（材料加工工程专业论文）伞齿轮冷摆辗精密成形工艺研究及其cadcapp系统开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 【摘要】 本论文对伞齿轮冷摆辗精密成形工艺的若干问题进行了系统的理论和实验 研究，深入分析了伞齿轮冷摆辗精密成形工艺的物理力学本质，确定了伞齿轮 产品零件一模具一电极之间的几何尺寸精度传递规律和数值关系，建立了冷摆 辗精密成形工艺参数和模具、伞齿轮锻件和预制坯、工具电极的设计计算方法。 基于p r 0 e n g i n e e r2 0 0 0 i 系统平台，研究开发出了伞齿轮冷摆辗精密成形工 艺c a p p 和模具c a d 设计系统g e a r c a p p 系统。 按照伞齿轮冷摆辗精密成形工艺的设计路线，g e a r c a p p 系统被设计成四 根据此生成的模型及相应模块的c a p p 功能。计算或判断确定相应的工艺参数 最后，根据这些工艺参数系统生威锻件、电极及凹模的c a d 模型，并生成工艺 参数文件用以指导实际生产。、， 本论文对富康轿车齿轮冷摆辗精密成形工艺进行了具体的理论和实验研 究，开发的g e a r c a p p 系统运用于富康轿车行星齿轮的设计制造中，其生产的行 星齿轮通过了项目鉴定，达到了设计使用要求。 关键词：伞? 够冷? 梦精寥感形c 岂c e 尹 v 。 蠢 武汉理工大学硕士学位论文 【a b s t r a c t 】 i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i ca s p e c t sa b o u tf o r m i n gp m c e s sa n dm o u l df o rc o l d p r e c i s i o nr o t a r yf o r g i n go fc o m m o nb e v e lg e a ra r e s t u d i e dw “hm e t h o do f t h e o l 了a n de x p e r i m e n t t h e r u l e sa n dn u m e r i c a ir e i a t i o n so fd i m e n s i o n a i p 阳c i s i o nr e l a y i n ga m o n g c o m m o nb e v e lg e a rp a r t ，d i ec a v i 哆a n dt o o le l e c t m d e a r ee s t a b l i s h e d m e a w h u e ，t h ed e s i g na n dc a l c u l 矗t i o nm e t h o d sf b rp r o c e s s p a r a m e t e r s ，m o u i d ，c o m m o n b e v e ig e a rf o r g i n ga n dp r e f o r ma n dt o o ie l e c t m d e 8 r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h es o f t w a np l a t f o r mo fp r 州e n g i n e e r2 0 0 0 i ，t h e d e s 蟾ns y s t e m ( g e a r c a p p ) c o n s i s t e do fc a p pa n dc a d ，w h i c ha nu s e df o r f o 珊j n gp 阳c e s sa n d m o u j d d e s i g nf o rc o l dp r e d s j o nr o t a r yf o r g i n go f m m o n b e v e lg e a r ，a r es t u d i e da n dd e v e l o p e d a c c o r d i n g t o d e