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湘潭大学 硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 姓名：张海筹 申请学位级别：硕士 专业：材料工程 指导教师：胡自化 20060501 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 3 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 4 摘摘 要要 目前国内自动化设备大都采用传统的蜗轮蜗杆机构，该机构在运行过程中存 在着较大的正反间隙，抗扭能力差，加上制造、装配工艺落后，导致分度精度、 重复分度精度以及负载能力与国际上高品质的蜗轮蜗杆机构相比差之甚远。由于 连续分度弧面凸轮机构具有可负载扭矩大、精度高、体积小、重量轻、传动效率 高等优点，在一定的程度上可以取代蜗轮蜗杆机构。由于弧面凸轮廓面曲线的不 可展开性，弧面凸轮传统切削工艺，主要利用棒料在数控机床或成形铣床进行切 削加工，切削加工余量大，同时切削时也破坏了圆钢的金属纤维流线，影响零件 的综合机械性能；要获得高精度弧面凸轮结构，必须采用多轴联动的数控设备， 其工艺成本大大地制约了该机构的推广。然而随着弧面凸轮在数控机床、包装机 械等高速自动化设备上的广泛应用，弧面凸轮机构越来越显示其在高速间歇机构 上高效率、高精度、高平稳性等多方面的优势。直至近些年来，随着数控机床的 普及，我国正在不断深入开展其机械制造工艺方法的研究与探讨，但在毛坯制造 方面还是局限于采用棒料。本文在弧面凸轮毛坯制造方面，提出采用等温挤压工 艺制造毛坯的方法，并利用 MSC.Marc 软件对所设计的模具结构进行优化。针对这 一问题，本文开展了如下的研究工作： （1）推导了弧面凸轮轮廓曲线方程：运用凸轮与滚子间的基本啮合特性，假 设凸轮固定不动，滚子以凸轮轴为旋转轴沿着凸轮旋转的反方向作公转，同时对 凸轮轴作摆动运动的反转法原理，以求取弧面分度凸轮的外廓曲面方程式。 （2）建立了弧面凸轮预成形制坯新工艺: 采用 K3合金作为模具材料的 HAIL 内凹模结构，把材料为 GCr15 的坯料加热到C 0 20750，在190pt=的挤压力作用 下等温挤压预成形新工艺获得弧面凸轮毛坯。 （3）利用 MSC.Marc 软件对等温挤压进行刚粘塑性有限元数值模拟，优化模 具型腔结构设计，重点分析其对等温挤压的填充性能的影响，通过修改的模具结 构尺寸以保障工艺的良好填充性能。 （4）建立凹模型腔的混粉电火花加工方法: 由于模具材料 K3合金强度高以及 弧面凸轮内凹模型腔结构轮廓曲面的不可展开性，传统的铣削无法进行，普通电 火花加工达不到所需的表面粗糙度要求，需要抛光。在此内凹模型腔的加工采用 的是混粉电火花加工技术。 总之，以上弧面凸轮毛坯的制造工艺，改变了过去棒料毛坯的传统工艺，避 免了金属纤维流线的破坏，提高了切削工艺的效率、降低了材料的损耗、改善了 零件的综合机械性能。 关键词：弧面凸轮；等温挤压；预成形工艺；模具结构优化；刚粘塑性有限元法 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 5 Abstract At present, automation equipments made in our country are normally equipped with worm gear mechanisms, which have bigger clearances between the positive and negative directions and worse resisting torque ability at work. Moreover, because of the laggard technical means of manufacturing and assembly, the homemade worm gear mechanisms are much worse than the international high-quality ones in the respects of indexing accuracy, repeated indexing accuracy and loading capacity. Because of the inextensibility of the contour surface of the globoidal cam, Bar preforms mostly are used to be machined on CNC machine tools or shaped milling machine in the conventional cutting technique. Then the remaining material to be removed is