（材料加工工程专业论文）直齿内齿轮精锻成形工艺数值模拟及实验研究.pdf

摘要 摘要 齿轮是各类机械中应用极为广泛的重要传动零件，采用以净形或近净形 为目标的精密锻造成形工艺生产齿轮件，适应高效、精密、绿色清洁的2 l 世纪先进制造技术的发展趋势，成为未来齿轮加工变革的主要方法之一。 针对直齿内齿轮精密锻造成形工艺设计的实际要求，在总结直齿内齿轮 实际加工经验的基础上，提出直齿内齿轮镦挤和缩挤相结合的两段成形工 艺；以p r o e n g i n e e r 软件为设计平台，对直齿内齿轮成形模具进行工艺设计 和结构优化；另外通过m s c s u p e r f o r m 软件对直齿内齿轮精锻成形过程进 行模拟优化；在此基础上设计实验模具，并对直齿内齿轮精密锻造成形工艺 进行实验分析。主要内容如下： 首先从齿轮精密锻造加工工艺入手，以分流减压原理为理论依据，提出 采用缩挤和镦挤相结合的两段成形工艺加工直齿内齿轮。 其次利用商用有限元软件m s c s u p e r f o r m 对直齿内齿轮精锻成形过程 进行数值模拟分析。分析了不同凹模型腔入模角、不同摩擦条件、不同坯料 尺寸对齿形填充状况的影响；分析了冷精锻成形和温精锻成形条件下，直齿 内齿轮零件齿形的填充状况以及成形过程中各力能参数的分布情况和变化 趋势；总结了直齿内齿轮精密锻造成形过程中材料的流动规律；在此基础上， 以p r o e n g i n e e r 软件为设计平台，对实现该工艺的浮动芯轴式模具进行尺寸 设计和修正，为直齿内齿轮两段成形工艺物理模拟实验设计实验模具。 最后对直齿内齿轮的两段成形过程进行物理模拟实验，分别用铅和铝两 种实验材料对直齿内齿轮零件的精锻成形过程进行实验分析，并通过数据采 集系统记录零件成形过程中的力一行程曲线。从而验证了数值模拟过程中材 料流动规律，实验结果和数值模拟结果均验证了该工艺的可行性。 关键词精密锻造成形工艺；数值模拟；物理模拟；两段成形；直齿内齿轮 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sam o s te s s e n t i a ld r i v i n gp a r t ，g e a ri sw i d e l yu s e di na l lk i n d so fm a c h i n e s i nm a n yi m p o r t a n ti n d u s t r i a lf i e l d s n l ei d e ao fp r e c i s i o nf o r g i n gt e c h n o l o g y a i m i n ga tn e tf o r m i n go rn e a rn e tf o r m i n gu s e df o rm a n u f a c t u r i n gg e a r sc f l n a d a p tt ot h et r e n do f t h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r e t e c h n i q u ew i t h t h ea d v a n t a g e so f h i g he f f i c i e n c y , p r e c i s i o n a n de n e r g y - s a v i n g i nt h en e a rf u t u r et h ep r e c i s i o n f o r g i n gt e c h n o l o g y w i l lb et h em o s ti m p o r t a n tm e t h o df o rg e a r m a n u f a c t o r y t b ed i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dan e w s t r a i g h ti n n e rg e a rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h a ti st h e t w o s t a g ep r o c e s s i n g m e t h o d i n c l u d i n gs h r i n k i n g a n d u p s e t t i n g f o r m i n g t h ed i s s e r t a t i o np u tu pn o to n l yt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nf o rt h ed i e b a s e do nt h es o f t w a r eo f p r o e n g i n e e r , b u ta l s ot h es i m u l a t i o no p t i m i z a t i o nf o r t h e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y b a s e do nt h es o f t w a r eo fm s c s u p e