圆柱直齿轮冷精锻工艺模拟及实验研究.pdf

圆柱直齿轮冷精锻工艺模拟及实验研究 N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n t a lS t u d yo f C o l dC l o s e D i eF o r g i n go fS p u rG e a r 2 0 11 年3 月 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查 确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求 主席 答辩委员会签名 工作单位 职称 止 旋 疋 必 葡护 导师 饼乞驴 涉巾幻豇 彩籀t 糌 到易猿 咚吨 糟俳饼 藤 套冬 员蚕 独创性声明 本人声明所呈交的学位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 据我所知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果 也不包含为获得 金胆王些太堂或其他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做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意 学位论文作者签字 五角绳签字日期 劲1 1 年砂月 阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂有关保留 使用学位论文的规定 有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅或借阅 本人 授权金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者签名 亚角怨 签字日期 砂f 年印月2 阳 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 签字日期 电话 邮编 磅铲 f t 年U 只矿勺 圆柱直齿轮冷精锻工艺模拟及实验研究 摘要 圆柱直齿轮是重要的传动零件 在汽车 机械 航空等领域有着广泛的应 用 作为传递动力及运动的关键零件 其精度及质量都有很高的要求 当前 圆柱直齿轮的生产仍然以机械加工方法为主 存在生产效率低 材料利用率低 零件强度低 能耗大等缺陷 已远不能满足工业发展的需求 针对平端面圆柱直齿轮 本文提出了齿腔分流法 即将分流型腔设置在凹 模型腔深处 采用有限元软件D E F O R M 3 D 对该分流工艺进行模拟研究 系统 分析了材料流动规律及齿腔充填特点 得出了其应变场 速度场 温度场的分 布及载荷曲线 并讨论了三个重要因素 如分流型腔深度 摩擦系数及坯料高 度 对成形效果 最大载荷及模具温度分布等的影响 采用铅试验进行物理实 验 对该工艺方案的优越性进行验证 结果表明 该工艺方案不仅能有效地改 善角隅充填性能 也能极大地降低成形载荷 成形载荷仅为封闭式冷锻成形的 一半 与有限元模拟结果吻合 设计了实验模具 采用有限元法校核了模具中 的关键零部件 并成功锻制出合格的2 0 C r M n T i 钢质直齿轮锻件 最后设计了 批量生产模具工装 重点解决了出模难题 同时 本文将分流法进行推广 针对带高凸台的圆柱直齿轮提出两步成形 工艺 即封闭式冷锻预锻一局部加载耦合齿端分流工艺终锻 并对该工艺进行 有限元模拟研究 详细分析了其流动规律和变形机理 合理确定了预锻成形量 对于终锻的研究 重点提取了应变 速度场量及载荷曲线进行分析研究 并采 用正交试验和极差分析法 以成形效果最好 成形力最低为目标 对几个重要 工艺参数 如凸台直径D 凸台圆弧R 分流腔宽度L 坯料高度H 进行优 化 得到了最佳成形工艺参数 模拟结果表明 该工艺方案成形效果好 模具 受力低 仅为封闭式冷锻工艺的一半 针对该工艺设计了简易模具 采用铅试 样进行对比物理实验 结果与数值模拟一致 通过对以上两种直齿轮类零件冷锻成形工艺的研究 本文总结了圆柱直齿 轮冷精锻分流型腔设计方法 首次提出了两种合理实用的新方案 为圆柱直齿 轮冷精锻技术实用化奠定了基础 关键词 圆柱直齿轮 冷精锻 数值模拟 实验研究 N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n t a lS t u d yo fC o l d C l o s e D i eF o r g i n go fS p u rG e a r A B S T R A C T S p u r g e a ri s a ni m p o r t a n td r i v i n gp a r t a n di sw i d e l yu s e di na u t o m o b i l e m e c h a n i c s a s t r o n a u t i c se t c B e i n gk e yp a r tt h a tt r a n s m i t sp o w e ro rm o t i o n i t s a c c u r a c ya n dq u a l i t yi se x p e c t e da w f u l l y B u tn o wt h em a i np r o d u c i n gm e t h o do f s p u rg e a ri sm a c h i n i n gw h i c hh a sm a n yd e f a c t s s u c h a sl o wp r o d u c t i v i t y l o w m a t e r i a lu t i l i z a t i o n l o ws t r e n g t ho fg e a ra n dh i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dS Oo n I t c a nn o ts a t i s f yt h ed e v e l o p m e n tp r e s s u r eo fi n d u s t r ya ta 1 1 A i m i n g a tf l a t f a c e d s p u rg e a r o d o n t o i dc a v i t yd i v i d e d f l o w m e t h o d t h e d i v i d e df l o w c a v i t yi s l o c a t e da tt o o t h t o po fo d o n t o i dc a v i t y w a sp u t f o r w a r d F i n i t ee l e m e n tw a su s e dw i t hD E F O R M 3 Ds o w a r et os t u d yt h i sp r o c e s s a n de q u i v a l e n te f f e c t i v es t r a i n v e l o c i t yp a t t e r n t e m p e r a t u r ep a t t e r nw e r eo b t a i n e d a l s oW Ca n a l y s e dt h ef l o wr u l ea n df u l l i n gf e a t u r e ss y s t e m a t i c a l l y T h r e ek e y f a c t o r s t h ed e e p n e s so fd i v i d e df l o wc a v i t y f r i c t i o nf a c t o r t h eh e i g h to fb a n k t h a t c a ni m p a c tf o r m i n g l o a d t e m p e r a t u r