great, and the metal streamlines of the bar preforms will be destroyed during the cutting process. thus the components compositive mechanism performance are affected. So the multi-axis NC machines must be used to make a high accuracy globoidal cam, but the technique costs restrict its popularization by a long way. Along with the broad application in the CNC machine tools and the packing mechanisms, globoidal cams have shown its superiority such as high efficiency、high accuracy and high stable performance in the high-speed intermittent mechanisms. Until recent years, the researches and the discussions of the machining technique methods for globoidal cams have further being developed in our country. This paper proposes a technique method called isothermal extrusion to make preforms, and optimize the mould structure by using MSC.Marc FEM software. According to the research on this type of driving mechanisms, the main work of the paper is as follows: (1)Deducing the curve equation of contour surface of the globoidal cam : applying the meshing property between the cam and rollers, and the turn-back principle if the cam is static, the rollers turn back and swing around the cams axis at the same time, and derivate the globoidal cam mechanisms surface curving equation. (2)Establishing the pre-forming technique of the globoidal cam: use K3-alloy as the structure material of the Half-mould, and heated the base material as GCr15 to C 0 20750 so on, then use the Isothermal Extrusion Pre-forming to gain the preforms of the globoidal cam under tP190=. (3) Using the MSC.Marc FEM software to analyze and certificate the feasibility of isothermal extrusion technique, and optimize the concave mould cavity. The emphases is the effect to the fill performance of the isothermal extrusion technique, and ensure the favorable filling performance by perfecting the size of the mould. 