r f o r m t h e n t h r o u g ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt h ef e a s i b i l i t yo f t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y w a sv e r i f i e d t h ep r i m a r y c o v e r a g eo f t h ed i s s e r t a t i o na sf o l l o w s ： a tf i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dt h et w o s t a g ef o r m i n gm e t h o df o r s t r a i g h ti n n e rg e a ri n c l u d i n gt h et w o - s t a g ee x t r l d i n 噼o fs h r i n k i n ga n du p s e t t i n g f o r m i n g t h e n , t h ed i s s e r t a t i o nm a d et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r t h e f o r m i n g p r o c e s s i n g o ft h e s t r a i g h t i n n e r g e a r s o m ed i r e n t f a c t o r sw e r e a n a l y z e d i n c l u d i n g t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n td i es i z e d i f f e r e n t 丘i c t i o nc o n d i t i o na n d d i f f e r e n t p r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e t h r o u g h t h e a n a l y s i s o ft h e t w o s t a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f o r s t r a i g h t i n n e r g e a r , t h e d i s s e r t a t i o n p r e s e n t t h e e q u i v a l e n t s t r e s s d i s t r i b m i n g ，e q u i v a l e n tp l a s t i c s t r a i n d i s t r i b u t i n g a n dt h e a v e r a g es t r e s sd i s t r i b u t i n g ，e c t a tt h es a m et i m e ，t h ea r t i c l eg a v et h ec o n c l u s i o n o f t h ef o r m i n gs t a t ew i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n s a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o na c h i e v e dn o to n l yt h ea 1a n dp bs t r a i g h ti n n e rg e a r p a r t sb yt h ef o r m i n ge x p e r i m e n t s ，b u ta l s ot h ep s ( p o w e r - s t r o k e ) c u r v e d u r i n g a b s t r a c t t h ep e r i o do ft h ee x p e r i m e n t ，t h er u l eo ft h em a t e r i a lf l o ww a sp r o v e d ，a n dt h e s a m eo f t h ef e a s i b i l i t yo f t h ef o r m i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d sp r e c i s i o nf o r g i n gt e c h n o l o g y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p h y s i c a ls i m u l a t i o n ； t w o s t a g ef o r m i n g ；s t r a i g h ti n n e rg e a r i 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 齿轮是典型的大批量生产的传动零件，被广泛应用于航空、航天、 汽车、仪表等重要行业领域，齿轮质量的高低直接影响着相关产品的性能 水平。