（材料加工工程专业论文）圆柱直齿轮冷精锻工艺研究及其capp系统开发.pdf

武汉理一i ：人学硕 学位论文 摘要 本论文分析了圆柱直齿轮的分流精锻工艺以及浮动凹模结构，并将浮动凹 模结构引进入分流法中，从而充实了分流理论。采用预锻阶段上下凸模均带有 凸台的两步分流成形法成形齿轮。通过实验比较，改为浮动凹模后的工艺在预 锻及终锻过程中的锻造力有所降低，卤形充满更为良好，本文确定了圆柱直齿 轮精密成形工艺的改进后的两步分流成形工艺。 在两步分流成形法的基础l 二，优化了顶锻模具及终锻模具尺寸参数，并对 锻件进行了力学分析，提出了锻造力的计算准则，确定了相应的齿轮零件，锻 件，模具尺寸问的参数关联，为圆柱直出轮冷精锻g e a r c a d c a p p l l 系统的生成 提供依据。 本文开发的圆柱直齿轮冷精锻c a p p 系统。该系统是基于v i s u a lc + + 系统平 台和p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0 ，将齿轮造型和冷精锻工艺与c a p p ( 计算机辅 助工艺设计1 和模具c a d 系统集成于一体的，一个内容升级的g e a rc a d c a p p 系统。该系统通过输入零件尺寸，能够自动生成锻件图、精锻工艺和模具结构 参数，能够自动计算锻造力和压力机吨位。该系统具备了齿轮精锻模具零件标 准件库、模具结构组合数据库和零件坯料软化热处理方式数据库。 本文的圆柱直齿轮冷精锻c a p p 系统由五大功能模块组成：1 ) 齿轮参数化 设计模块、2 ) 锻件设计模块、3 ) 坯料设计模块、4 ) 模具设计模块和5 ) 热处理设 计模块。该系统能够将齿轮成形过程的各个参数显示在“工艺文件”上，能从 产品零件的尺寸开始，经过锻件设计，毛坯设计，坯料软化设计，直至最终的 预锻与终锻模具设计，完成这些工步生成相应的c a d 模型及相应模块的c a p p 工艺参数，显示工艺文件以指导实际生产需要。 关键词：直齿圆柱齿轮分流精锻浮动凹模计算机辅助工艺设计 武汉理工夫学硕t 。警位论文 a b s t r a c t i n t h i st h e s i s ，t h eb a s i ca s p e c t sa b o u tt w o s t a g ef o r g i n ga n df l o a td i ef o r g i n go f s p u rg e a ra r es t u d i e d t h ef l o a td i em e t h o di si n d u c t e di n t ot w o - s t a g ef o r m i n gw i t h u p p e ra n dl o w e rp i n sa n dt h en e wt w o - s t a g ef o r m i n gi sa d v i s e d t h u st h et w o - s t a g e f o r m i n gi se n r i c h e d t h r o u g he x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n ，t h em o d i f i e dp r o c e s sr e d u c e t h ef o r g i n gf o r c ed u r i n gp e r f o r m i n gf o r g i n ga n df i n a lf o r g i n g a sw e l la st h et o o t h c a v i t yi sf i l l e ds u c c e s s f u l l y f i n a l l yt h i st h e s i sc o n f i r mt h em o d i f i e dt w o s t a g ec o l d p r e c i s i o nf o r g i n go fs p u rg e a r t h es i z eo fp e r f o r m i n ga n df i n a lf o r g i n gm o u l da r eo p t i m i z e d ，a n dc a l c u l a t i o n c r i t e r i o no ff o r g i n gp r e s s u r ei sa d v i s e da f t e rm e c h a n i c a la n a l y s i s ，p a r a m e t e r sr e l a t i o n s b e t w e e np a r t sa n dm o u l d sa r ec o n f i r m e dt os u p p o r tg e a rc a d c a p pi i t h ec o l dp r e c i s i o nf o r g i n gc a p ps y s t e mw h i c hi n t e g r a t e dc a p pw i t hc a di s e