大应变（mm/mm）材料最大损伤因子值金属流动性齿形充填状况 168.92546.690.921好好 3.3.3连皮厚度 t=15.2mm 时的模拟结果分析 3.3.3.1 基本模型参数设置 本节中基本模型参数的设置与 t=7.6mm 时的设置相同。 3.3.3.2 模拟结果分析 在这个方案中，设置连皮厚度 t=15.2mm。图 3-24 为坯料变形结束时的网格变形图， 图 3-25 为成形结束时的应力图，图 3-26 为应变分布图， 图 3-27 为成形过程的行程-载 荷曲线： 图 3-24 网格变形图 北华航天工业学院毕业论文 - 22 - 图 3-25 应力分布图 图 3-26 应变分布图 北华航天工业学院毕业论文 - 23 - 图 3-27 行程-载荷曲线图 从图 3-23图 3-27 可以看出， 金属流动性一般， 齿轮充填性不太好， 齿形刚好充满， 且最大成形载荷相对较小。模拟结束时的相关数据见表 3-5： 表 3-5 模拟结束时的相关数据 最大载荷（吨）最大流动应力（MPa）最大应变（mm/mm）材料最大损伤因子值金属流动性齿形充填状况 187.82873.160.983一般一般 3.3.4小结 对照表 3-3,3-4,3-5 模拟结束时的数据可以得出结论： 不同的连皮厚度对齿轮最大成形 载荷、 金属流动性、 齿形的充填情况和材料损伤等的影响是不同的。 当连皮厚度 t=15.2mm 时，材料损伤大，金属流动性及齿形充填状况差，且成形载荷相对较大；当连皮厚度 t=7.6mm 时，齿形充填性差，材料损伤倾向较大，载荷也较大；而当连皮厚度 t=11.4mm 时，载荷最小，且金属流动性和齿形充填情况良好，而材料损伤情况适中。综合考虑以上 几种因素，对于小模数的中小型半轴齿轮，可以确定当连皮厚度 t=0.3d 时，对齿轮充填 最有利。 北华航天工业学院毕业论文 - 24 - 3.4 不同连皮位置对齿轮成形性的影响 采用带凸台模具结构（见图 3-10） ，d=38mm，H=19.4mm，t 表示连皮厚度，h 表示连 皮中心线与齿轮上端面之间的距离。当 t=11.4mm 时，不同连皮位置对齿轮充填质量的影 响如下所述： 3.4.1当 h=0.4H 时的结果模拟分析 3.4.1.1 基本模型参数设置 (1)坯料规格为5880，材料为 20Cr,美国牌号 AISl5120，加热温度 800 (2)采用刚(粘)塑性有限元模型 (3)成形过程属于非稳态，网格划分时采用三维四面体单元，初始网格数 10000 (4)输入压机速度 250mms (5)模拟步长 05mm步 (6)摩擦边界条件：模型采用剪切模型，摩擦系数选为 0.25 3.4.1.2 模拟结果分析 在这个方案中，设置连皮厚度 h=0.4H。图 3-28 为坯料变形结束时的网格变形图，图 3-20 为成形结束时的应力图，图 3-30 为应变分布图， 图 3-31 为成形过程的行程-载荷 曲线： 图 3-28 网格变形图 北华航天工业学院毕业论文 - 25 - 图 3-29 应力分布图 图 3-30 应变分布图 北华航天工业学院毕业论文 - 26 - 图 3-31 行程-载荷曲线图 从图 3-28图 3-31 可以看出， 齿轮成形结束时应力应变分布均匀， 金属流动性较好， 齿轮成形饱满，且最大成形载荷和材料损伤因子较小。模拟结束时的相关数据见表 3-6： 表 3-6 模拟结束时的相关数据 最大载荷（吨）最大流动应力（MPa）最大应变（mm/mm）材料最大损伤因子值金属流动性齿形充填状况 2052913.681.04较好较好 3.4.2当 h=0.5H 时的结果模拟分析 3.4.2.1 基本模型参数设置 本节中基本模型参数的设置与 3.4.1.1 节中的完全相同，连皮位置 h=0.5H。 3.4.2.2 模拟结果分析 在这个方案中，设置连皮厚度 t=11.4mm。