从某种意义上讲，齿轮加工技术已成为衡量一个国家机械制造水平的 重要标志。近几十年来，我国在齿轮技术的研究和生产上做了大量的工作， 取得了可喜成绩，但与工业发达国家相比，还存在着很大差距。其中突出表 现为我国机械产品中齿轮的精度低、强度低、噪声高，这已成为严重影响我 国机械产品在国际市场上竞争能力的主要问题。 目前我国齿轮一般在m o ( 6 - 9 ) 级精度范围内应用最多，而国外已普遍采 用i s o ( 轴6 ) 级精度的齿轮【”。如何在保证齿轮强度的前提下着重提高齿轮的 精度，实现齿轮加工技术的突破性进步，一直是生产企业和科研人员非常关 注的问题。 为了在日益激烈的价格竞争与质量竞争中取得优势，原先只有使用传统 机械加工方法才能完成的滚动轴承内环、伞齿轮、内齿轮、螺旋齿轮等正逐 渐转向自由锻造生产。锻压技术以高效率和高质量等优势在汽车、自行车、 家用电器等领域得到了广泛应用。近年来国内己开始着重发展更有前途的塑 性成形工艺来取代原有加工方式。尤其是以净形或近净形为目标的精密塑性 成形工艺f 也称净成形工艺) 正成为齿轮加工技术的发展方向。 1 2 精密塑性成形技术简介 精密塑性成形技术是先进制造技术中十分重要的组成部分，对提高一个 国家的竞争能力有重大影响，国内外都十分重视其发展和应用。精密塑性成 形工艺( 或净成形工艺) 目前被普遍接受的定义是“至少锻件部分表面的尺寸 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 2 1 ”。它 是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高技术成果的基 燕山大学工学硕士学位论文 础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之从粗糙变形变为优质、商效、高精 度、轻量化、低成本、无公害的精密塑性成形。它可使成形的机械构件具有 准确的外形、高的尺寸精度和形位精度、好的表面粗糙度。 精密塑性成形技术具有以下特点： ( 1 ) 近净成形体尺寸及形位精度高，为后续采用高效、离精加工提供了理 想的毛坯： ( 2 ) 高效、低消耗、低成本，为缩短产品开发周期、降低产品成本提供了 有利条件； ( 3 1 可方便、快捷地做出过去很难做出地的复杂结构零件，为新产品开发 提供有力技术支持； ( 同传统成形工艺相比，可改善生产条件并减少对环境的污染，成为一 种清洁生产技术，为可持续发展创造有利条件p “。 精密塑性成形技术的发展对提高一个国家的工业竞争能力有重大影响。 美国竞争委员会在1 9 9 1 年向美国总统提交的美国未来技术优先权的研究报 告中，把精密塑性成形与加工技术列为美国处于柔弱地位的技术，建议政府 予阻重视与支持。我国制造业在一个相当长的时期将获得快速发展。制造业 特别是机械制造业的发展，要求生产过程节约能源、节约材料、提高资源利 用率，这已成为能否以低成本、高质量、高效率参与国际市场竞争的十分重 要的问题。发展应用糖密塑性成形技术就是一个有效途型“。 近3 0 年来，精密塑性成形技术在国外以很快的速度发展，大量优质、 高效、少无切削的新型成形技术得到发展，并在工业中获得广泛应用。作为 一种先进制造技术，精密塑性成形技术在汽车工业发达的国家得以迅速发展 并发挥重要作用，我国在近几年，精密塑性成形技术也得到迅速发展。在锻 压方面已基本掌握了精锻、精冲、冷挤等少无切削锻压工艺。使得一度被视 为“夕阳工业”的传统塑性加工业，又重新受到人们的关注。 采用以净形或近净形为目标的精密塑性成形技术生产齿轮零件，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，是未来齿轮加工的主要方法之一【6 q l 。 2 第1 章绪论 1 3 国内外齿轮成形技术概况 1 _ 3 1内齿轮加工现状 在齿轮类零件中，内齿轮零件虽较外齿轮零件应用范围窄，但也是汽车、 自行车、仪器仪表等行业领域不可缺少的重要零件。另外在机械传动上， 特别是减速器的设计上，地位的紧凑和重量的减轻是很重要的因素，内 齿轮在这方面有绝对的优越性，因此目前在减速器的传动机构上，内齿 轮的应用更为广泛。由于内齿轮零件几何形状复杂、加工难度较大、材料 利用率低、生产效率极低，因此如何在保证内齿轮强度和传动性能的前提下 着重提高内齿轮精度，实现内齿轮加工技术的突破性进步，一直是生产企业 和科研人员非常关注的问题。 我国目前仍以滚齿、铣齿、插齿、剃齿、研齿和磨齿等切削加工技术为 主成形齿轮。内齿轮由于其特殊结构和加工方式的局限性，插齿是内齿轮加 工的主要方法，是加工有底内齿轮的唯一方法，多用于汽车变速箱多联齿轮 的切齿。内齿轮采用插齿加工时，存在很多不足之处【9 】：内齿轮插齿比外齿 轮插齿容易引起干涉，因此可加工的内齿轮齿数范围和插齿刀具设计方法都 受到约束；若插齿刀不沿内齿轮中心方向退出时，返回行程中有时会产生根 切，在刀具表面产生伤痕；插齿时齿轮圆周上容易出现差异，特别是插齿刀 和齿轮偏心的影响较大，使齿轮精度大大降低。 