x p l o i t e dr e l y i n go nt h ev i s u a lc + + a n dp r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0 b e s i d e si t sa u p g r a d e ds y s t e m t h e nf o r g i n gp a r t s ，m o u l dp a r a m e t e r s ，t h et o n n a g eo fm e c h a n i c a l p r e s sa r ea u t o m a t i cg e n e r a t e da f t e ri n p u t t i n gt h ei n f o r m a t i o no fs p u rg e a r t h e s t a n d a r dm o u l dp a r t sa n d3 ds t r u c t u r ed r a w i n g sa r ed e s i g n e db a s e do nt h es t a n d a r d m o u l dp a r t sd a t a b a s ea n dt h eh e a t - t r e a t m e n to fb l a n ks o f t e n i n gd a t a b a s e t h i ss y s t e mc a l lb ed i v i d e di n t o5m o d u l e s ：1 ) t h em o d u l eo ft h ed i m e n s i o n i n f o r m a t i o ni n p u t t i n go fs p u rg e a rp a r t ；2 ) t h em o d u l eo fd e s i g n i n gt h ef o r g i n g ；3 ) t h e m o d u l eo fd e s i g n i n gt h eb l a n k ；4 ) t h em o d u l eo fm o u l dd e s i g n i n g ；5 ) t h em o d u l eo f d e s i g n i n gh e a tt r e a r m e n t ，b e s i d e st h em o d u l eo fd i s p l a yo fp r o c e s s i n gd o c u m e n t s w h i c hk e e p st h ew h o l ep r o c e s s i n gd a t a t h es y s t e ms t a r t sf r o mt h ed i m e n s i o n i n f o r m a t i o ni n p u t t i n gm o d e ；t h e n ，t h ef o r g i n gp a r td e s i g n i n g ；b l a n kd e s i g n i n g ；b l a n k s o f t e n i n gd e s i g n i n g ；p e r f o r m i n gf o r g i n gm o u l dd e s i g n i n ga n df i n a lf o r g i n gm o u l d d e s i g n i n g a f t e rt h e s es t e p st h ec a dd r a w i n g sc a nb ed e s i g n e da n dt h ep r o c e s s p a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e db a s e do ng e o m e t r ym o d e la n dc a p pf u n c t i o n s ；f i n a l l y , t h et e c h n o l o g yd o c u m e n t sf o rp r o d u c t i o nc a nb ec r e a t e da sw e l l k e yw o r d s ：s p u rg e a r ；t w o - s t a g ef o r g i n g ：f l o a td i ef o r g i n g ；c a p p l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：短日期：日瞄 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 武汉理1 = 大学硕+ 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 齿轮是汽车、船舶及各类机械中应用最广泛的传递运动和动力的零件。齿 轮的加工方法很多，如铸造、精锻、热轧、粉末冶金、切削加工等，但最常见 的还是切削加工方法。