图 3-32 为坯料变形结束时的网格变形图， 图 3-33 为成形结束时的应力图，图 3-34 为应变分布图， 图 3-35 为成形过程的行程-载 荷曲线： 北华航天工业学院毕业论文 - 27 - 图 3-32 网格变形图 图 3-33 应力分布图 北华航天工业学院毕业论文 - 28 - 图 3-34 应变分布图 图 3-35 行程-载荷曲线图 北华航天工业学院毕业论文 - 29 - 从图 3-32图 3-35 可以看出，齿轮成形结束时应力应变分布很均匀，金属流动性较 好，齿轮成形非常饱满，且行程一载荷曲线较为平缓，最大成形载荷较小。模拟结束时的 相关数据见表 3-7： 表 3-7 模拟结束时的相关数据 最大载荷（吨）最大流动应力（MPa）最大应变（mm/mm）材料最大损伤因子值金属流动性齿形充填状况 168.9394.76.690.921好好 3.4.3当 h=0.6H 时的结果模拟分析 3.4.3.1 基本模型参数设置 本节中基本模型参数的设置与 3.4.1.1 节中的完全相同，连皮位置 h=0.5H。 3.4.3.2 模拟结果分析 在这个方案中，设置连皮厚度 t=11.4mm。图 3-36 为坯料变形结束时的网格变形图， 图 3-37 为成形结束时的应力图，图 3-38 为应变分布图， 图 3-39 为成形过程的行程-载 荷曲线： 图 3-36 网格变形图 北华航天工业学院毕业论文 - 30 - 图 3-37 应力分布图 图 3-38 应变分布图 北华航天工业学院毕业论文 - 31 - 图 3-39 行程-载荷曲线图 从图 3-36图 3-39 可以看出，齿轮成形结束时应力应变分布不太均匀，金属流动性 一般，齿轮成形质量一般，损伤因子有所增大，但行程一载荷曲线仍较平缓，最大成形载 荷较小。模拟结束时的相关数据见表 3-8： 表 3-8 模拟结束时的相关数据 最大载荷（吨）最大流动应力（MPa）最大应变（mm/mm）材料最大损伤因子值金属流动性齿形充填状况 186.52853.990.680一般一般 3.4.4小结 对照表 3-6,3-7,3-8 模拟结束时的数据可以得出结论： 不同的连皮位置对齿轮最大成形 载荷、 材料流动应力、 金属流动性、 齿形的充填情况以及材料损伤等的影响也是不一样的。 随着连皮位置的上移，材料的损伤因子加大，形成缺陷的可能性越来越大。当 h=06H 时，金属流动性和齿形充填状况较差，且材料损伤相对较大；当 h=04H05H 时，金 属流动较为均匀，齿形容易充满，但 h=04H 时，成形载荷以及应力较大。综合考虑以上 几种因素，可以得出：当 h=05H 时，齿轮的成形最有利。 北华航天工业学院毕业论文 - 32 - 3.5 模拟结论 (1)相对冷精锻而言，采用热精锻工艺成形半轴齿轮，可以大大降低成形载荷和流动 应力，提高模具寿命，且更有利于齿形的充满。 (2)半轴齿轮热精锻成形的关键是齿形的完全充满，齿轮大端尖顶处是最终的难充填 区，成形载荷的急剧升高现象存在于充满齿轮大端尖顶阶段。 (3)改进凹模结构，在齿模大端尖顶处设置尖角，成形时该尖角可以起到容纳多余金 属的作用，并确保齿廓面的完全充满成形。 (4)改进凸模结构，在凸模下端与顶杆上端加一大小、形状适当的凸台，可对毛坯产 生一定的径向力，便于金属分流，更有效的改善了齿形的充填条件。 (5)合理的连皮厚度和连皮位置对齿形的充填也起着重要的作用。当连皮厚度 t=03d，h=05H 时，齿形的充满情况最好。 (6)锻件上的型孔，只要模具结构合理，锻出来更有利于齿形的充满。 北华航天工业学院毕业论文 - 33 - 第 4 章模具设计 4.1 双动液压机参数 设计出模具后，在 800-吨双动液压机上完成实验研究。