s i g nr o u t eo f t h ef o r m i n g p r o c e s so fc o l dp r e c i s i o nm t a r y f o r g i n g o fc o m m o nb e v e lg e a bt h i sd e s i g ns y s t e mg e a r c a p pc a nb ed i v i d e di n t o 4m o d u i e s ：t h em o d u ko ft h ei n f o r m a t i o ni n p u t t i n go fc o m m o nb e v e lg e a r p a 心t h em o d u l eo fd e s i g nt h ef o r g i n g ，t h em o d u i eo ft h ep r o c e 黯p a n m e t e r s d e s i g n ，t h em o d u i e o fm o u l d d e s i g n 1 g e a r c a p p t h eg e o m e t r ym o d e lo fc o m m o nb e v e lg e a rp a nc a nb e c n a t e di np r o e n g i n e e r a c c o r d i n g t ot h ei n f o r m a t i o nf h mt h em o d u l eo ft h e i n l b r m a t i o n i n p u t t i n g ； t h e n ， t h e p r o c e s sp a i 翟m e t e r s c a nb ec a l c u i a t e do r d e t e r m i n e db a s e do ng e o m e t i ym o d e la n dc a p pf h n c t i o n s ；f i n a l l y ；g e o m e t r y m o d e lo ff o r g i n g ，t o o le l e c n 0 d ea n dm o u l dc a nb e c o n s n u c t e d ，a n dt h e t e c h o l o g yd o c u m e n t s f o r p r o d u c t i o n c a nb ec n a t e da sw e l l t h er e s e a r c hi sb a s e do nt h ep r o j e c tf o rc o l dp r e c i s i o nr o t a r yf b r g i n go f c i t r o e nc a r sg e a r g e a r c a p pi sa p p i i e dt ot h e d e s i g no fc i t r o e n c a r sp i a n e t a r ) r g e a rs u c c e s s f u l l ya n d t h ep r o d u c ta c c o r d sw i t h d e s i g ns t a n d a r d k e y w o r d s ：c o m m o nb e v e ig e a rc o i dr o t a r y f b r g i n gp r e c i s i o nf 0 珊i n g c a dc a p p u 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 作为一种典型的传动零件齿轮，被广泛地应用于航空、航天、汽车、 仪表等众多的行业领域。齿轮质量的好坏直接影响到相关产品的性能水平。可 以说，齿轮加工技术的高低已经成为了衡量一个国家机械制造水平的重要标志 之一。国内的齿轮加工目前仍以传统的滚齿、插齿、剃齿和研齿等机加工技术 为主。