切削加工方法不仅消耗大量的原材料和能源，而且生产 效率低下，尤其是在加工过程中切断了材料的金属流线，造成轮齿的强度与疲 劳寿命下降，难以满足社会生产和增加工业企业的竞争力的需求。近3 0 年来， 以净成形和近净成形为目标的精密成形加工技术，得到迅速发展并发挥重要作 用l ”。 目前，精锻成形已成为齿轮净成形的主要方式之一。此工艺克服了切削加 工中的材料利用率低、生产率低和由于切断了金属流线而造成的强度低的种种 缺点，精锻而成的齿轮齿面达到能以锻面直接使用，大量生产时远比切削加工 经济，而且在齿轮内部形成致密、均匀的材料组织、沿齿形轮廓具有连续合理 的会属流线、形成表面加工硬化层及圆角圆滑过渡的齿根，从而大大提高齿轮 的耐磨损、抗腐蚀能力、根部的弯曲强度、明显改善齿轮的疲劳性能。但是， 由于直齿圆杜齿轮精锻过程中材料流动的特殊性，其齿顶充满仍存在困难。成 形规律研究仍比较薄弱，技术缺乏理论依据，因此直齿圆柱齿轮精锻技术币日 益受到各国研究人员的重视l ”， 1 2 直齿圆柱齿轮精锻技术研究现状及其展望 1 2 1 直齿圆柱齿轮精锻的工艺研究 直齿圆柱齿轮精锻具有拔模斜度设计困难、齿形，特别是齿顶处，难以充 满。变形最后阶段成形压力大、模具寿命低等特点，使直齿圆柱齿轮精锻的广 泛应用还存在较大困难p l 。 目前，闩本、德国在精密锻造齿轮方面技术比较领先，许多学者对直齿圆 柱齿轮的精密成形作了许多有成效的工作。国内许多单位也开展了对锥齿轮、 直齿圆柱齿轮的的研究工作，部分取得了一些显著的成果。 武汉理j 二大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代中期，r 本名古屋大学近滕一羲首次采用分流原理冷精锻直 齿圆柱齿轮，即在齿轮非工作面设置溢流口，保证模锻过程中始终有材料分流， 避免了闭式墩挤过程最后阶段载荷陡增的现象，从而降低了成形力l 引。德罔的 t h h e r l a n 在直齿伞齿轮成形中，采用了温锻冷锻复合成形工艺。首先，将初始 棒料加热、墩粗、喷丸再加热至8 5 0 ，送至1 2 5 m n 机械压力机进行锻造，之 后进行喷丸和表两磷化、皂化处理，最后在1 2 5 m n 液压机上进行冷锻，并给 出了冷锻的活动模具简图1 5 4 】。英国伯明翰大学的c t u n c e 和t a d e a n 根据精 锻空心件浮动凹模原理提出了多种不同的模具设计方案，概述了无飞边模锻的 一般工艺问题和要求，包括锻件顶出、锻造变形力、模具寿命以及润滑等j ：艺 因素1 8 4 0 i 。伊朗t a r b i a tm o d a r r e s 大学的m h s a d e g h i 与英国伯明翰大学的 t a d e a n 用浮动凹模原理模具对直齿轮和斜凶轮进行了系统的研究，包括模具 结构形式选择，齿轮尺寸耩度的影响因素，齿轮塑性成形力的预测及其与摩擦 系数、齿轮模数、宽度关系，脱模力与摩擦系数、成形力、成形温度、压力角、 齿数的关系i l “。 在我国，燕山大学在2 0 世纪9 0 年代对直齿轮冷精锻技术进行了研究。吉 林大学部分学者对同本学者的分流法观点提出改进措施i ”i 。吉林大学杨慎华、 寇淑清等提出了钢质直齿圆柱齿轮冷精锻约束分流两步成形工艺【1 3 “l ，该工艺 采用闭式模锻为预锻、约束分流为终锻的两步成形优化工艺方案。首先进行闭 式墩挤预锻成形，然后将中间连皮冲掉以形成分流孑l ，终锻时利用上下齿形凸 模上的凸台形成约束分流，以降低成形力并保证齿形上下端面充填良好。山东 大学的夏世升，张清萍等提出了一种预锻分流区一一分流终锻的直齿圆柱齿轮 精锻成形工艺方案l 协1 6 1 。对两步成形直齿圆柱齿轮冷精锻工艺模具齿形设计方 法进行了研究，分别采用修正模数法和变位法对终锻和预锻模具的齿形进行设 计1 1 6 1 。青岛理工大学的田福祥等入对直齿圆柱齿轮热精锻进行了深入研究给 出了快档齿轮热精锻成形的实用模具结构，论述了模具设计、装配和使用的有 关问题，该模具采用强力脱模装置，使锻件在锻击结束瞬问立即脱离凸模，解 决了锻件将凸模抱死的关键技术问题1 1 7 l 。玛冲前学者根据对直齿圆柱齿轮墩挤 成形过程的实验研究，针对直齿圆柱齿轮精锻成形工艺的技术关键，提出了一 种新的成形工艺一一浮动凹模墩挤成形工艺，并以安阳齿轮厂农用车变速齿轮 为研究对象，设计了专用墩挤模具，并进行了成形试验，研究了其成形规律【1 8 1 。 燕山大学赵军等人利用塑性范成成形齿轮的方法成形出直齿圆柱齿轮，并对成 2 武汉理工大学硕士学位论文 形后齿轮的金相组织进行了分析，从成形组织方面验证了该工艺的可行性【1 9 驯 姜英等人利凡j 滚压设备对齿轮进行了滚压研究，得出只需更换滚轮，就可以】 中、小模数的圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮等的加卜，该工艺加工工艺简单，生产 效率高，加改质量好【2 ”。 1 2 2 直齿圆柱齿轮精锻的发展趋势 1 2 1 节中所述研究成果解决直齿圆柱齿轮成形的关键问题，起着积极推动 作用，综合分析，可以看出以后的发展路线1 2 2 1 。 ( 1 ) 优化工艺和模具结构，提高模具的寿命，解决齿轮锻件的出模问题 因内外学者在进行钾论研究的同时，也设计了各种齿轮精锻i 艺方案和栌 具并进行试验验证。