内齿轮在插齿技术之外还采用电火花加工、滚削加工、珩磨等加工工艺 t o - 1 3 ，这些工艺均在不同程度上具有其特有的优越性，并得到了广泛应用。 德国现代数控圆柱齿轮成形磨齿机在国内外各齿轮生产部门也得到了 大量应用f 1 4 “5 1 ，成形磨齿机的原理主要是将砂轮修正成齿轮齿槽渐开线形 状，来磨削工件形成渐开线齿形。控制系统为k a p p 公司专用于磨齿工艺的 d - 3 0 0 系统，配备k a p p 内磨头即可加工内齿轮和内斜齿轮，也可以一次装 夹磨削内外齿。国内大连起重集团的生产实践，证明了该数控圆柱齿轮成形 磨齿机具有世界一流水平。 常规的齿轮切削加工工艺，虽然已经在实际生产中得到了广泛应用，然 而由于其材料利用率低、能耗大、生产效率低，尤其是使金属流线被切断， 3 燕山大学工学硕士学位论文 造成轮齿强度与疲劳寿命下降。因此近今年来国内外逐渐采用塑性成形工艺 来加工某些齿轮，尤其是齿轮的精密锻造成形技术取得了明显的效益。 1 3 2 齿轮精密锻造成形技术的研究进展 作为机械工业的机器基础件，齿轮在制造过程中逐渐摆脱了传统的切削 加工方法，采用精密锻造成形技术。为使我国齿轮制造水平达到国际领先水 平，国防科工委科技成果推广转化研究中心于2 0 0 0 年9 月在华北工学院召 开了齿轮精密锻造成形技术现场推广会。成功的研究开发出了齿轮精密锻造 成形新技术，解决了包括大模数、高、长齿型在内的各种齿轮精密锻造成形 的关键技术难题，该技术急待产业化，以尽快用于生产实践，产生可观的经 济效益和良好的社会效益。 经过国内外学者多年的努力，伞齿轮的精密锻造成形理论及工艺已较为 成熟，早在上世纪八十年代中后期就开始了伞齿轮热精锻的研究，随后开始 研究伞齿轮的冷精锻成形技术，并已投入实际生产。运用该工艺生产出的齿 轮件外观漂亮，齿面粗糙度一般! r a l 6 ，且可连续生产，精度可靠【拍】。然而 对于直齿圆柱齿轮的精密锻造成形研究主要集中在经典理论分析和实验研 究两个方面，目前国内外对直齿圆柱齿轮的精锻工艺已经有了较深入的研 究，直齿圆柱齿轮的精锻工艺已经开始逐步完善。 上世纪八十年代初，日本的近藤一义( k a z u y o s h ik o n d o ) 将分流锻造的思 想引入齿轮精锻中，提出孔分流( r e l i e fh o k 或r h ) 与轴分流( r e f i e fa x i s 或 r a ) 理论。通过增大锻件自由表面改变断面减缩比，在保证填充轮廓的同时， 非齿形主要轮廓位置始终存在分流层，以调节和防止齿轮闭式模锻最终阶段 变形力的陡增现象f 1 7 】，使以“n as h a p e ”为宗旨的齿轮精锻成形有可能实现。 国内在九十年代后开始研究直齿圆柱齿轮的精锻技术，出现了大量相关的文 献资料【”o j 。 纵观国内外对齿轮精锻成形工艺的研究文献，可以发现在直齿内齿轮的 精锻成形方面的文献多集中在模具结构的改进上 2 m 2 1 ，而对直齿内齿轮精锻 成形新工艺的研究，将对内齿轮精锻成形技术的发展具有重要的实际意义和 理论研究价值。 4 第1 章绪论 1 4 数值模拟技术在塑性成形中的应用 长期以来，在塑性成形领域的工艺设计和产品生产都一直采用试锻一修 正一再试锻的循环迭代的试错方法和经验判断的方式进行。这种传统的方法 迄今积累了许多宝贵的经验数据和公式。但是，随着信息化时代的迫近，制 造全球化与贸易自由化进程的加快，其本身的缺点和局限性也明显突现出 来。譬如，产品的设计和制造周期长、开发成本高、产品质量的重复性难以 保证等问题。 7 0 年代以来，以计算机、信息技术为代表的高新技术的迅猛发展及其向 传统加工技术领域的渗透与衍生，传统加工技术正逐步从经验判断走向定量 分析、由工程技艺发展为有理论指导的工程科学体系。c a d c a m c a e 等计 算机辅助技术正不断得到重视和应用。人们越来越倾向于在物理模拟的基础 上使用数值模拟技术来研究产品的成形过程，即通过测试样品的控制性实验 总结出相似工艺条件下的各物理量间的定量关系，而将材料非线形、几何形 状变化、产品缺陷等复杂问题交由数值模拟算法处理，模拟结果经验证后可 直接推广应用。因此数值模拟作为一种经济、有效的科学方法，在塑性加工 领域迅速得到了发展和应用。 金属塑性成形过程往往是一个存在着高度非线性的大变形过程，因此传 统的解析法，如主应力法、上限法、滑移线法等由于数学上的困难或作了过 多的假设而使其在这一问题上的应用能力极为有限，难以分析实际生产中复 杂的工况。随着计算机运算能力的不断提高，有限元法作为一种有效的数值 计算方法不断得到发展并得到了广泛的应用。 6 0 年代末，r v m a r c a l 、i e k i n g 以及y y a m a d a 率先将有限元法应用于 小变形弹塑性问题求解 2 3 1 。1 9 7 3 年，c h l e e 和s k o b a y a s h i 基于变分原理 提出了刚塑性有限元法并通过l a g r a n g e 乘子法引入了体积不可压缩条件【2 4 】； 1 9 7 7 年，o c z i e n k i e w i c z 等提出了采用罚函数法来处理体积不可压缩条件的 刚塑性有限元法 2 5 1 ；1 9 8 2 年，k o s a k a d a 等提出了材料可压缩形式的刚塑性 有限元法陋j 。 从上个世纪7 0 年代初到8 0 年代末，有限元的研究工作基本用于分析二 维问题。