采用这些常规的切削加工工艺，材料的利用率低、能耗大、生产率低， 尤其是在加工过程中切断了材料的金属流线，造成轮齿强度与疲劳寿命下降。 因此近年来应用塑性成型工艺来取代传统的机械切削加工方法，已经越来越被 受到重视。精密成形工艺克服了切削加工工艺中的材料利用率低、生产率低， 尤其是由于切断了金属流线而造成的强度低的种种缺点，以其高效率、高精度 而成为齿轮加工变革的主要方法之一。 精密成形工艺作为一种先进制造技术，是在传统模锻工艺的基础上逐步发 展起来的。精密成形工艺目前被普遍接受的定义l l 】是“至少锻件的部分表面的 尺寸精度和形状精度达到可直接用于装配或仅需磨削加工即可装配的程度”。 采用精密成形技术生产齿轮件，不仅具有节材、节能、减少机加工工序与工时、 成本低、效率高等显著优势，而且可大幅度提高产品内在与外观质量，符合高 效、精密、绿色清洁的2 1 世纪先进制造技术的发展趋势，是未来齿轮加工变 革的主要方法之一i z j 。 伞齿轮冷摆辗精密成形工艺是一种先进的齿轮加工技术。这种工艺是将型 材经塑性变形来成形齿形，它具有材料利用率高、生产率高、生产成本低等显 著优点，且齿面形成了完整的金属流线，可大幅度地提高齿轮的机械性能和使 用寿命。同时这种工艺作为摆辗工艺的一种类型，也具有省力、成形尺寸形状 精度高，可以实现少无切削加工、摆辗模具寿命高、劳动环境好，易于机械化、 自动化生产等优点。 同时，伞齿轮冷摆辗精密成形工艺是一个复杂的系统工程，涉及到原材料 软化处理、润滑处理、金属在模具型腔中的流动规律、成形模具结构、模具型 腔设计和齿形精度补偿方法、加工型腔的电极设计和电极齿形修正方法等一系 武汉理工大学硕士学位论文 列工艺过程、工艺理论和方法，技术十分复杂f 3 】。为了提高我国汽车零部件生 产技术经济水平，增强湖j b 省汽车齿轮产品市场竞争能力，填补湖北省轿车齿 轮产品空白，武汉理工大学与湖北车轿股份有限公司于1 9 9 9 年联合申报了湖北 省重点科技发展计划项目“富康轿车齿轮冷摆辗精密成形技术”，经湖北省科委 批准立项实施。经过近两年的工艺理论分析、试验研究，成功地开发了富康轿 车齿轮的冷摆辗精密成形技术，并投入了试生产，产品与神龙汽车有限公司富 康车配套。 本论文就是基于该项目，对伞齿轮冷摆辗精密成形工艺进行了系统地研究、 试验、分析和总结，并且将该工艺应用到计算机辅助设计中，研究开发具有针 对性的计算机辅助设计系统。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 伞齿轮精密成形工艺研究的现状 伞齿轮在机械传动中应用广泛，尤其是在汽车的传动机构中更是如此。传 统的伞齿轮加工是采用金属切削加工方法，使用专门的切齿机床对每一个齿逐 渐加工，这种工艺方法有着许多缺点。近年来，国内已开始着重发展更有前途 的塑性成形加工工艺来取代原有的加工方式；尤其是以净成形或近净成形为目 标的精密成形工艺正成为齿轮加工技术的发展方向刚。 1 2 1 1 精密模锻工艺在齿轮加工中的应用 一般的塑性精密成形工艺为精密模锻，它是从一般模锻逐步发展起来的一 种少无切削工艺【5 】。按金属成形时的温度可以分为冷锻、热锻和温锻： ( 1 ) 冷锻是在室温下进行锻造，可以得到较高的表面质量和良好的尺寸精度。但 是其成形能力有限，变形抗力大，模具寿命低，所以如何提高模具寿命是困 扰冷锻技术研究的一个主要障碍。 ( 2 ) 热锻适用于几乎所有钢种并能生产各种形状的零件。但是，在热锻时会发生 强烈的氧化反应，降低锻件的表面性能，导致较大的尺寸公差，后继的机加 工余量较大。 2 武汉理工大学硕士学位论文 f 3 ) 温锻是一种较新的工艺方法，其成形温度通常介于6 5 0 9 5 0 之间，因而综 合了热锻和冷锻的优点。用这种方法生产的锻件既具有热锻件良好的成形性 能，又具有冷锻件高质量的加工表面，所以是一种很有前途的工艺方法。但 是，其工艺需要考虑的因素较多，工艺规范的研究还不成熟，同时其工艺设 计及模具开发的费用都相对高于热锻和冷锻。 国内外较先进且应用较广的齿轮加工工艺是热精密模锻，它可以提高齿轮 的强度和抗弯疲劳性能，减少热处理变形量，提高产品精度，节约材料，减少 工时，降低生产成本。