但直齿圆柱齿轮精锻对工艺要求很高，如何完善工艺有待 深入研究。目前直齿圆杆齿轮精锻模具的寿命比较低，要提高模具寿命，必须 深入分析精锻工步，根据精锻件的应力应变分布优化模具结构，选用优质的模 具材料。另外，由于直齿围杠齿轮精锻模不允许有拔模斜度，锻件出模比较困 难，这是研究中需要重点解决的问题之一。 ( 2 ) 改善精锻齿轮的质量和精度，提高齿轮生产率 齿轮精锻成形技术的成功的关键在于质量和精度的控制。质量与精度控制的 难点，一是如何保证坯料的精确下料。目前，坯料的精密剪切还没有完全得到 解决。二是如何选择加热方法及温度，使坯料和锻件的少无氧化加热达到技术 要求。目前比较好的少无氧化加热方法是采用可控硅中频感应加热装置进行加 热，但温度的精确控制还有待于进一步研究。对于冷精锻直齿轮成形要充分研 究金属的流变性能，保证齿轮成品的质量和精度。 ( 3 ) 充分运用各种计算机技术和数学理论，提高直齿圆柱齿轮精锻技术开发 的效率 计算机技术的快速发展和数学理论的充分运用，提高了齿轮产品的设计精 度和加工效率。今后工艺和模具设计应和计算机技术紧密结合起来，利用计算 机技术结合塑性或弹塑性有限元方法，找出齿轮坏料自由表面和内部的金属流 动及应力应变分布规律，通过控制金属的塑性流动达到所需零件的精密成形。 使齿轮精锻技术的研究向着c a d c a e c a m 体化发展，促进直齿圆柱齿轮精锻 技术的提高以及向产业化的转化。以推动直齿圆柱齿轮精锻成形技术走向成熟。 3 武汉理t = 大学硕士学位论文 1 3c a d c a p p 技术在齿轮精密成形工艺中的应用与发展 计算机辅助工艺设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 在国际上始 于2 0 世纪6 0 年代后期，1 9 7 6 年由美国计算机辅助制造国际组织 c a m l ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n gi n t e r n a t i o n a l ) 推出的c a m i sa u t o m a t e d p r o c e s sp l a n n i n g 系统，近年束，越来越多的新技术应用于c a p p 中，使c a p p 系统的多样性和智能性有了长足的发展。 c a p p 系统具体的工艺设计通常包括工艺路线、加工设备、刀具和工艺参数 等等。基本的c a p p 模式如图1 1 所示。完整的c a p p 系统必须链接到计算机系 统之上。c a p p 制定了零件生产巾一系列加工参数和工艺规程。c a p p 系统有四 个主要因素：输入，输出，数拱：库平l j , j - _ - 产工艺准则。如图1 1 所示，由c a d 系 统将零件参数输入到数据库，数掘处理为c a p p 系统提供最主要产品信息。把 数据处理处理出来的数据同工艺知谚 和实际原则一并输入到c a p p 中，c a p p 把 加工能力信息进行匹配与优化。为最后的工艺规程分析提供信息，最后便是工 艺规程的输出i “。 图卜1c a p p 基本模式 应用c a p p 就可以迅速地编制出完整、详尽、优化的工艺方案和各种工艺 文件，它能够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 4 武汉理工大等硕士学位论文 生成工艺规程，自动计算丁艺尺、j 、选择工艺参数和对工艺设计结果进行优化 等，从而制定出一致性良好的，高质量的工艺规程，也使得工艺设计与c a d 、c a m 及m i s 等系统的集成成为可能。 近几年来，国内外c a d o 廿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、齿轮的切削加工工艺设计等；而针对圆柱齿轮和圆锥齿轮的精 密塑性成形研究及系统开发较少。过去c a d 系统的开发多采用= 维c 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，都带来了制约和不便。随着计算机技术的发展， 近年来逐渐出现了一些专业的三维c a d c a m 软件，如p r o e n g i n e e r 、u g 、 s o l i d w o r k s 、c a t l a 等，以这些软件作为平台可以有效地解决维设计系统带来 的种种问题，这也是当今c a d 系统和c a p p 系统开发的必然趋势。 齿轮c a p p 系统的实旌应能提高：j ：艺设计的质量，缩短生产准备周期，并 将工艺设计人员从大量繁琐、重复的劳动中解放出来。目前齿轮精密塑性成形 。圩p 系统发展主要有以下方面： ( 1 ) 采用生成式系统结构： ( 2 ) 系统智能化； ( 3 ) c a p p n c 和c a d c a p p c a m 一体化： g 垤p 综合系统和专家系统工具的共生【2 4 j 。 本文开发的圆柱直齿轮冷精锻g e a rc a d o 廿pi i 系统是在武汉理工大学 韩从亚硕士开发出的g e a rc a d c a p p 系统的升级。