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 6 (4)Founding a powder-mixed EDM technology for the concave mould cavity: owing to the high intensity of K3-alloy and the inextensibility of the contour surface of the interior concave mould cavity structure, the conventional mill cant carry through, and the general EDM cant meet the needed roughness degree. Then in this paper the process of the interior concave mould cavity is powder-mixed EDM technology. In a word, the developed manufacture technique for the globoidal cams preforms in this thesis revolutionizes the traditional bar performs technique, the isothermal extrusion pre-forming is used to hold the forge base with short process time, high material utilization ratio, great machinery synthesize and good surface quality. Keywords: globoidal cams; isothermal extrusion; pre-forming technique; optimization of mould structure; rigid and visco plastic finite element method. 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 9 第一章 引 言 引 言 1.1 选题背景 随着现代工业技术的不断发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、精密、 轻量化和自动化的方向发展。要求间歇分度机构的分度转位速度越来越快，精度 也越来越高，如拉链嵌齿机分度转位速度为 1500 次分钟，电机硅钢片冲槽机冲 槽速度为 1200 次分钟，验瓶机分度转位速度也已达 500 次分钟。对于这样高 的分度转位速度，不要说一般的液压、气压驱动的分度机构，就是槽轮机构、棘 轮机构、不完全齿轮机构、行星轮分度机构，甚至圆柱式凸轮分度机构也难以满 足这样高的速度和精度要求。各种自动机和自动生产线上大量使用间歇机构或称 为分度机构、步进机构。传统的间歇机构分度精度不高、性能差，只能用于低速， 每分钟几次到十几次，不能适应现代生产发展的需求 1。 计算机的应用和数控加工技术的发展，高精度凸轮机构应用日益广泛。凸轮分 度机构也得到了迅速发展，并开始普遍取代传统的间歇机构。凸轮式分度机构属 于高副间歇机构，主动件凸轮连续回转，驱动带有均布滚子的分度盘，按预先设 计好的运动规律传动，因此，该机构具有良好的运动性能和动力性能。凸轮廓面 同滚子廓面为共轭曲面，分度盘的运动状态主要决定于凸轮廓面形状 这便可以通 过改变或修正凸轮廓形，达到提高动态性能的目的；分度精度作为分度机构的重 要指标，在很大程度上决定于分度盘滚子的周向分度精度，而高精度的分度制造 已经是一种十分成熟的技术， 可为提高机构精度提供保障；此外，凸轮式分度机 构还有一般高副机构的特点，如结构简单紧凑、传动刚度高、载荷范围较宽等。 图1.1 弧面凸轮分度机构 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 10 由此可见，凸轮式分度机构在承载能力、动态性能、定位准确度等方面，具有明 显的优势，凸轮机构作为一类特殊的传动机构越来越受到人们的重视。弧面分度 凸轮机构其凸轮体呈弧面蜗杆状，凸轮曲线与分度盘曲线呈垂直交错，滚子沿分 度盘的径向呈放射状均布安装，凸轮的齿廓面与滚子的齿廓面为共轭曲面，如图 1.1 所示。在分度时，凸轮 1 的齿廓面推动滚子 3，进而带动分度盘 2 实现分度转 位运动；在定位时，分度盘上的滚子齿廓面与凸轮上定位段的齿廓面（圆锥面） 相啮合，使从动的分度盘处于锁紧状态而保持不动，实现间歇定位运动。凸轮每 转一周，从动盘转过一定角度停歇一段时间；转角的大小随滚子数目的多少而定； 停歇时间与运动时间的比例可根据需要而定。由于应用了凸轮机构的原理，运动 规律可以任选，从而可以适用不同的工作条件。这种机构精度很高，是目前工作 性能最好的一种凸轮式间歇机构。其最大的缺点是加工成本较高。制约了凸轮的 高效、大批量的生产，成为凸轮生产的瓶颈。 1.2 国内外研究现状 弧面分度凸轮机构(Oloboidal Indexing CamMecbanisrn)即滚子齿形凸轮分 度机构(Roller Gear Indexing Cam Mechanisms又称菲固森机构 Fecyguson Drive For Indexing Machine。弧面分度凸轮机构最早是由美国人 C.N.Neklutin 发明， 并由他创造的 Ferguson 公司首先开始系列化生产。 （1）在国外，早在七十年代之前，美国、英国、苏联、瑞士、日本等国就已 有了标准化、系列化定型产品 23。 （2）我国从七十年代后期才开始这方面的研究工作。一九八九年国家计委下 达了“高速、高精度凸轮分度机构的研制 的科研课题，开始对滚子齿形凸轮分度 机构的啮合原理、设计与制造方法进行了全面系统的研究 45，一九九一年，在 国内已生产出滚子齿形凸轮分度机构的标准化、系列化定型产品 6。上海工业大 学、山东工业大学、吉林工业大学、天津大学、合肥工业大学、西北轻工业大学、 大连轻工业学院、上海工程技术大学、山东诸城锻压机床厂、西安钟表机械厂、 芜湖电工机械厂等院校和厂家在弧面分度凸轮机构的理论研究、设计与制造及检 测等方面作了大量的工作，取得了一批研究成果。现在我国已经可开发设计制造 各种规格及使用要求的弧面分度凸轮机构，并已开始进行标准化系列化生产。 （3）弧面分度凸轮机构制造的关键是弧面分度凸轮的加工。在国内，对于弧 面分度凸轮的加工开始是采用滚齿机改造或其它机床改造后的凸轮专用加工机床 进行加工，也有采用引进的五坐标联动加工中心进行加工 。西北轻工业学院及西 安钟表机械厂研制成功了 NTXK5001 型弧面分度凸轮专用数控立式铣床，山东工 业大学及山东诸城锻压机床厂研制成功了计算机控制两坐标联动凸轮专用加工机 床，使我国弧面分度凸轮的制造水平提高到一个新的阶段。之后，弧面分度凸轮 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 11 专用精密磨削装置研制成功，使磨削后的凸轮轮廓精度已高达0 002mm，分度精 度已达 7，分度速度达 800rmin。目前，国内除机械工业部定点生产厂山东诸 城锻压机床厂批量生产之外，西北轻工业学院、天津大学、大连轻工业学院、上 海工程技术大学，西安钟表机械厂、常州电机厂等单位和厂家也都能设计和制造 各种规格的弧面分度凸轮机构。设计与制造一体化的弧面分度凸轮机构的 CAD CAM 系统也都在建立，并已达到了使用阶段 7，四、五轴联动的数控机床广泛应 用为弧面分度凸轮的制造带来了广阔的前景 8。 （4）等温挤压工艺是指模具加热到与锻坯相同的变形温度，在慢速变形过程 中，使热锻坯和模具温度基本保持不变的先进成形技术，是精密成形技术的重要 组成部份。精密成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工（近净成形 技术，Near net shape technique，或净成形技术，net shape technique）就可 用作机械构件的成形技术。它是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术 等多种高新技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成形技术。近 30 年来，精密成 形技术在国内以很快的速度发展，并在工业中得到了广泛应用，如超塑性成形， 精密热锻、精密冷温成形等精密成形技术。 “九五”期间，国家将“精密成形与加 工研究开发和应用示范”列为重点科技攻关项目，通过该项目的实施，在锻造方 面，已基本掌握了精锻、精冲、冷挤等少无切削锻压工艺，基本掌握了热锻生产 线成套技术，锻造用最大钢锭达 400t，已成功地锻造了 300MW、600MW 等型火电机 组成套锻件和核电压力壳锻件 9。等温模具锻与热锻相比，同样具有变形抗力低、 塑性好等优点，而且由于加热温度低，不产生过热、过烧、氧化、脱碳等缺陷。 尺寸精度高，产品质量好，有较高的经济效益。其特点如下： 1）极大地降低了金属的流变抗力，其总压力相当于普通模锻的几分之一到几 十分之一； 2）显著地提高金属材料的塑性，流动性好，易充填模具型腔，模具弹性变形 小，变形温度波动小，从而使锻件几何尺寸得到稳定，残余应力小； 3）等温模锻技术能使形状复杂、薄壁高筋的锻件在一次锻压中成型，而普通 模锻高强合金时，则需要多次模具锻，甚至难以成型； 4）在等温模锻过程中，由于变形温度较均匀，金属能保持均匀细小的等轴晶 粒组织，因此在产品整体上有较均匀的机械性能，并且产品倔服强度、低频疲劳 及抗应力腐蚀性能有所提高。 （3）混粉电火花加工技术是电火花加工的一种新工艺，是在普通电火花工作 液中混入一定比例的导电微粉（硅粉、铝粉、铬粉、钨粉等） ，粉末微粒使电极和 工件的极间电场发生畸变，降低了放电电压和工作液的电阻率，放电间隙成倍增 大，潜布、寄生电容成倍减小，同时每次从工具电极到工件表面的放电通道，被 微粉颗粒分割成多个小的电火花通道，使达到工件表面的脉冲能量“分散”成很 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 12 小，相应的放电凹坑也就很小，从而能稳定地获得光整加工的表面。 混粉电火花加工技术，日本最早进行了研究并取得了很好的效果。