但是它仍然具有上述热锻的缺点：工序多，能量消耗大 需要严格控制加热温度，锻件上的氧化皮不能太多，需要及时清除，最好采用 无氧化加热。 1 2 1 2 摆辗成形工艺 摆辗，即摆动辗压，也称为轴向轧制，是从7 0 年代起才逐步大量应用于生 产的塑性加工新工艺。由于这种工艺独特的加工方式和其诸多的优点，引起了 世界各国的学者、企业的高度重视。其工艺特点如下： ( 1 ) 摆辗的模具有两部分。主动加压 部分为锥体模( 亦称为摆头) ， 其加工过程中与工件局部接触， 在工件上作滚动或滚动+ 滑动； 另一部分模具与机床同轴，工件 装在这部分模具上。 ( 2 ) 摆辗时，装在摆头上的锥体形状 模具与工件局部接触( 如图 1 1 ) ，仅为工件变形面积的1 肪 ( = 5 1 0 ) f 6 j ，接触面积轴向压 缩而切向和径向伸长，由于模具 摆动而该接触面不断地移动，覆 盖工件整个变形面积时即完成 一个进给周期，多个进给周期叠 加完成工件所需要的整体变形。 图1 1 摆辗原理 触区( 加压区) 相当于锥体沿母线在工件上滚动+ 滑动，接触面偏向一旁，即机床承受周期 3 武汉理工大学硕士学位论文 变形偏心载荷。 ( 3 ) 与传统塑性加工方法相比，摆辗加工的运动形式多样，并且也比较复杂。 ( 4 ) 摆辗工艺主要适用于成形轴对称零件。 由于摆辗加工工艺的特点，使其具有了以下主要优点： ( 1 ) 省力。首先，由于塑性加工的变形抗力为平均单位面积压力与接触面积的乘 积，而摆辗加工是连续局部变形的过程，接触面积比常规锻造接触面积小得 多；同时，模具与工件之间的相对运动有滚动，摩擦系数小，降低了塑性流 动阻力；再者，接触面积小，则塑性区相对厚度大，应力状态系数小，变形 抗力小。综上所述，摆辗变形抗力仅为常规锻造变形抗力的l ，5 l ，2 0 【6 1 。 ( 2 ) 成形的尺寸形状精度高，可以实现少无切削加工。由于摆辗是一种递增锻造 过程，能够迫使金属充满各个角落，制件尺寸形状精度高，表面粗糙度低。 ( 3 ) 由于辗压力小，并且平均单位压力小。所以可以用于冷锻，并且能够成形其 它冷塑性加工难以成形的制件，是十分有效的少无切削加工方法。这也是采 用冷摆辗工艺来精密加工伞齿轮的主要原因。 h ) 摆辗模具的寿命高。因为摆动辗压与传统锻造相比，其轧制单位压力小许多， 摆头与工件局部接触，模具负荷低，并且是间歇性载荷，所以摆辗模具更耐 磨损，失效慢，寿命高。 ( 5 ) 劳动环境好，易于机械化、自动化生产。 由于摆辗工艺具有上述的优点，使其在精密加工领域具有了独特的优势。 我国在摆辗工艺的理论研究和生产实践方面起步较早，并且取得了许多成果订j 。 在伞齿轮摆辗加工方面，武汉工学院在1 9 8 6 年对汽车后桥差速器行星伞齿轮进 行了温摆辗成形工艺的研究，辗压出的烧结体锻件达到了设计要求；】9 8 8 年重 庆五九所与西安交通大学锻压研究教研组合作，研究了行星伞齿轮冷摆辗成形 工艺中摆头运动轨迹、摆辗时闭等工艺参数对齿形填充程度的影响，并且计算 了摆辗力嘲。 1 2 1 3 冷摆辗成形工艺在伞齿轮精密加工中的应用 采用冷摆辗成形工艺来精密成形伞齿轮是近年来被采用的先进的齿轮加工 工艺。该工艺既可以避免热锻时加热所带来的种种缺点；同时，也克服了普通 冷锻时变形抗力过大，模具寿命低等缺点。而且采用冷摆辗成形，省去了加热 4 武汉理工大学硕士学位论文 设各以及有关的能量消耗；又由于摆辗件金属纤维的合理分布，摆辗过程中的 强化，大大提高了成品零件的机械性能，其加工精度、表面光洁度也能够大大 提高。所以，冷摆辗精密成形工艺在齿轮加工领域有着广阔的应用前景。 但是，伞齿轮冷摆辗精密成形工艺涉及原材料软化处理、润滑处理、摆辗 工艺参数设置、凹模型腔设计、加工型腔的电极设计等诸多问题，只有系统研 究了这些问题之后才能有效地指导实际生产，并为该工艺应用到计算机辅助设 计中提供理论依据。 1 2 2 c a d c a p p 技术在伞齿轮冷摆辗精密成形工艺中的应用 1 2 2 1c a p p 技术概述 c a p p ( 计算机辅助工艺设计，c o m p u t e r a i d e dp 阳c e 髂p l a n n i n g ) 是根据 产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的设计。