原有的g e a rc a d c a p p 系 统主要研究的是精密模锻圆柱齿轮和冷摆辗圆锥齿轮的成形工艺，分析确定了 它们产品零件一一模具一一电极之间的几何尺寸精度传递规律和数值关系，建 立了相应的精密成形工艺参数和模具一一齿轮锻件一一预制坯一一工具电极的 设计计算方法，通过输入电极在精加工阶段的烧损量和电极在精加工时的放电 间隙，系统计算出电极加工时刀具的移距量，很好的解决凹模制造工艺参数问 题。 作者开发的g e a rc a d c a p p i i 集合了g e a rc a d c a p p 系统的优点，融入了圆 柱直齿轮的分流精锻技术，添加了材料软化方式和加工过程中模具结构的生成， 同时设计出了更为方便快捷的系统操作界面，使之更符合工作人员的设计需求。 本系统所用到的圆柱直齿轮冷糟锻二i 二艺涉及到许多工艺参数的计算和设置 问题，例如锻件的体积计算、毛坯的设计、锻造力的计算、锻造设备的选择、 5 武汉理【大学硕士学仃论文 预锻齿形模具和终锻齿形模具的设计、以及坯料软化热处理的设计等。将 c 雠a p p 技术运j 到圆柱齿轮冷耪锻成形：l 艺中，就可以很好地解决这些问 题。c a d 模块能够进行齿轮零件的设计，c a p p 模块读入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、计算公式和经验判断自动进行科学决策，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，进行预锻和终锻模具的设 计，并生成其c a d 模型，为以后的c a d 设计提供了基础。 1 4 论文研究的内容和意义 由于直齿圆柞齿轮精锻具有拔模斜度设计| 垌雄、型腔角隙处难以充满、会 属主流向为径向方向，与锻造力方向成垂直方阳，变形的最后阶段成形压力大、 模具寿命低等难点，使之相对于锥齿轮更难以成形。因而本论文选择研究相对 较为困难的直齿圆柱齿轮。 论文阐述了圆柱直齿轮的常见精锻工艺( 分流法、浮动凹模法) ，在非主要 轮廓位置设置金属溢流孔，当变形金属完全充满主要轮廓时，金属成形过程中 变形区内存在分流层，改善了传统闭式模锻中会属最终充满型腔时锻造载荷理 论上趋予无限大的状况，使得在相对较低的成形力下，能够获得良好的充填成 形。在分流的同时设置浮动凹模装置，对分流法进行改进，利用了工件与凹模 问的所谓的“有效摩擦”力，使下端材料在摩擦力作用下向下运动，更有利于 下端材料的充填。改进的两步分流冷精锻成形工艺深入分析了齿轮精密成形工 艺的一些力学本质，并通过简单的实验分析了该工艺方案的可行性，为系统奠 定理论基础。 本系统的主要功能是根据输入的齿轮零件的尺寸信息，然后在p r o e 中生成 其相应齿轮零件的三维c a d 模型，然后根掘从实体零件模型中提取的数据信息 来设计锻件和毛坯，并穿插着进行锻件及毛坯的3 d 模型的设计和工艺参数的计 算；同时系统还对锻件模具的主要构件( 如上f 模座、导柱、导套、预应力圈、 凸凹模固定板等) 进行了标准化的建库，并由此生成相应的预锻模具和终锻模 具的装配c a d 模型，最后为坯料进行材料软化的热处理设计。在此基础上，利 用v i s u a lc + + 6 0 系统和p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0 系统构建了圆柱直齿轮冷精 锻c a d c a p p 系统。 6 武汉理工大学硕1 学t 口论文 该系统从圆村齿轮冷精锻成形工艺设计路线出发，分成了五个功能模块， 即齿轮零件参数化设计模块、锻件设计模块、坯料设计模块，模具设计模块和 热处理设计模块。通过人机交互的方式，完成从齿轮零件c a d 模型生成，到锻 件的设计，再到工艺的确定，最后完成的凹模设计的整个过程。它通过 p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0 软件来完成齿轮零件，锻件、模具的三维造型：同时， 根据c a d 部分的数据，利用v i s u a lc + + 6 0 设计出桐应的界面，然后再编写程 序，从而可以得到c a p p 部分的各种工艺参数手f i 齿形模具所需的尺寸参数，附 加着坯料的热处理方式，系统将整个工艺过程记录下来，用来指导实际生产。 由该系统所得的几何信息( 锻件、毛坯以及锻件模具) 经过其它高端软件的 数控后处理模块处理后，即可生成用作数控加t 的数据。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章圆柱齿轮的冷精锻理论与工艺研究 2 1 直齿圆柱齿轮精锻技术简介 齿轮精锻技术就是指通过精密锻造直接获得完整齿形，以生产尽量接近零件 最终形状的产品( n e a r n e t s h a p e 近净成型) ，甚至是提供合格的成品零件 ( n e t s h a p e 净成型) 为目标的锻造技术，在工业发达国家得以迅速发展并发挥重要 作用，己成为提高产品竞争力的重要途径。精锻成形方法主要有两类【舀2 7 】：一类 足导向型( g u i d i n g t y p e ) ，即凸凹模上都有齿形( 见图2 1a ) ，它们通过齿而进行 导向：一类是夹紧型( c l a m p i n gt y p e ) ，即坯料由弹性装詈央紧定位，凸模是无齿 形的平冲头，( 见图2 1b ) 。