9 0 年代初，随着二维网格自动划分技术的成熟以及边界处理模型的 5 燕山大学工学硕士学位论文 完善，在二维问题处理方面出现了诸如法国f o r o e 2 、美国d e f o r m 2 d 、 a b a q u s 、m a r c a u t o f o r g e ( m a r c 被m s c 收购后，现已更名为m s c s u p e r f o r m ) 等商品化软件，这些软件有的已成功应用到实际生产中。目前在二维塑性成 形方面应用的有限元法已经十分成熟，但是现实生产中的塑性成形问题大多 为不可简化为二维处理的复杂问题，因此从8 0 年代初以来，对金属塑性成 形的三维有限元分析的研究成为国际塑性加工领域的研究热点。 国内外学者对一些简化模型或特定体积成形过程进行了三维分析并做 了很多工作i a 7 3 4 】：m c r o d r i q u e s 等进行了三维开式模锻的模拟口7 】；h w s h i n 等人分析了不同形状的三维挤压过程【2 8 l ；a g m a m a l i s 采用隐式有限元软件 m a r c 和显式有限元软件d y n a 3 d 分别计算了一个三维直伞齿轮的精锻过 程，并给出了对比结果【2 9 】；e d o e g e 用f o r g e 3 模拟了直齿斜齿轮和直齿伞齿 轮的成形过程，并给出了齿轮的径向冷却收缩率【3 4 1 ；国内的清华大学、上 海交通大学、哈尔滨工业大学、北京机电研究所和南昌大学等单位也对三维 锻造过程的软件开发和工艺模拟做了大量的研究工作p ”。 目前以有限体积法为核心算法的代表软件是m s c s u p e r f o r m 3 9 】，其于 1 9 9 8 年被引入中国，是专用的锻造成形分析软件。该软件在复杂锻件的成形 分析中功能强大，对锻件的形状描述十分细致 4 0 m 】。因此选用该软件对圆柱 直齿内齿轮的精密塑性成形过程进行数值模拟分析。 迄今为止，国内外对于塑性加工领域的数值模拟研究仍显得较为粗放， 主要还是集中于材料的流动过程和宏观缺陷的定性分析。而对于成形过程中 尺寸精度的变化规律及其影响因素的定量分析还鲜有报导，对于实际工艺的 连续生产模式及其精确建模问题亦亟需深入研究。 1 5 课题来源和主要内容 课题来源于河南省科技攻关项目“齿轮精锻的工业化研究”，同河南省 渑池县精锻齿轮厂进行技术合作。该厂已经成功采用精锻技术生产拖拉机、 三轮车等农用车辆的许多品种的外直齿轮，并不断进行技术革新，开发内齿 轮、齿轮轴等零件的精锻成形技术。直齿内齿轮的精锻成形新工艺的开发研 究是其革新项目中的一个分支，希望能通过直齿内齿轮精锻成形新工艺的研 6 第1 章绪论 究，对实际的直齿内齿轮加工生产提供借鉴。主要研究内容如下： ( 1 ) 确定直齿内齿轮零件的成形工艺通过详尽的调研，分析国内外齿轮 件精锻成形工艺的研究概况，提出新型的内齿轮精锻成形方法。 ( 2 ) 建立数值模拟分析的软硬件平台利用先进的计算机硬件设备建立 其模拟分析的硬件支撑环境；通过对当前多种先进的c a d 及c a e 软件的研 究分析并充分考虑内齿轮精密塑性成形工艺模拟分析的特点，通过多软件联 合的方式构建对多工步精锻生产工艺进行连续分析的高效、高精度的具有国 际先进水平的软件分析平台。以上工作将为随后的内齿轮成形工艺过程的数 值模拟分析奠定基础。 ( 3 ) 建立高精度的分析模型依照实际的生产条件，建立准确的模拟分析 模型，包括：准确描述材料的室温和高温变形行为，如本构模型、材料的物 性参数及力学参数；工件与环境及工具之间的热交换等。 ( 4 ) 对直齿内齿轮的精锻成形工艺进行三维数值模拟分析近似获得零 件成形过程中的各参数分布，如：成形载荷变化趋势、等效应力和应变分布、 平均应力分布、成形载荷与行程的关系等。 ( 5 ) 设计实验模具选择合适吨位的液压机以及选择合适的模具材料、尺 寸及其加工方式，并以节能、节材为原则设计实验模具。 ( 6 ) 物理模拟实验研究将实验模具进行加工、装配，并根据相似原理分 别选用铅和铝材料作为实验用毛坯材料，来模拟钢材料的冷精锻成形和温精 锻成形。通过实验结果来验证直齿内齿轮两段成形工艺的可行性。 1 6 课题研究的特点及难点 课题研究中以k k n o d o 的提出的利用分流减压原理冷锻直齿圆柱齿轮 的理论为依据，提出了不同于以往内齿轮传统制造的新工艺，即缩挤和镦挤 相结合的两段成形工艺。以浮动模理论 4 3 , 4 4 】为基础，设计出一套内齿轮精锻 模具，并对该成形工艺以m s c s u p e r f o r r n 软件为平台进行数值模拟。在数 值模拟结果分析基础上对模具结构进行优化，并通过物理模拟实验成形出具 有一定精度的直齿内齿轮零件。通过对直齿内齿轮两段成形工艺的进一步研 究1 4 “，使内齿轮精锻成形技术迸一步完善，有望实现利用该工艺成形出一定 7 燕山大学工学硕士学位论文 复杂形状的零件，并为将该工艺应用到实际生产中提供理论及实验依据。 在课题研究中面临的主要问题如下： ( 1 ) 模拟过程中出现的飞边问题在对内齿轮精锻成形工艺进行数值模 拟的过程中，由于国内外对三维锻造过程的研究都将实际中的工件形状做了 一定简化，很少有带飞边的复杂形状锻件的多工步成形三维分析实例。