【9 】 工艺设计是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造之 间的桥梁。它对组织生产、保证产品质量、提高劳动生产率、降低成本、缩短 生产周期等都有着直接的影响，因此是生产中的关键工作。但长期以来，依靠 工艺人员根据个人的经验以手工方式进行工艺设计，而手工设计工艺规程存在 着许多缺点： ( 1 ) 由于每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，所以由人工 设计工艺规程一致性差、质量不易稳定、难以达到优化目标和不便于工艺规 程的标准化。 ( 2 ) 设计效率底下，存在大量的重复劳动。 ( 3 ) 手工设计工艺规程不便于计算机对工艺技术文件进行统一的管理和维护。 ( 4 ) 不便于将工艺专家的经验和知识集中起来加以充分地利用。 应用计算机辅助工艺设计就可以迅速编制出完整、详尽、优化的工艺方案 和各种工艺文件，从而克服了上述缺点。 c a p p 系统能利用工艺人员的经验知识和各种工艺数据进行科学的决策， 自动生成工艺规程，还能自动计算工艺尺寸、选择工艺参数和对工艺设计结果 进行优化等，从而设计出一致性良好的、高质量的工艺规程，也使工艺设计与 c a d ，c a m 乃至m i s 等系统的集成成为可能。 5 武汉理工大学硕士学位论文 自从挪威于1 9 6 9 年正式推出世界上第一个c a p p 系统a u t o p r o s ，到目 前，先后出现了在设计方式上的两类系统，即派生式系统和创成式系统。 ( 1 ) 派生式c a p p 系统( 也称为检索式或变异式工艺设计系统) 的基本原理是利 用零件的相似性，即相似零件有相似的工艺规程。一个新零件的工艺规程是 通过检索系统中已有的相似零件的工艺规程并加以自动筛选或编辑而成的。 ( 2 1 创成式c a p p 系统的工艺规程是根据程序中所反映的决策逻辑和制造工程 数据信息生成的。而工艺决策中的各种决策逻辑或植入程序代码，或者以规 则的形式存入相对独立的工艺知识库，供主控程序调用。在向创成式系统输 入待加工零件的信息后，系统能自动提供各种工艺规程文件，用户不需或略 加修改即可。 近年来，这两类系统都在发展中不断改进提高和互相渗透，而且从8 0 年代 开始探索将人工智能、专家系统技术、人工神经元网络技术、模糊推理以及基 于实例的推等技术应用于c a p p 系统的研究和开发。 1 2 2 2c a d ，c a l p 技术在伞齿轮冷摆辗精密成形工艺中的应用现状 近年来，c a d ，c a p p 技术在齿轮方面的研究与应用多集中在齿轮类零件的 设计、对齿轮的机加工工艺设计等【1 0 1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 】；而针对冷摆辗加工齿轮的工艺 设计过程来应用c a d ，c a p p 技术的研究和系统开发却鲜见报道。同时，由于过 去计算机技术的条件限制，c a d 系统的开发多采用二维( 、a d 设计系统，如 a u t o c a d 等；这样开发的系统对以后进一步进行计算机辅助设计与分析，如有 限元分析、c a m 等，都带来了潜在的制约和不便。而随着计算机技术的发展， 尤其是c a d 技术的发展，近年来逐渐出现了使用专业的三维。蛐，c a m 系统 作为系统开发的c a d 平台，它可以有效地解决二维设计系统带来的种种问题， 这也必将成为今后c a d 系统开发的趋势。 由于伞齿轮冷摆辗精密成形工艺涉及到许多工艺参数的计算和设置问题， 例如摆辗力的计算、锻件的体积计算、毛坯的设计、进给量的确定、电极齿形 的修正等等，所以确定一整套工艺方案是非常复杂的，而且人工制定工艺方案 不可避免具有前述的诸多缺点。将c a d c a p p 技术运用到伞齿轮冷摆辗精密成形 工艺中，就可以很好地解决这些问题。