在相同的工作载荷f ，导向型方法成形齿轮的效果 要比夹紧型好1 2 6 1 ，但其凸模快速运动实现较困难：夹紧型方法采用平冲头，易 实现快速运动并降低了模具制造的难度。 = 羹露r 与传统切削加工相比，齿轮精锻成形工艺特点是： ( 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，微观缺陷少；精锻还使金属流线沿齿形连续分布，提高了齿轮的机 械性能。一般来说，精锻可使轮齿强度提高2 0 以上，抗击强度提高约1 5 ，抗 弯曲疲劳寿命提高约2 0 ( 2 ) 精度能够达到精密级公差标准，不需或只需少量精加工就可以进行热处 理或直接使用，大大地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4 0 左右，批量生产 成本降低3 0 以上1 2 5 1 。 武汉理一 人学硕l ：学位论文 2 2 分流减压原理及方法 传统的直齿轮精锻卜要是纯闭式模锻，成形爪j 较大适用于规模较大的 圆柱齿轮的温、冷复合成形，如图2 2 所示。一般取毛坯直径较齿根圆直径略小， 温成形后，再冷校正完成锻造齿坯的全部工序。此上艺由于金属流变方式为单 一径向变形，故成形力量大，热效应明显，因此成形齿坯的精度较难控制l 硼。 i 戮潞 t 三 ，i 。 r f ,r j j 7 # 、i 上凸棱 毛坯 上剿攒 上件 p 凹| = ； f 凸缆 图2 - 2 径向挤压示意图 近年来对圆柱齿轮精锻的锻造方法的研究主要集中在分流锻造方法，该方 法可以大大减小锻造力，如图1 - 3 所示为锻造某齿轮时，采用三种不同锻造方式 时，锻造力与行程的关系。 弱燃震： 一分流闭式模锻锻造力 。乡 行程( m m l 图2 - 3 三种锻造方法锻造力的比较 从图2 s 。h 我们可以清晰的了解到，在终锻阶段，成形力会急剧上升。很多 9 一n ) r 磐孽 武汉理一i ：大学硕七学伊论文 文献和数值模拟对此己经加以验证f 1 2 “l 。一般认为，导致成形力急剧增加的主 要因索一方面是摩擦力，尤其是径向摩擦力的存在：另一方面因素是齿形形 状的影响，凼为在终锻阶段，齿形型腔顶部越束越瘦，材料自由流动的面积越 来越小，齿形充填也越困难。而变形温度、应变速率、材料等参数的变化则是 微小的。 分流闭式模锻与传统闭式模锻比较，主要特点是锻造成形力能减少一半， 这主要是山分流区的分流作用。那么采用分流闭式锻造法可以大大减少成本， 提高零件质量以及生产效率，下面就讨论分流法的原理。 2 2 1 分流基本原理 如图2 - 4 所示，在锻造过程中，减缩比r 与毛坯全表面积a 和与模具不发 生接触的自由表面积f 有关，模锻减缩比定义为： 尺；a - f a ( 2 1 ) 从公式我们可以看出随着加工过程的进行，未充填部分的自由表面积f 不 断减少，减缩比r 不断提高，锻造载荷亦不断提高。 垂套 a ) 锻造初始阶段b ) 锻件交形中c ) 终锻成形 图2 4 成形过程中自由表面的变化 随着与模锻减缩比相当的挤压减缩比r 不断增大，挤压力p 也增大的。在 成形过程中，未填充部分的自由表面积f 不断减小，相对面积缩减率r 不断提 高，理想变形抗力就不断提高，那么工作载荷也就随之不断增大。这是冷精锻 工艺在成形最后阶段成形力陡增的主要原因。为解决这一问题，日本学者在八 十年代提出分流锻造法i 捌。 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 2 2 2 分流基本方法 分流是指在会属变形区中存在流动速率方向相反的现象，当变形会属向两 向相对流动时，存在一个金属层其速度v = 0 ，本特征层称为分流面。在模锻中 引入分流原理的目的是当变形金属完全充满模腔轮廓时，在非主要轮廓位置上 一直保留会属溢流孔，使金属成形过程中变形区内存在分流层，以调节和防止 闭式模锻最终阶段变形力的陡增现象。分流原理改善了传统闭式模锻中会属最 终充满型腔时锻造载荷理论上趋于无限大的状况，使得在相对较低的成形力下， 能够获得良好的充填成形。 2 2 2 1 孔分流法和轴分流法 孔分流( r e l i e f h o l e 简写r 啪方法。在坯料上留有中心孔，使得在充填外部 齿腔的同时，仍有内孔趋向闭合的金属向心流动。 自从k k o n d o 提出分流减压原理以来【6 1 出现了各种分流减压措施，但主要 还是基于孔分流和轴分流两种方案，如图2 5 所示。 潍i 鞴 渊 l 一凸援2 一坯辑3 一凹援4 一f 援蛰决 ( a ) 孔分流( b ) 轴分流 图2 5 孔分流和轴分流示意图 孔分流工艺是采用带有内孔的坯料，使成形过程中，材料一方面沿径向向 外充填模具齿形型腔；另一方面材料沿径向向内充填，内孔直径逐渐缩小。分 流面位于坯料的某一柱面上。有的工艺是在孔中心置一直径稍小的轴，以便成 形带有内孑l 的锻件。孔分流的关键是确定最优的内孔半径。由于向心流动没有 武汉理1 ：大学硕十学位论文 模具摩擦阻力，也没有模具的复杂型腔形状限制，所以流动趋势要比向外流动 容易，故常常有内孔先闭合，然后再成形外部齿形的现象。