其原 因是三维有限元方法在大变形的体积成形上的应用还有一些关键性技术没 有得到较好的解决，如三维六面体网格的自动重划分，可靠的动态边界条件 处理等问题。因此在模拟过程中由于外端部飞边的出现，使得模拟过程无法 继续，因此对直齿内齿轮精锻成形过程的数值模拟分析只完成了缩挤成形及 部分镦挤成形，最后的闭式镦挤过程无法完整模拟。这有待于有限元模拟软 件的进一步发展，能够很好的解决网格畸交问题。 ( 2 ) 齿轮锻件的脱模问题国内目前精锻技术在伞齿轮和斜齿轮的加工 生产中的应用已较为成熟，其主要原因就是伞齿轮或斜齿轮精锻时，其齿部 具有自然的拔模斜度，容易出模。而直齿圆柱内齿轮没有拔模斜度，出模困 难，需要较大的顶出力，因此对模具的结构和成形设备的要求较高。 ( 3 ) 毛坯的选取和锻造温度的控制精锻前的毛坯体积与锻件应该大致 相当，下料必须准确，另外毛坯的端面质量要保证以便定位准确，减少对模 具的损害；锻造温度选取合适，可以降低成形力，并尽量减少氧化皮的存在， 提高锻件质量，保证精度。 ( 4 ) 润滑剂的选用精锻过程中选用的润滑剂必须能在锻造温度内具有 良好的润滑性能，隔离锻件和模具，减少金属流动阻力。另外必须有良好的 绝热和脱模性能，延长模具寿命。 ( 5 ) 模具结构的优化问题模具寿命问题是关系到直齿内齿轮精锻工艺 是否能用于生产实践的关键因素，该精锻工艺是一种近净成形工艺，因此必 须优化模具结构，改善模具受力状况，减少磨损，提高模具寿命。 8 篼2 章直齿内齿轮精锻成形工艺分析 第2 章直齿内齿轮精锻成形工艺分析 2 1引言 常规的齿轮切削加工工艺，由于其材料利用率低、能耗大、生产效率低， 尤其是使金属流线被切断，造成轮齿强度与疲劳寿命下降。因此国内外逐渐 采用塑性成形工艺来加工某些齿轮，尤其是精密塑性成形工艺取得了明显的 效益。齿轮的精密塑性成形一般采用锻压加工，众所周知，锻压加工目前已 经成为机械制造工业中广泛应用的加工方法。锻压加工的特点是金属材料在 锻锤和压力机的压力作用下，经过塑性变形制成各种锻压件。制成的零件机 械性能好，在大批量生产时生产成本低，因此很多机器上的关键受力零件如 发动机的曲轴、连杆和齿轮，发电机上的转子、叶轮和护环以及各种标准件 都采用锻压加工来制造。 精密锻造成形是要使锻压加工得出的锻压件，有较高的尺寸精度和表面 光洁度，无需再经过切削加工或只很少部位经过磨削、电解或化学加工等精 加工，就能装配到机器上；精密锻造成形工艺是在一般传统模锻工艺基础上 逐步发展起来的一种符合先进制造技术发展趋势的精密成形工艺。与一般模 锻相比，它不仅能获得表面质量好、机械加工余量少和尺寸精度高的锻件， 而且更能有效提高材料利用率，取消或部分取消切削加工工序，并使金属流 线沿零件轮廓合理分布，提高零件的承载能力。目前，一般模锻件所能达到 的尺寸精度为士o 1 士0 2 5n l i n ，而精锻成形件一般为士0 0 5m m 4 6 】。 2 2 圆柱齿轮的镦粗模锻和挤锻成形原理 齿轮精密锻造技术在近几十年有很大的发展，越来越多的制造厂家和用 户重视用锻造的方法制造齿轮。普遍认为，用精密锻造的方法，可以提高材 料的利用率，提高齿轮的机械性能，降低成本和增强市场竞争力。尤其对于 汽车工业的大规模生产，齿轮精密锻造具有更大的效益和潜力。 早在5 0 年代，德国入开始用闭式热模锻的方法试制伞齿轮，在此基础 9 燕山大学工学硕士学位论文 上，齿轮锻造技术进步应用到螺旋伞齿轮和圆柱齿轮的生产。目前，伞齿 轮精锻成形理论及工艺已较为成熟，并在实际生产中得到大量应用【4 ”，但是 在圆柱齿轮锻造中，由于金属材料的塑性流动方向与其受力方向垂直，所以 其齿形比伞齿轮更难形成。然而圆柱齿轮却是齿轮类零件中最为普通，应用 也最广泛的，圆柱齿轮精锻技术及其基础理论研究已成为当前各国普遍关注 的前沿性研究课题，其中直齿圆柱内齿轮作为一种重要的传动零件，其作用 也是难以替代的，因此直齿内齿轮精锻成形技术的开发也成为当前国内外学 者的研究热点。 齿轮精密锻造的目的是直接生产出不需要后续切削加工的齿轮。齿牙要 求有很高的精度和光洁度。合理地解决工艺和模具设计中的技术问题后，就 可以实现齿轮零件的精密锻造加工。生产中已成功地采用将辊齿刀铣削后的 齿牙，再用刚度大和精度高的带齿轧辊精轧或冷挤，轧轮齿形的压力角要根 据塑性流动情况修正。冷轧齿牙的精度和光洁度商，可以代替剃齿加工。 另外圆柱形齿轮的内外齿牙、伞齿轮和齿圈齿牙的工艺规程和模具结构 都己经得到了实际的应用，图2 - 1 挤圆柱外齿轮的成形模具实例图l 。现用 于直齿内齿轮精锻的成形工艺，主要有镦粗模锻和挤锻成形两种方案，图 2 - 2 ( a ) 给出了圆柱内齿轮挤锻成形的模具实例图，图2 2 ( b ) 给出了内齿轮的镦 粗模锻成形原理图。 齿轮锻件 加压套筒 坯料 带内齿的锻模 精整模 校正内孔凸台 垫板 图2 - 1 挤圆柱形齿轮的模具( 直齿或螺旋齿) f i g 2 - 1e x t r u d i n g d i eo f c y l i n d e r g e a r s ( s u a i g h t o rh e l i c a lt o o t h ) 1 0 第2 章直齿内齿轮精锻成形工艺分析 膨钐形澎别 慕 】， 薹 翼 蓄! l | 啼 錾 黝f !