o 蛐系统能够进行齿轮零件的设计， c a p p 系统读入c a d 系统生成的相关数据，就为后来的工艺参数的设计提供了 6 武汉理工大学硕士学位论文 依据。c a p p 系统根据系统中设置的设计准则、计算公式和经验判据自动进行 科学决策，并生成工艺技术文件。同时，c a d 系统又可以通过c a p p 系统中得 到的工艺数据，进行工具电极和凹模的设计，并生成其c a d 模型，为以后的 c a m 设计提供了基础。 所以，本论文将c a d c a p p 技术具体应用到伞齿轮冷摆辗精密成形的整个工 艺设计过程是一次有益的尝试和探索。 1 3 论文研究的内容和意义 本论文首先系统研究了伞齿轮冷摆辗精密成形工艺。对伞齿轮冷摆辗精密 成形工艺和模具的若干问题进行了系统的理论和实验研究，深入分析了冷摆辗 精密成形工艺的物理力学本质，确定了伞齿轮产品一凹模一电极之间的几何尺 寸精度传递规律和数值关系，建立了冷摆辗精密成形工艺参数和模具、伞齿轮 锻件和中间预制坯、工具电极的设计计算方法。在此基础上，采用v i s 呻ic + + 6 o 系统和p r 0 e n g i n e e r2 0 0 0 i 系统构建了伞齿轮冷摆辗精密成形工艺 c a d ，c a p p 系统g e a r c a p p 系统。 g e a r c a p p 系统按照伞齿轮冷摆辗精密成形工艺的设计路线，主要由四个 模块组成。它们分别为：伞齿轮零件信息输入模块、锻件设计模块、工艺参数 设计模块和模具设计模块。通过人一机交互的工作方式，该系统可以完成从齿 轮零件c a d 模型的生成，到锻件的设计，再到工艺参数的确定，最后完成工具 电极和凹模的设计的全部设计过程。该系统通过专业的c a d ，c a m 软件系统 p r o e n g i n e e r2 0 0 0 i 系统来完成齿轮零件、锻件、工具电极和凹模的三维造 型；同时，根据o 部分的数据，通过由v j s 岫jc + + 6 o 编写的程序，可以得 到该工艺所需要的各种工艺参数和电极修正所需的尺寸参数。 该系统的最终设计结果可以得到伞齿轮冷摆辗精密成形工艺的完整工艺信 息和齿轮零件、电极以及凹模的几何模型。该系统所得到的几何信息经过其它 高端软件的数控后处理模块处理后，即可用作数控加工的数据。同时，该系统 的研制和开发为其他零件冷摆辗糟密成形工艺。如i ，c a p p 系统的研究开发作 了一定的尝试和探索。 鲁 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 伞齿轮冷摆辗精密成形工艺研究 伞齿轮冷摆辗精密成形工艺是一种先进的制造技术，它在实际生产中的工 艺设计包括坯料的准备、伞齿轮锻件设计、摆辗力的计算及摆辗机吨位的确定、 摆辗工艺参数的确定( 包括摆头倾角、每转压下量、摆辗运动轨迹等参数) 、电 极的设计和凹模型腔的设计等。本章就上述问题进行分析研究，并提出相应的 工艺参数的计算方法或确定原则。而这些计算方法和原则将作为g e a r c a p p 系统 中工艺辅助设计的计算和决策的依据，以及参数化c a d 造型中几何关系的确定 依据。 2 1 摆辗变形的基本概念 2 1 1 主动变形区和被动变形区 摆动辗压的实质是一种特殊的二辊扎制。摆辗过程中，摆头虽只与工件局 部接触，但工件作为一个连续整体，非接触部分也被动受力。 工件的加工表面可以被分成接触区和非接触区。接触区直接承受摆辗压力 而发生塑性变形，故称之为主动变形区；非接触部分承受主动变形区带来的侧 压力，这是因为主动变形区在辗压力的作用下发生切向伸长而对非接触区产生 了侧压力，所以非接触区被称为被动变形区。工件的变形就是由这两部分组成 的，如图2 1 。 厂| 一6 0 臻 o ， r 七s e 2 一z ( 2 ) 被动变形区的变形 由于主动变形区变形产生的占。 0 ，主动变形区就相当于一个楔劈对被 动变形区施以侧压力，所以被动变形区产生阻力来阻碍主动变形区的变形。其 阻力的大小将随着主动变形区的变形量来变化，其值与加工工件的相对厚度和 轴向轧制的相对进给量有关。 