在第五届 中国际机床展览会上，日本三菱电机公司展出的样机，尺寸为 100mm x 100mm，采 用混入硅粉的加工方法，表面粗糙度达到0.12Ram；日本沙迪克公司展出的样件 尺寸为37mm，在工作液中混入铬粉，表面粗糙度达到0.13Ram。日本三菱电机 公司和日本沙迪克公司已研制成功了专用的混粉电火花加工设备。混粉电火花加 工技术兼顾了普通电火花加工技术的优点，故可以在加工复杂凹模型腔时获得低 的表面粗糙度。我国在这一领域的研究起步较晚，技术水平低，目前只在哈尔滨 工业大学等高校进行一些初步研究，尚无定型的设备和工艺应用于生产中。 1.3 研究的内容和意义 （1）连续分度弧面凸轮机构的设计 本文利用刚体反转法原理，假设凸轮固定不动，滚子以凸轮轴为旋转轴沿着 凸轮旋转的反方向，滚子绕凸轮轴作公转，并且对凸轮轴作摆动，以求得弧面分 度凸轮的外廓曲面方程式。然后选择满足某使用要求的采用 CAD 交互式标准方式 造型，得到连续分度弧面凸轮的三维轮廓形状。 （2）连续分度弧面凸轮的毛坯温锻成型工艺分析 在合理选择模具材料和分度弧面凸轮材料的前提下，通过对毛坯材料的温锻 变形规律的分析研究，选择合适的温锻温度、变形速度，以提高材料的充模性能； 合理设计模具结构，合理选择模具材料与润滑材料，以获得形状复杂、轮廓清晰 美观的锻件表面，以及内部结构优良的高性能锻件； （3）弧面分度凸轮机构的优点与缺点，都与高副机构的基本原理有关。目前 的弧面分度凸轮机构均采用圆锥滚子与分度凸轮机构的不可展共轭曲面啮合传 动，其瞬时接触线为一条空间曲线。本文提出的弧面分度凸轮的温挤工艺，使得 弧面凸轮在制造成本、综合机械性能、生产效率、使用寿命以及弧面分度凸轮机 构广泛应用等各方面都具有很大的理论意义和实用价值。 传统的弧面凸轮的加工以往均采用棒料加工，加工的绝大部分时间消耗在粗 加工阶段，不仅材料利用率低，劳动消耗大，能源消耗高，生产效率很低，而且 由于金属流线被切断而影响产品性能，所以迫切需要净形或近似净形（少无切屑） 温锻成形工艺。温锻是将金属毛坯加热到再结晶温度以下，某个适当的温度的先 进成形技术。温锻不仅适用于变形抗力高，加工困难的材料，如高合金钢、高强 度材料，只要工艺因素控制得当，模具寿命也不会低，而且对于冷挤压适用的低 碳钢，也适合作为温锻。温锻便于组织连续生产，事先不需要对原材料退火、磷 化、皂化，同时温锻的变形大，可以减少工序数目，降低费用。 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 13 第二章 弧面凸轮机构的基本理论 第二章 弧面凸轮机构的基本理论 2.1 一般弧面凸轮的啮合原理简介 弧面分度凸轮机构是分度凸轮机构中比较先进的一种分度机构，主要应用于 高速运转的现代化自动机械中，凸轮分度机构常见的有平面凸轮分度凸轮机构、 球面凸轮分度凸轮机构、圆柱分度凸轮机构和弧面分度凸轮机构等四种类型 10。 弧面分度凸轮机构其凸轮体呈弧面蜗杆状，凸轮曲线与分度盘曲线呈垂直交 错，滚子沿分度盘的径向呈放射状均布安装，凸轮的齿廓面与滚子的齿廓面为共 轭曲面，如图 1.1 所示，分度盘上的滚子齿廓面与凸轮上定位段的齿廓面（圆锥 面）相啮合，使从动的分度盘处于锁紧状态而保持不动，实现间歇定位运动。凸 轮每转一周，从动盘转过一定角度停歇一段时间；转角的大小随滚子数目的多少 而定；停歇时间与运动时间的比例可根据需要而定。由于应用了凸轮机构的原理， 运动规律可以任选，从而可以适用不同的工作条件。这种机构精度很高。是目前 工作性能最好的一种凸轮式间歇机构。其最大的缺点是加工成本较高。 凸轮式分度机构主要是由凸轮与分度盘两个元件组成，并因凸轮的形式可以 分为上述四种型式。三种凸轮分度机构的比较见表 2.1 所示。由表中各项性能比 较可见。弧面分度凸轮在动态特性、分度精度，乃至啮合刚度与结构等方面都有 很好的表现，因而在高速机构分度领域占有重要的地位。 表 2.1 三种凸轮分度机构的比较 机 构 项 目 平面分度凸轮 圆柱分度凸轮 弧面分度凸轮 分度数 Nr16 Nr60 Nr24 输入转速 n1000rpn n600rpm n2000rpm 分度精度 1530 1530 1030 两轴相对位置 平 行 垂直交错 垂直交错 适用场合 高速、中、重载 中、低速 中、重载 高速、中、轻载 动程角范围 限制较严 较宽 较宽 设计限制 多 较多 少 施加预紧力 容易 难 容易 成本 较高 较高 高 刚性 较高 一般 高 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 14 2.2 连续分度弧面凸轮的基本理论 连续分度弧面凸轮机构相当于弧面分度凸轮机构的停歇段等于零的特例，其 结构变化不大，仍由主动弧面凸轮和滚子从动盘组成。主动凸轮的基体为圆弧回 转体，凸轮轮廓制成凸脊状，成螺旋状分布在圆弧回转体上；从动盘上装有若干 个沿转盘圆周均匀分布且轴线顺着转盘径向线的滚子。与蜗杆一样，弧面凸轮可 以制成单头、双头或多头，本文中仅研究单头。由于凸脊有左右两个侧面，当按 某一特定方向旋转时，一侧为受力侧，推动从动盘转动，另一侧为几何定位侧， 局部区域与滚子之间可以有一定的间隙。