但对于环形 件， 如果四周的材料都向心流动，中, c , q l 就会越来越小，受体积限制，向心流动同 样也会越来越困难，从而促使坯料向外径向加速扩张流动。 轴分流工艺则是在与坯料上下端面接触的冲头上设置有内孔，以使坯料材 料有溢出的空问。这一工艺可以成形带有圆形凸台的锻件。轴分流方法，由于 在成形过程中，分流轴顶端表面一直是自由表面，不会出现孔分流法内孔闭塞 的情况，所以更能降低成形力。但由于冲头不得不加工一个溢流圆形槽或内孔， 常常导致在成形中，冲头由于应力集中而开裂。而且，流向分流孑l 的材料，大 都需要后续机加工切削去掉使成本相对高一些，效率相对低一些。 上述两种分流方法才：旨都在于设法保持成形过程中，使终锻阶段令成形结 束，工件的减缩比总是小于1 0 ，从而避免了闭式摸锻中，材料在儿近与模具完 全接触的状态下完成最终成形。如果在锻造过程中，自由表面消失了，就达不 到分流减压的目的。 成形力的降低带来许多有利方面，比如模具的寿命得以延长；模具弹性膨 胀量缩小，锻件精度更高；摩擦力的降低和模具磨损的减少等等。但实际应用 中还应综合考虑诸如材料损耗，生产成本，加工难易程度，生产效率，锻件性 能等方面的因素。不能一味为了降低成形力，而在其他方面有比较大的折扣【2 8 1 。 2 2 2 2 约束分流 实验研究表明轴分流和孔分流虽然能够降低成形力，但工件质量不是很好。 后人便在此基础上提出了约束分流，即在材料充填齿形过程中，给向溢流口分 流的材料提供一定的约束阻力，迫使材料向齿形充填，避免分流量过多而齿形 充填不荮。 约束分流1 2 9 】的实质是在保证工件齿部金属填充饱满时，工件依然有自由面， 既此时的减缩比不能为l ，并且越小越好。换句话讲，就是通过施加约束分流， 使得成形过程中金属填充不饱满的位置由重要的位置齿部转移到相对不重要的 位置上来。在终锻结束时，一方面金属仍有自由表面，避免了成形力的陡增； 另一方面也保证了齿部金属的填充。因此约束分流的关键就是要选择合适的位 置分流以及施加适当的约束。当前人们用的最多的是约束分流方式是对称约束 分流、小芯棒约束分流和凸缘分流( 如图2 6 所示) 。 1 2 武汉理i ：大学硕士学位论文 t ， l n 一；， ，一p “一岑 1 ，i 忘i t ，_ ， 7 一 u 牛j 彤1 ， i 乏_ 。芑； 睦她杉芴万笏刁! d ，二- v ，此时凹模对坯料的摩擦力方向向下1 3 2 l 。 而对于金属所受到的径向摩擦力主要是来自上下凸模和上下端面金属之问 以及金属充填齿形时与齿轮形型腔所产生的径向摩擦力。该摩擦力不同于轴向 摩擦力，径向摩擦力总与金属流动方向相反，阻碍金属的流动。是齿形充填过 程压力急剧上升的主要原因。而且可以知道，在变形的初始阶段是轴向摩擦力 起主要作用，而在齿形充填过程中是径向摩擦力在起主要作用1 3 3 i 。 因此，采用浮动凹模后，凹模可以随毛坯下移。基本上消除了凹模对亳坯 的摩擦力，上下受力一致。因而两端都能充满。锻造力下降了许多，模具寿命 也得到大幅度提高。 一叫， o一 、卜瓣羧 h 7 武汉理j ：大学硕士学仔论文 2 4 两步分流工艺的改进 2 4 1 两步分流工艺改进方案 从2 2 节和2 3 节对于分流减压原理和浮动凹模原理的介绍，我们发现它们 都有一个共同的特点，那就是利用各种途径积极促使金属流动起来。分流基本 原理在于通过增大锻件自由表面，改变锻造的减缩比，使金属总有自由流动空 阳j ，来调节和防止齿轮闭式模锻最后阶段载荷力陡然增加。浮动凹模是采用“积 极摩擦作用”，使凸模在向下挤压过程中推动浮动凹模一起朝下运动，整个凹模 接触面上摩擦力的方向与金属流动方向致，来积极促使金属流进齿腔的角隙 1 3 2 l 。 为解决成形力过大的问题，作者从理论分析上对上述两种基本工艺方案进 行了改进。通过塑性成形理论分析知道：要成功克服齿轮成形缺陷，需要合理 地解决摩擦力的问题。通过分析本文确定采用偌凸台上下凸模来实现闭式模锻 预锻和中心分流终锻的两步成形方案，把固定凹模改为可以运动的浮动凹模i ”】。 本工艺方案的成形过程是： ( 1 ) 预锻坯料，上凸模下行带动活动芯轴下行，活动芯轴插入空心毛坯内进行 较大程度的闭式模锻基本锻出齿形，其中上凸模外径大于凹模齿形型腔，而下 n 模则带有与凹模型腔相配合的齿形，如图2 1 l ( a ) 所示。 ( 2 ) 上凸模上行，抽出活动芯轴，顶出预锻件。 ( 3 ) 将预锻件放入终锻模具中，上凸模再下行，带动活动芯轴下行，上凸模继 续下行实现中心分流终锻齿形，如图2 - l l ( b ) 所示 1 上凸模2 坯料3 凹模4 预应力罔 5 下模板6 弹簧7 下凸模8 芯棒 1 t 凸模2 坯料3 凹模4 预应力圈 毫下模板6 弹簧t 下凸模8 芯棒 ( a ) 预锻模具结构图( b ) 终锻模具结构图 图2 1 l 改进两步法模具结构图 1 6 武汉理工大学硕士学仿论文 2 4 2 两步分流改进工艺的实验分析 山东大学模具工程技术中心研究的两步分流成形法，应用于铝齿轮制件的 制备数值模拟及正交实验分析，其数据表明发现分流成形明显改善了材料的流 动性，有效的降低了整个过程中的锻造力。因而将两步分流成形法中固定凹模 改为浮动凹模，势必更加降低锻造力，改善填充性能【1 6 】。 