在主动变形区的侧压力作用下，被动变形区的变形可以以下三种情况：一、 小弹性变形；二、大弹性变形，发生弹性失稳，以致于发生翘曲或起皱：三、 当工件( 预制坯) 较薄时，在主动变形区的径向对称部位形成所谓的“塑性铰”， 如图2 2 所示。这时，塑性铰内侧受拉，仃口 o ，外侧受压盯口 6 。时，摆辗倾角的变化对摆辗力和摆头扭矩的影响较小。这也是 目前所制造的摆辗机的摆头倾角， o 且1 时，为螺旋线； ( 2 ) 当口= l 时，为圆； 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 当口= o 时，为双圆： ( 4 ) 当 1 时，随g 增加，单位面积压力 门 增加。但是总的说来，相对进给量q 的变化对单位面积压力的影响，对塑性区 深度的影响不显著。 综合上述每转进给量j 与塑性变形区的宽度玩和接触面单位面积平均压 力尸之间关系的分析，可知：增大每转压下量s 可以提高工件塑性变形的均匀 性。所以，每转进给量应尽量取大，但要保证工件不发生拉缩性折叠和破裂。 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 摆辗力的计算 摆辗变形力的计算可以为选择摆辗机吨位提供理论依据。由于伞齿轮冷摆 辗成形是局部加载非对称的不均匀变形，整个变形过程为非稳态问题，而且锥 体模和凹模的形状复杂，分析计算不便。所以采用“能量法”分析其成形过程 中所需的变形力较为合适。 资料 1 6 采用“能量法”对伞齿轮冷摆辗成形的塑性变形力进行了研究，将 伞齿轮冷摆辗成形的过程进行简化：如图2 1 1 ，由圆柱体坯料摆辗成圆锥台形， 再成形齿形部分，并出现飞边，其中i 、 两个阶段工件高度不变。 卜1f 1 l i ii f p 警、 所示) ( 5 ) 4 齿是齿形部分的塑性变形能，它包括齿顶部分和齿根部分的塑性变 形能，且 么，齿2 么j p 项+ 4 p 根 = 陪盯； ：百k 乜n p 。一日。) 3 一( r 。t a n 口，一日) ，】一( r 3 一) t a n 2 口。) f + 陪吒 0 万k t a n 岛一以) 3 一 。t a n 岛一何：) 3 1 _ k 3 一露) t a n2 吼 | ( 2 固 武汉理工大学硕士学位论文 上式中，r 。伞齿轮小端的分度圆半径，且r 。= r 一( _ l 一啊) t a n 口( 日为伞齿 轮分度圆锥角) ； 岛、吼分别为伞齿轮的齿顶圆锥角和齿根圆锥角； h ，、h ：分别为伞齿轮的齿顶高和齿根圆。 设摆辗变形力为p ，由能量守恒得；摆辗力计算公式为p ：兰点。 ( 2 9 ) ( 风一 ) 将( 2 5 ) 式代入上式，即可计算摆辗力。 2 7 工具电极的齿形设计 伞齿轮的摆辗模具由凹模型腔和上模摆头组成，其中凹模型腔的加工精确 程度是保证伞齿轮精密成形的关键。而凹模的型腔是采用电火花加工得到的， 所以工具电极的齿形设计将对凹模型腔的加工精度起到重要作用。 在冷摆辗工艺中，基本上不存在热锻时锻件的氧化和冷缩、锻模的热膨胀 等问题，所以认为伞齿轮锻件的齿形尺寸与凹模的齿形尺寸相同，因此在设计 工具电极齿形时应当主要考虑电极加工时的放电间隙和电极的烧损对电极的齿 形精度的影响。所以，放电间隙的存在和电极的烧损是工具电极齿形设计时应 考虑的两个主要因素。 在设计工具电极的齿形尺寸时，以零件齿轮的齿形尺寸为基础，计入放电 间隙的影响，可以得到烧损后的电极齿轮；再计入电极的烧损，就可以得到最 终的电极齿轮的齿形。这就是伞齿轮零件一凹模型腔一电极之间的几何尺寸精 图2 1 2 工具电极的齿形精度影响因素关系示意图 武汉理工大学硕士学位论文 2 7 1 放电间隙对电极齿形的影响 由于在电火花加工中。凹模型腔齿形与电极齿形之间存在放电间隙占。根据 电火花加工的放电性质，假设放电间隙值沿电极表面法向相等，所以凹模型腔 齿廓尺寸减去放电间隙6 就是电火花加工终止时的电极齿廓尺寸。图2 1 3 表示 在节锥距为上处的当量模腔齿廓厶和当量电极齿廓三：。 图2 1 3 节锥距为上处的当量模 腔齿廓厶和当量电极齿廓岛 如图2 1 3 所示，厶上一点4 在其法向方向减小一个放电间隙积p 得到岛上 一点4 2 。 