当凸轮体旋转时，其凸脊轮廓推动滚子， 使从动盘转动。传动比由凸轮的头数和从动盘的滚子数决定。 2.2.1 刚体反转法 刚体反转法就是利用范成法加工原理，假设凸轮轴为输入轴，分度盘轴为输出 轴，假设凸轮轴线固定不动，分度盘轴与凸轮轴之间保持固定的距离，然后将分 度盘轴以凸轮旋转的反方向绕到凸轮轴作等角速度公转，并按照其所需的输出角 度做自转，以求取平面凸轮的外廓曲面方程 11。 弧面分度凸轮的外廓为一空间曲面，滚子是以均布呈放射状排列分度盘上。当 弧面分度凸轮转动时，假设凸轮作等角速度转动，分度盘则随着凸轮曲面的变化， 作其所需要的输出运动。本文利用范成法原理推导凸轮外廓，假设凸轮固定于凸轮轴 不动， 以球头铣刀代替滚子固定于分度盘上， 且分度盘轴与凸轮轴之间保持固定的距离。 图2.1 弧面凸轮外廓曲面推导示意图 图2.2 弧面凸轮与滚子啮合示意图 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 15 分度盘轴沿着凸轮旋转的反方向，绕着凸轮轴公转，并且对凸轮轴作摆动运动， 以推导弧面分度凸轮的外廓，其原理如图 2.1 所示。 2.2.2 凸轮外廓曲线的推导 如图 2.2 所示为弧面凸轮与滚子啮合示意图，根据弧面分度凸轮与滚子间的 啮合特性，滚子圆的圆心沿着凸轮外廓运动所绘出来的轨迹（节曲线）的切线与 滚子圆与凸轮沟槽间两接触点的切线必须互相平行，滚子圆与凸轮沟槽的两个接 触间的连线必须过滚子圆的圆心。因此，滚子圆的圆心沿着凸轮外廓的运动所描 述出来的轨迹的法线必须垂直于凸轮外廓曲线。 在描述凸轮与分度盘之间的运动时，凸轮外廓曲线与滚子圆的接触点处，必 定相切且具有公切线。由圆的几何弧面分度凸轮的外廓为一空间曲面，滚子是以 均匀呈放射状排列在分度盘上。当弧面分度凸轮作运动时，以凸轮为主动件也一 定垂直于凸轮外廓曲线。为确保弧面分度凸轮外廓曲线能够紧密接触，滚子圆与 凸轮沟槽间有两个接触点，在此两接触点处，两曲线的公切线必须相互平行。滚 子圆的圆心沿着凸轮外廓运动所描述出来的轨迹称为节曲线。若两接触点处两曲 线的公切线相近时，两曲线会越来越接近而使其间距小于滚子圆的直径。因此会 导致滚子圆无法移动而卡死；若两接触点处两曲线的公切线相离时，两曲线会越 来越疏远而使其间距大于滚子圆的直径。因此会导致滚子圆无法和凸轮外廓曲线 紧密接触而产生间隙。 弧面分度凸轮与滚子的空间几何关系，如图 2.3 所示。固定坐标系 XYZ 的 X 轴定义为沿着凸轮轴与分度盘轴的公垂线，且方向指向分度盘轴；Z 轴定义为沿着 凸轮轴，且方向指向地面。凸轮以 Z 轴依右手定则作正旋转， c 为凸轮轴的角速 度， c 为凸轮的旋转角； t 为分度盘的旋转角；C为凸轮轴与分度盘轴间的公垂 线距离； 为滚子的运动半径，即分度盘轴至滚子中心轴线位置的距离。 图2.3 弧面凸轮与滚子的空间几何关系 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 16 已知 t 和 c 之间的关系为运动曲线函数， 可以()()1/ ttcc m =表示，m为 减速比。由图 2.3 示，滚子的轴线位置() 0 , c s 为： ()() 0 ,cossin ctt saiK = （2-1） 利用刚体反转法，以凸轮轴为旋转轴逆凸轮的旋转方向() cK 进行反转，求 得滚子的节曲面方程式(), pc s ： () ()() cossin0 ,cos,0,sinsincos0 001 coscoscossinsin cc pcttcc tctct sa aiajk = （2-2） 本文作者采用文献 15的方法推导，求得滚子节曲面的单位法向量 n： pp c xyz pp c SS nn in jn k SS =+ （2-3） 沿着滚子节曲面正反法向量偏移一个滚子半径( )r的距离，即可以求得弧面分 度凸轮外廓曲面方程式(), c s ()()()()(), cpcxcyczc SSrnSiSjS =+ （2-4） 2.3 凸轮结构设计和 CAD 2.3.1 运动曲线的合成 利用弧面分度凸轮机构作角速度上的控制， 以分度盘子角速度作为运动曲线合 成的基本要求。将角速度运动运动曲线分别对时间积分、微分可得到角位移与角 加速度。一般情形下，弧面分度凸轮的运动曲线函数，以() ttc =表示角位移曲 线 15。 图2.4 角位移曲线示意图 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 17 假设角位移曲线如图 2-4 所示，已知起始角 0 0 t =。