为了验证方案的可行性。本论文确定的实验比较方案有：1 ) 凹模固定的两 步分流法：2 ) 凹模浮动的两步分流法。本文以上业纯铝为实验材料，以满足 在实验室条件下模拟钢质材料齿轮成形过程。齿轮试件的齿形参数为：齿数 z = 1 6 ，模数m = i 5 m m ，齿厚b = 1 2 mm ，内径d = 1 1 m m ，压力角a = 2 0 0 。为保 证坯料的定位、充填，坯料外径应接近齿根圆，故取为2 0 2 5 m m ，内径也为l l m m ， m 体积不变条件计算软得坏料高度为1 8 5 r a m 。确定，、台高度为2 r a m ，凸台母线 角为4 5 。，上底直径为1 9 m m ，下底直径为】5 m m ( 如图2 8 ) 。实验设备采用压 力试验机，锻造力和位移的关系直接从试验机表盘中读取。 其中浮动凹模采用的实验装置工作结构图，如图2 1 2 所示。此图表示的是 预锻阶段的模具与机械结构，而终锻阶段的机械结构与预锻阶段是一致的，仅 仅是模具工作部件的尺寸和结构有点差别，可根据实际工作情况安装不同的上、 下凸模，凹模型腔和芯棒。 ，l 王三三三，旦，三 1 上模座2 压圈3 螺钉4 压力板5 凸模 6 固定圈7 预应力圈8 导套9 ：模l o 限位螺栓 1 1 趾圈1 2 浮动摸扳1 3 ，弹簧1 d f 模座 1 5 预应力阎1 6 浮动凹模1 7 下凸模1 8 项杆 1 9 址力板2 0 雎力板z l ，芯捧2 2 导套2 3 导牲 2 1 2 浮动凹模实验装置结构图 1 7 武汉理t 大学硕十学位论文 两种实验方案得到的齿轮零件齿形均填充饱满，端面平整，由图2 1 4 可以 看出：方案2 ) 中锻造力相对方案1 ) 中的锻造力较小，因而验证了改进两步分 流法的u f 行性。 圆 e 齿轮锻出齿形时，坯料金属与凹模侧壁的接触面积增大，因此，它们 之间的摩擦力也较大，若采用固定凹模模具，锻件的下角隅不易充满。应用改 进的浮动凹模模具进行齿轮精锻能改进锻件充填性能的原因，a r 从模具的受力 状况和l i q 模相对坯料的运动速度两个方面来分析：一方面，由于锻造时凹模是 浮动的，摩擦力的一部分用来使凹模向下运动，减小了坯料会属的充填阻力， 有利于会属充满锻件的下角隅；另一方面，凹模浮动时，凹模与金属坯料的相 对速度很小，摩擦力消耗的功率很小，这就使有效变形能几乎拿部用于锻件的 成形，总的变形力降低，有利于锻件充满。 由于以上两个方面的原因，与采用固定凹模相比，采只i 浮动凹模模具进行 圆相齿轮的精锻，锻件充填性能获得了较大提高，锻造终了时变形抗力大大降 低。 3 0 1p 一1 。凹模固定 ；。 锻造己9。蕃i ；藿 7 ： 虫吣j i i： 1 爿 ，：z 1 0 j，$ ，善 j 5 4 o4 a 9 一2 了丁石一 警弦j：署；：囊 d。 k n4 0 。 j u 1 7 加? 1 刘少 1 0 n o 0 5 行茹m m “曲3o ( a ) 预锻成形阶段( b ) 终锻成形阶段图 2 - 1 4 锻造力与行程关系 从实验中可以得到以下几点结论： ( 1 ) 在上下模具表面中心增加了凸台，从而得到了上下凹入的预锻件，终锻 时在中心凹入部分形成分流，材料向齿形部分填充，降低所需的成形力。 ( 2 ) 采用了浮动凹模能有效地利用轴向摩擦力提高了下端齿形的充填性，避免 了由于齿形充填过程中的不对称性引起的压力过大的缺陷。 ( 3 ) 利用带芯轴模锻可以使齿形在初始阶段实现最大程度的成形，缩短终锻 武汉理工大学硕十学位论文 阶段最终齿形充填压力急剧上升的过程。 ( 4 ) 保证在齿彤充填阶段非齿形轮廓处的金属能够有流动空间，减小终锻阶 段1 5 左右的成形力。 ( 5 ) 此种冷精锻工艺中，对模具齿形设计方法的研究中未考虑热因素影响。 针对两步分流成形直齿圆柱齿轮冷精锻工艺齿形设计方法进行研究。首先根据 成形件尺寸确定终锻模具齿形参数，然后由终锻模具齿形参数确定预锻模其齿 形参数，具体的计算方法将在下一章做细致的分析。 2 5 小结 本章阐述了圆杠齿轮精锻的工艺的基本方法，对分流锻造和浮动凹模锻造 方法具体工作原理进行了分析，确定了两种试验方案。方案研究重点是比较两 者的齿形充满与锻造力之i 日j 的关系。试验对分流锻造工艺进行了改进，将浮动 凹模方法融入到两步分流成形工艺中去。随后，通过对1 ) 固定凹模两步分流工 艺和2 ) 浮动凹模两少成形工艺进行实验比较，发现改进的两步分流法在改善填 充状况的同时，降低了终锻阶段的锻造力，消弱了最终锻造力突增的现象，从 而确定改进方案的可行性，为圆柱齿轮冷精锻g e a rc a d c a p p i i 系统的开发奠 定了工艺基础。 1 9 武汉理一i ：大学硕士学位论文 第3 章系统各模块工艺参数的研究 3 1 圆柱齿轮冷锻毛坯的制取、软化处理及润滑 齿轮零件生产的总体流稃如图3 1 所示，为了有利于齿轮的成形，在进行两 步分流锻造之前必须进行必要的毛坯的制取，软化热处理及其润滑。合理的软 化与润滑将大大降低所需的锻造力，提高模具的使用寿命。 图3 - 1 齿轮制造流程图 冷锻齿轮材料的组织性能与质量是冷锻加工中的重要问题之一。它不仅关系 到产品的质量和性能，也直接影响着模具的寿命，在