因为厶与工：上各点沿法向相差一个相同的距离五根据渐开线的性质可知， 厶为渐开线时，岛也是渐开线，并且两者的基圆相等；只是工l 较工2 早了一个口 角生成( 其中口= 导，r 为基圆半往) 。即当量电极齿形上2 可由当量模腔齿廓工， 绕坐标原点逆时针旋转口角得到。 设当量凹模型腔齿廓厶为标准渐开线，其参数方程为 _ x ：嚣z 耋：j 陋聊。j ，l = r ( s i nf 一，c o s ，) 、7 上式中，( 一，y 。) 表示厶上任意点彳。的坐标，为。齿形的基圆半径，f 为参 武汉理工大学硕士学位论文 数。 故根据图形变换原理，利用旋转变换公式【1 7 】 芰：i ：；二羔：芝弓 c z - - ， 将( 2 1 0 ) 式代入( 2 一1 1 ) 式，得 _ 。2 2 7 【c 0 8 ( hp ) 们1 n ( 口) 】 ( 2 1 2 ) ly 2 = ，【s i n ( ，+ 口) 一，c o s ( ，+ 口) 】 、7 式( 2 一1 2 ) 中，( 屯，儿) 表示工2 上任意点名2 的坐标，口= 兰，0 。 ， 式( 2 1 2 ) 即是当量电极齿形的理论轮廓线参数方程，它不是标准的渐开线方 程，而是基于当量模腔齿廓渐开线的变位渐开线方程。两者的齿形对应着同一 个基圆，所以两者的渐开线形状相同，但是当量电极齿形的渐开线起始点比当 量模腔齿廓渐开线起始点晚了一个口角，也就是说电极齿形由模腔齿廓齿形负 变位而成。 因此，电极可以使用与模腔齿廓相同的齿形参数及刀具，但是要改变床位， 将齿形进行等移距量的径向负移距来加工。 霄 径向移距量为：氟= 一( 2 - 1 3 ) 式中，当量模腔齿廓渐开线的压力角，即伞齿轮零件的压力角。 2 7 2 电极的烧损对电极齿形的影响 在电火花加工过程中，电极会有一定量的烧损，这使得加工前后的电极齿 形参数会发生变化。为了简化问题，提出以下前提和假设： ( 1 ) 粗加工阶段的电极烧损量不影响模具齿形精度。 ( 2 ) 电极齿廓上各点在中、精加工阶段的烧损率相同。 ( 3 ) 粗加工终止时，换上精加工电极开始精加工电极齿廓上各点均已进入 加工状态。 武汉理工大学硕士学位论文 将分析电极从精加工开始到结束这一过程中，电极烧损对电极齿形参数的影响。 图2 1 4 表示在电火花加工过程中，某一脉冲放电后，节锥距为三处的当量 模腔齿廓m 和当量电极齿廓，两者沿法向均匀地相差一个放电间隙。此后， 在脉冲间隔期问，电极沿n 方向送进 距离。此时，三处的电极齿廓变为j 。 显然，与m 之间各点的法向距离小于，与膨之间各点的法向距离；并且， 上越靠近齿顶的点与m 之间的法向距离越小。所以靠近齿顶的最小间隙处达到 击穿电压而被击穿放电，然后沿向齿根方向的点依次被击穿，从而使，与肘之 间的各点法向间隙相等。此后，电极的送进和脉冲放电继续交替进行，重复上 述电火花加工过程。由此可知，电极齿廓上各点的烧损量是不同的，越靠近齿 顶的点，工作时间越长，烧损量也越大。 图2 1 4 某一脉冲放电后，节锥距为三 处的当量模腔齿廓m 和当量电极齿廓 下面来计算分析烧损后的电极齿形参数。 设电极从中加工开始到精加工结束这一过程中共送进了h ，烧损后的电极 齿形参数如图2 1 5 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 5 电极送进何，烧损后的电极齿形参数 其中，m ，、以。精加工开始时，在三。处模腔、电极的当量齿廓； 竹。、以，精加工开始时，在厶处模腔、电极的当量齿廓； r 。、r 。以。、，m 的分度圆半径； 也。以。上的任意一点； 吼：点b 。在以上的径向对应点： 妒表示伞齿轮的分度圆锥角。 如果电极无烧损，则从精加工开始到精加工结束，电极齿廓j ，。上各点沿n 方向送进了h 时，就将如处的模腔齿廓材女加工成m ，。在这个过程中，点或。的 径向位移分量为b 。吼。，分度圆上点4 。的径向位移分量为以，4 。 彳，1 么t i = 日s i n p = 宜。一r d 七 ( 2 1 4 ) 令r 。一r n 七= 七d r 赫，则r 五= r “( 1 + 后d ) ( 2 1 5 ) 2 7 亟堡墨王盔