该双动液压机主要技术参数 如表 4-1 所示： 表 4-1800 吨双动液压机主要技术参数 单位技术参数 外滑块压力 工作KN4000 回程KN1000 顶出压力 工作KN2000 回程KN500 液体最大工作压力MPa31.5 内滑块行程mm600 外滑块行程mm600 顶出行程mm200 内滑块闭合高度mm500 外滑块闭合高度mm500 工作台有效尺寸 左右mm1000 前后mm1250 内滑块有效尺寸 左右mm400 前后mm400 外滑块有效尺寸 左右mm1000 前后mm1250 内滑块速度 工作mm/s1520 空程mm/s150 外滑块速度 工作mm/s1520 空程mm/s150 顶出速度 工作mm/s40（可调） 空程mm/s150 北华航天工业学院毕业论文 - 34 - 4.2整体模具结构设计 通过大量的理论分析和模拟研究， 设计出了一套新的模具装置， 改进后的模具结构如 图 4-1 所示，其中凸凹模的结构与图 3-10 所示的相同。 图 4-1 半轴齿轮精锻模结构 1斜压块固定板 2斜压块 3、4上下凹模外圈 5下模板 6.上下凹模中圈 7下垫板 8下顶杆 9. 上顶杆 lO齿模 I 1背锥模块 12导套 13导柱 14斜压块拉板机构 15提升板 16拉杆 17拉 杆固定板 18 凹模压板 19凸模压板 20凸模限位圈 21凸模 22凸模垫扳 23上模板 该模具中斜压块 2 与拉杆 16 呈 90分别固定在双动液压机外滑块上，上模板 23 固 定在内滑块上。开始时，内滑块处于上始点，外滑块下行。拉杆带着凹模压板 18 与上凹 模下行，通过导套 12，导柱 13 准确导向，上下凹模准确闭合，形成齿轮型腔，随后斜压 块 2 与压板接触，压死凹模。坯料从压板孔口落入型腔，依靠背锥模块 11 的型腔孔自然 定位，接着内滑块带动凸模 21 下行，镦挤坯料，使金属充满型腔。其中凸模行程靠凹模 压板 18 与凸模压板 19 接触与否确定。取件时，内外滑块动作顺序与上述相反。待上下凹 模完全分开后，顶杆将锻件从齿模 10 中顶出，完成一次成形。改进后的模具结构克服以 前模锻结构上的不足，有利于金属的流动充型，并确保齿轮的完全充满。 北华航天工业学院毕业论文 - 35 - 结论 目前国内各齿轮专业厂家普遍采用卧式铣床或半轴齿轮粗切机粗切齿、刨齿、机精、 刨齿、工艺，加工效率低，每齿加工时间达 4060s齿，而用摩擦螺旋压力机精密锻造 半轴锥齿轮， 小时生产率可达 400500 件单机班产量达 16002000 件。 材料利用率提高 1520，生产成本降低 16以上，齿轮的使用寿命也提高 1 倍以上，经济效果和社 会效益都十分显著。 目前，精锻齿轮的精度稳定在 JBE8060 标准 877 级(国际三级)。采用热预锻、冷 终锻工艺的结果，精度有所提高、工艺更加稳定，产品精度、齿面粗糙度与冷锻一样，还 具备易操作、成品率高等诸多优点。通过理论分析和实验结果的对比，进一步论证了模拟 分析结果的正确性，并利用模拟结果对模具进行了修改和优化，完善了模具设计。本课题 的研究成果可以为其他齿轮的生产以及相关的模具设计提供理论和实践依据， 对促进我国 齿轮精锻技术的发展具有积极的作用。 然而在模具加工和模具及齿轮测量方面还有大量的工作要做。 因为要补偿齿轮的弹性 回复和模具的弹性变形,模具的齿轮轮廓不再是标准的渐开线，所以要制造出高精度的模 具,还有很多困难,尤其是齿轮精锻模的轮齿,更难加工。齿轮精密锻造技术的另一关键是 测量,包括模具和齿轮的测量。测量锻造齿轮的关键困难是其缺乏精确的基准。由于模具 的轮齿为非标准齿轮,不能用一个标准齿轮来做比较进行测量,也存在模数和其他参数的 误差。 此次研究还分析了各主要工艺参数对齿轮充填成形的影响规律。如下： 凹模结构对齿形的充满有较大影响。改进凹模结构，在齿模大端尖顶处设置尖角，成 形时该尖角可以起到容纳多