假设 12 mm； 分别为第区间至第区间凸轮的旋转角： 1Ic = （2-5） 21IIcc = （2-6） 32IIIcc = （2-7） 3 360 IVc = （2-8） 若 0t 为分度盘子总旋转角则 01234ttttt =+ ()()()() 111212212 12 11 22 1111 2222 IIIIIIIIVIV IIIIVIIIIIIV r mmmmmmmm mm K =+ =+ = （2-9） 令： 11 22 11 22 IIIIV IIIIIIV A B =+ =+ （2-10） 则： 120 360 t m Am B AB += += （2-11） 解方程组得： 2 12 1 12 360 360 r r K Am mmN K Bm mmN = = （2-12） 由上式可知，0360AA = 2 1 12 r K m N = 60 I = 若取 1 1 10 m =，则由方程（2-14）得： 2 111 61015 m = 因此由方程（2-12）得 A、B 分别为： 11 180 22 IIIIV A= =+ 图2.5 角位移曲线图 图2.6 角位移一次微分曲线图 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 19 11 180 22 IIIIIIV B= =+ 因此 I 、 II 、 III 、 IV 可以有很多的结合方式，只要满足上面方程式即可 16。 现任选一组合，即取：60 I =、120 II =、60 III =、120 IV = 可得 ct 曲线、 ct 曲线、 ct 曲线分别如图 2.5、图 2.6、图 2.7 所示。 由文献 17所述方法得到弧面凸轮三维实体轮廓形状如图 2.8 示。 其主要参数： 中心距：125.000amm=； 从动盘节圆半径：82.500Rmm=； 凸轮轴的最小直径： min 42.194dmm= ； 凸轮长度：95.350Lmm=； 凸轮大端面最大直径： max 122.500Dmm=； 图2.8弧面凸轮的轮廓形状 图2.7 角位移二次微分曲线图 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 20 第三章 等温挤压工艺的研究 第三章 等温挤压工艺的研究 弧面凸轮机构是将连续运动转化为周期性间歇运动的机构，具有传动平稳、 无冲击等优点，逐步应用于高速包装机、火柴自动生产机等自动机及自动控制生 产线中。为保证凸轮有足够长的使用寿命，增强凸轮的耐磨性，提高工作效率， 选用 GCr15 钢作为凸轮材料。 3.1 凸轮材料的等温挤压性能分析 3.1.1 金属材料温锻成形的特点 温锻是将金属毛坯加热到再结晶温度以下，某个适当的温度的先进成形技术。 温锻不仅适用于变形抗力高，加工困难的材料，如高合金钢、高强度材料，只要 工艺因素控制得当，模具寿命也不会低，而且对于冷挤压适用的低碳钢，也适合 作为温锻。温锻便于组织连续生产，事先不需要对原材料退火、磷化、皂化，同 时温锻的变形大，可以减少工序数目，降低费用。 温锻与热锻相比，同样具有变形抗力低、塑性好等优点，而且由于加热温度 低，不产生过热、过烧、氧、脱碳等缺陷，尺寸精度高，产品质量好，有较高的 经济效益。 当变形速度一定时，在一般情况下，随着变形温度的提高，变形抗力总的趋 势是下降而且变形程度较小。例如 GCr15 钢当6 . 04 . 0= f 时，在C 0 550500范围 内变形抗力有回升的趋势，这就是“蓝脆”现象，但变形程度大到0.8f=时， “蓝 脆”现象就不明显。 “蓝脆”是由于钢中固溶体元素C或N之的析出弥散强化所引起的现象。C、 N的析出强化，以化合物形式析出，且温度高、扩散快，因此变形速度增加，需要 更高的温度才来得及扩散，这就是“蓝脆”现象出现时，温度较高的原因。在钢 中如果没有C、N元素或者钢中元素容易形成碳化物或氮化物，就不易出现“蓝脆” 现象，或“蓝脆”现象不明显，在“蓝脆”温度附近温锻成形，不但变形抗力大， 零件表面粗糙度增大，实际上生成了一些很浅的表面微裂纹，使产品的室温冲击 值急剧下降。 弧面凸轮的加工以往均采用棒料加工，加工的绝大部分时间消耗在粗加工阶 段，不仅材料利用率低，劳动消耗大，能源消耗高，生产效率很低，而且由于金 属流线被切断而影响产品性能，所以迫切需要净形或近似净形（少无切屑）温锻 成形工艺。 3.1.2 GCr15 钢温锻变形分析 轴承钢 GCr15 钢问世已有近百年历史其化学成份如表 3.1。 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 21 表 3.1 GCr15 钢的化学成份 元素名称 C Si Cr Mn P S 含量 0.95 1.05 0.15 0.35 1.30 1.65 0.20 0.40 0.03 0.03 轴承钢由于变形时，加工硬化严重，挤压力大，不易使产品挤压成形，在产品尚 未成形符合图纸要求以前，模具就损坏失效了。其温锻与热锻、冷锻相比，同样 具有变形力低，塑性好等优点。 3.1.3 变形速度对变形的影响 在变形程度相同的条件下，变形速度很高，变形抗力增加，如图 3.1 所示。