沁心 ： ( a ) 内齿轮挤锻成形( b ) 直齿内齿轮镦粗模锻 图2 2内齿轮成形模具原理图 f i g 2 2t h e o r yo f f o r m i n g d i ef o ri n n e r g e a r s 凸模 芯轴 锻件 凹模 顶杆 图2 - 2 ( a ) 和( b ) 中内齿轮的镦粗模锻成形和挤锻成形两种方式均不完善， 采用镦粗模锻成形时，要求凸、凹模之间用齿面导向，增加了模具制造难度 和成本，同时在锻造过程中容易磨损和发生齿面崩落；采用挤锻成形时，坯 料上留有连皮，因此增加了材料消耗和后续加工工序，降低了精锻效率。 由于镦粗模锻和挤锻成形两种方法强调精成形而忽略了变形力、模具寿 命和齿形充满等一系列阀题，这种方法主要应用于伞齿轮和屈服强度较低的 低碳钢材料的齿轮件的精锻成形，因此迫切需要优质、高效、节材、节能的 齿轮生产新工艺。 2 3 分流原理在齿轮精锻成形中的应用 受特定齿轮齿形的精密锻造生产取得成功的鼓励，国内外学者决定研制 一种生产普通齿轮的方法，如圆柱外齿轮和圆柱内齿轮等，日本学者k k o n d o 在这方面迈出了关键的一步，提出了分流概念 4 o i 。这种方法的提出对直齿 轮的精密锻造成形技术的实际应用，做出了杰出贡献。 燕山大学工学硕士学位论文 2 3 1 分流原理 分流原理的目的主要是在保证零件质量的前提下，降低工作压力。在锻 压工艺中，热锻几乎适用于所有钢种且所需成形力低，但热锻会产生强烈高 温氧化反应，降低零件表面性能，加大后续加工余量，因此从热锻发展到冷 锻。冷锻工艺可以提高制件的强度，但对产品精度的改善方面只是减少了加 工余量，未能排除机械加工。这是由于冷锻工作压力偏高，以致受模具强度 极限的限制、难于使材料充分变形而达到所希望的锻件精度。从这种观点出 发，显然，降低工作压力是改善锻件精度最重要的问题。 分流原理的基本概念是在锻件的非重要部位设置一溢流口，当需外形完 全充满时，就可以避免工作压力突然增高。在齿形类零件的成形过程中，由 于增加了面积减缩比，并利用了离心流动和向心流动的分流条件而避免了压 力的增加。 齿轮精锻成形工艺在分流概念的基础上得到了发展，由于增加了面积减 缩比，并利用了离心流动和向心流动的分流条件而避免了压力的增加。甚至 在金属完全充填满主要轮廓时，仍一直在非主要轮廓位置上保持着金属溢流 口，以防止在冲击的最后阶段，工作压力的陡然增大。采用此工艺，带齿件 能在相对低的工作压力下锻出来，而产品精度能达到和机械加工齿轮一样的 精密。此概念可以进一步予以延伸，于是在齿轮成形工艺的研究中，出现了 减压轴原理和减压孔原理，如图2 3 所示。 减压孔原理，如图2 3 ( a ) 所示，该方法是在毛坯中备有一个用平模压出 的减压孔，压下时，通过减压孔的收缩产生向心流动以实现分流；而减压轴 分流原理，如图2 - 3 ( b ) 所示，则是假想在受压面的中心部分有一根轴，工作后 离开。减压轴原理中，在底部承压面的中央部分，作为制品的形状设计一个 工艺的轴，加工后切掉。由于轴的挤出会给材料溢出留有余地，即使加压， 也可抑制断面减缩率的上升，从而使成形力下降。这同样能对成形过程起较 大的压入作用，对改善外轮廓的充填形具有同样的效果。 减压孔原理和减压轴原理由于动用了分流迁移的办法而减小了摩擦阻 力，金属向外流动而使材料向齿腔内充填正常，同时由于分流保持了减压作 用，抑制了工作压力的增加。 第2 章直齿内齿轮精锻成形工艺分析 。，一 蕊：j 阡怜： 1 ，_ 艨豢棼攀i ： 1 冲头2 毛坯3 挤压筒 ( a ) 减压孔流动原理( b ) 减压轴向流动原理 图2 3 利用分流原理的锻造过程 f i g 2 - 3f o 四n gp r o c e s su s i n gs p l n - f l o wp r i n c i p l e 2 3 2 分流原理的应用 利用减压轴原理成形带凸台的齿形件是该精密锻造成形工艺的典型应 用。图2 4 为带凸台齿形件的工艺过程。成形这种零件时，凹模外轮廓和挤 压筒内轮廓与零件齿形一致，毛坯直径与齿根圆直径相同，金属受压缩向内 流动形成凸台，向外流动形成齿形，行程终结时，芯棒作为凸模冲击空穴部 分的顶部。 ( a ) 放入坯料( b ) 空心部分成形( c ) 冲孔( d ) 顶件 图2 4 带凸台齿轮的成形工艺 f i g 2 - 4p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f b o s s e dg e a r 采用图2 4 所示工艺可以在较低压力下成形精密零件，其原因主要是： 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 首先是抑制了完全封闭的状态，减小了材料向凸台流动的工作压力；另外根 据材料流动的特性，也改进产品精度。由于大量材料流向凸台，在成形完成 前，法兰部分的压下量也变得相当大。同时一些材料向外流向齿形型腔部分， 凹模圆角充填不满的现象也减少了。 采用减压轴原理或减压孔原理的分流工艺用来成形直齿轮的齿牙，在单 工序时，材料在模内填满困难。因为充填齿形部分阻力要比流入减压轴或减 压孔的阻力高，因此会使轴的挤出和溢出孔闭塞。有时在一次加工不能实现 齿形的填充，只有轴向连续挤压或封闭孔挤压才能奏效。于是在此基础上提 出了两步成形法，图2 5 给出了两步成形法的原理。其中以不超过工具强度 的低工作压力与常规闭式模锻相结合为第一步。