当 0.70f=时，且速度由1.5S 1 提高到40S -1 时，变形抗力在各变形温度下都有所提 图3.1 GCr15钢在不同变形程度下 变形温度与变形抗力的关系 图3-2 GCr15钢在不同变形温度下 变形速度与变形抗力的关系 图3.2 GCr15钢在不同变形温度下 变形速度与变形抗力的关系 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 22 高， 且 “蓝脆” 区一般出现在500c左右。 因此， GCr15 钢温锻温度必须选择在500c 以上，如图 3.2 所示随着变形速度的提高，变形抗力直线上升。 GCr15 钢在温塑性变形时，其强度极限如塑性指标的变化 如表 3.2，GCr15 钢随着变形温度的提高强度极限快速降低，而塑性指标 表 3.2 GCr15 钢在各种温度下变形时强度与塑性指标 塑性指标 变形温度（） 强度极限 b（MPa） 614 5.47 13.0 31.3 650 4.535 14.5 48.0 695 3.505 21.3 50.3 725 1.778 53.8 76.2 787 1.316 71.9 98.0 835 1.12 79.4 99.4 急剧提高。 如变形温度725 c时， 强度极限1.778bMPa=， 而614 c时，5.47bMPa=。 变形温度仅提高100 c，而强度极限却下降了 2 / 3 左右，塑性指标, 均有所提 高，值提高40%，值提高 1 倍以上。当变形温度提高到835 c时，强度将进一 步降低到1.12MPa，塑性指标值达到79.4%，值高达99.4% 3.1.4 温锻温度对变形的影响 温锻方式、 变形温度、 变形程度等对变形过程有着极大的影响。 如图 3.3 所示， GCr15 钢挤压时，在20%80%的变形量及在不同温度下单位挤压力的变化规律。 变形程度越大，凸模单位挤压力也越高，在700 c变形时0.40f=的单位挤压力为 5.60MPa，而0.80f=时，提高到11.60MPa，提高了 1 倍多。 当变形温度低于600 c时，在速度较慢的液压机上挤压时较好，因为金属加工 硬化程度较低；变形温度大于600 c时，采用机械压力机上较高速度成形较好，因 图3.3 GCr15钢挤压时变形程度、变 形温度与单位挤压力的关系 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 23 为当变形温度升高时，加工硬化程度由于动、静态回复和再结晶有所减弱，而机 械压力机成形速度高，变形热效应增加，成形时间短，坯料温降少，所以变形单 位挤压力低。为了得到高质量的毛坯产品，此产品的挤压采用在挤压成形之后， 还要加上保压阶段的工艺方法，可以获得形状复杂、轮廓清晰美观的锻件表面， 以及内部结构优良的高性能锻件。 加热时间与加热温度影响产品的外观质量，在保证锻压件内在质量的前提下， 快速加热不仅提高了生产效率，也使锻压成形件的外观光洁、美观，达到 mRa6 . 04 . 0=。 GCr15 钢温挤时，润滑条件的影响也举足轻重，它足以影响温挤压的成败，所 以温挤润滑材料应满足下列条件： 1）可耐20MPa单位挤压力的高压；2）能覆盖挤压时成形的大片新生表面；3） 尽量维持低的摩擦系数；4）在800 C下的温度范围内具有一定的化学稳定性和热 稳定性；5）在温热范围内有足够的粘度和粘附性能；6）温挤时能防止金属质点 粘附在模具上，否则不仅摩擦力急剧增大，也影响挤压件的质量和模具寿命；7） 有良好的冷却效果；8）温挤压变形后易于清除，价格便宜，无毒，在市场上易于 购买。根据上述要求，在 GCr15 钢温塑性成形时，采用的水剂石墨，同时水剂石 墨易于喷涂冷却润滑效果好。 综上所述，GCr15 钢温挤压时，变形温度为800 c左右为最佳，变形程度不大 于 70%。变形在空气中冷却，形成索氏体组织，由金相组织观测和电镜分析，还可 以看出碳化物积聚以及原始球化组织被破坏，挤压的硬度有所提高，对后续加工 不利，所以，一般推荐温度为C 0 20750，温挤后能严格控制挤压件的冷却速度， 且能在C 0 710680等温32小时，随后再缓冷至650 C以下，有利于组织细化、 性能提高和后续机加工的进行。在实际生产中可使用普通电炉加热，选取温度为 75020 C。 坯料为热轧退火棒料，坯料直径为54Dmm=，长度为200Lmm=，表面粗糙度 3.2Ram=，重量 G 大约为3.24kg。 由于在再结晶温度以下挤压，当然会产生加工硬化，但由于变形时的热效应， 特别是表面摩擦的作用，即使在加工表面产生了再结晶，也减少了加工硬化的倾 向。因此如果挤压温度越高，冷却硬化现象就越小，硬度越低，倔服极限和抗拉 强度也是如此，而其冲击韧性和疲劳强度加大。 3.2 等温挤压模具设计 3.2.1 温挤模具材料的选择 GCr15 钢温挤压是在C 0 20750下进行的，因此对 GCr15 钢温挤模具材料必须 满足以下要求： 湘潭大学硕士学位论文 弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化 24 1) 在室温和中温具有足够的硬度、强度和韧性，要能承受温挤塑性成形时引 起的较大轴向和径向压力，使模具在温锻升温过程中