第一步完成后，在毛坯上制 出减压孔进行第二步压制成形，或采用减压轴原理进行压制，直到材料完全 填满 4 8 1 。 11 1 。1 。 冲孔f镦锻7 固锺年固国驷 、 t p 【i1 i 9 1 - p 嬲i k 1 , 1 1 , , 燃 燃f - 常规闭式模锻 r h 工艺r a ，工艺 第一步第二步 ( r h 工艺：利用减压孔流动原理，r a 工艺：利用减压轴流动原理) 图2 - 5 两步成形法原理 f i g ，2 - 5t h e o r yo f t w o - s t a g ef o r m i n gm e t h o d 按照图2 5 中所示的两步成形法原理，分流减压的实现必须通过冲孔或 设置轴向分流孔的方式来实现第二步锻造的分流减压，因此受到设备的限 制，如果在单动压力机进行，则需要分开实现冲孔工序；如果设计成双动压 力机来完成冲孔，则可提高工作效率，并节省材料。针对内齿轮的两段成形 工艺，受其结构特点限制，基于分流原理的内齿轮成形可以在单动压力机上 完成。 1 4 第2 章直齿内齿轮精锻成形工艺分析 2 4 直齿内齿轮两段成形工艺 基于分流减压原理的圆柱齿轮零件的精锻成形工艺中，就相同模数和齿 数所计算的工作压力进行比较，内齿比外齿的成形性更好【4 8 j 。根据以上分析， 将轴向分流和径向分流原理引入直齿内齿轮的精锻成形过程中，根据分流原 理的基本原则，将零件的非主要轮廓面设置为分流表面，作为内齿轮零件， 渐开线齿形部分的强度和质量必须保证，因此在内齿轮成形过程中可将其上 下底面或其外圆表面设置为分流面。 针对无台阶的内齿轮成形，日本学者首先提出分段充填的成形方法【5 ”， 其原理就是将齿形型芯加工成带有直径变化的结构，分段充填法的原理如图 2 - 6 所示，型芯的结构简图如图2 7 所示。由此可以实现内齿轮的分段成形， 在齿形终成形之前，毛坯底面为自由表面，起到分流作用，可以在较低的成 形载荷作用下进行少量充填的顸成形，从而减少终成形的充填量，使其容易 充满。 1 坯料2 凹模3 顶件器4 浮动型芯 5 凸模6 成形齿轮7 垫板8 橡胶垫9 顶杆 图2 - 6 分段充填法原理图 f i g 2 - 6 p r i n c i p l ed r a w i n go f s e g m e n tf i l l i n gt e c h n o l o g y 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 a ：预成彤区b ：过渡区c ：终成形区 图2 7 分段充填成形工艺的型芯结构图 f i g ，2 7s t r u c t u r e & a w i n g o f g o r e i ns e g m e n t e d f i u i n g t e c h n o l o g y 直齿圆柱齿轮冷精锻尚未进入工业化应用阶段，其关键因素就是齿轮角 隅充填困难，成形力大，因此要求更为严格的模具设计和制造精度。目前直 齿内齿轮精密塑性成形工艺基本上采用闭式镦挤的方法，这种封闭的成形方 法，由于室温条件下流动应力高，金属毛坯在成形接近终了阶段，变形抗力 急剧上升，加上齿轮齿槽部分的摩擦作用，最终造成齿形局部充料不足的缺 陷；另外，由于金属的镦挤变形是在强烈的三向压应力下完成的，其变形抗 力要比其他压力加工大的多，且齿轮镦挤成形过程中，金属流动十分剧烈， 工件与模具的局部温度可达4 0 0 以上【5 ”，使模具寿命下降，造成成本增加。 结合内齿轮的轴向分流和径向分流理论，以在凹模型腔内壁加工出入模 角的方式，实现内齿轮精锻工艺的分段充填，这样就形成了缩挤和镦挤相结 合的直齿内齿轮两段成形工艺。将径向缩挤成形和轴向镦挤成形结合起来， 综合两者的优点，成为一种新的内齿轮成形方法，图2 - 8 是直齿内齿轮两段 成形工艺的模具型腔结构示意图。 在齿形充填过程中通过凹模型腔的入模角将凸模的轴向挤压力转换为 径向挤压力，实现径向缩挤，进行齿形的预成形。此时坯料底面、上端面以 及渐开线齿砸部分均为自由表面，起分流作用；最后是齿形的闭式镦挤成形 阶段，进行直齿内齿轮的终成形，此时渐开线齿面仍为自由表面，起分流作 用，且坯料在封闭模腔内上下端面精整为平面，减少后续加工余量，同时也 节省了材料，降低了成本。此工艺打破了传统的内齿轮依靠轴向力产生径向 形变的镦挤成形，而采用将正压力转变为径向力的缩挤成形，在缩挤结束阶 1 6 第2 章直齿内齿轮精锻成形工艺分析 段齿形基本充满，而后续的镦挤成形则是齿形填充的终成形阶段，并同时平 整端面。 j 薹耋 l | 挚；一一i 凹模 齿形芯轴 凸模 成形齿轮 图2 1 8 两段成形过程示意图 f i g 2 8d i a g r a m m a t i c s k e t c ho f t w o - s t a g e f o r m i n gp r o c e s s i n g 直齿内齿轮的两段成形工艺建立在缩挤和镦挤成形工艺基础之上，是对 分流理论的优化，改善了以往精锻工艺对成形零件精度要求过高的缺点，对 设备的要求降低。由于分流面的存在，零件成形后会出现齿形飞边，通过切 削工艺去除飞边，可得到具有一定成形精度和质量的内齿轮。 2 5 直齿内齿轮两段成形工艺的实现 通过以上分析可知，直齿内齿轮的精锻成形以分流概念为理论依据，并 结合以往直齿轮的精锻加工方法，提出了直齿