ep a t t e r no fd i e w e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r m o d e le x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt ov e r i f yt h es u p e r i o r i t yo ft h i sp r o c e s s a n dt h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sp r o c e s sc a nn o to n l yi m p r o v em o u l df u l l i n ge f f e c t i v e l y b u t a l s oc a nr e d u c el o a ds e v e r e l y a n dt h el o a do ft h i sp r o c e s si sa b o u th a l fo fc o l d c l o s e d i ep r o c e s s a n dc o n f o r mt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s d i ef o re x p e r i m e n tw h o s e k e yp a r t sw e r ec h e c k e dt oi n s u r et h es t r e n g t hw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o dw a s d e s i g n e d a n dq u a l i f i e d2 0 C r M n T is p u rg e a rw a sa c h i e v e d d i ef o rm a s sp r o d u c t i o n w h i c he m p h a t i c a l l ys e t t l e dm o u l du n l o a d i n gp r o b l e nw a sd e s i g n e d l a s t l y A tt h es a m et i m e d i v i d e df l o wm e t h o dw a se x t e n d e di nt h i sp a p e r A i m i n ga t s p u rg e a rw i t hb o s s t w os t e pp r o c e s s w h i c hc o l dc l o s ed i ep r o c e s sw a su s e df o r p r e f o r g i n g a n dl o c a ll o a d i n gc o u p l e dw i t hd i v i d e df l o wa te n df a c ew a su s e df o r f i n i s h f o r g i n g w a sp u tf o r w a r d F i n i t e e l e m e n tm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h i s p r o c e s sw h o s ef l o wr u l ew a sa m p l ya n a l y s e d a n dt h ed e g r e eo fp r e f o r g i n gw a s d e t e r m i n e d A sf o r f i n i s h f o r g i n g w ee m p h a t i c a l l ye x t r a c t e dt h ee q u i v a l e n t e f f e c t i v e s t r a i n v e l o c i t yp a t t e r n c u r v e o fl o a dt o s t u d y a n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a lm e t h o da n dL S R w e r eu s e dt oo p t i m i z es e v e r a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s s u c ha sd i a m e t e rD c i r c u l a ra r cRo ft h eb o s s w i d t ho fd i v i d e df l o wc a v i t yLa n d t h eh e i g h tH w i t ht h eb e s tf o r m i n ga n dt h el o w e s tl o a da st a r g e t W eo b t a i n e dt h e o p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s A n a l o gr e s u l t sm a k ec l e a rt h a tt h i sp r o c e s sc a ng e t w e l l f o r m e df o r g i n g a n dh a sl o wd i es t r e s sw h i c hi so n l yh a l fo fc o l dc l o s e d i e p r o c e s s A l s os i m p l ed i ew a sd e s i g n e d a n de x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tw i t hl e a d s a m p l e a n dt h er e s u l t sc o n f o r m st ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s T h em e t h o d so fd e s i g n i n gd i v i d e df l o wc a v i t yo fc o l dc l o s e d i es p u rg e a rw e r e g e n e r a l i z e di nt h i sp a p e rt h r o u g h t h es t u d yt oc o l df o r g i n gt h e s et w ot y p e ss p u rg e a r a n dt w or e a s o n a b l ep r o c e s s e sw h i c hc a np u tc o l df o r g i n gs p u r g e a rt op r a c t i c ew e r e p u tf o r w a r df i r s t l y a n de s t a b l i s h e dg r o u n d w o r kf o ri n d u s t r i a l i z a t i o n o fc o l d c l o s e d i es p u rg e a r K e y w o r d s s p u rg e a r c o l dc l o s e d i e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t 谢辞 首先要感谢我的导师薛克敏教授 在我攻读硕士学位期间 他将我带入精 密塑性成形及仿真中心 让我有机会进行塑性成形方向的研究 在过去的近3 年时间里 他无私地把渊博的知识传授给我 潜移默化地用严谨治学 实事求 是的科研作风影响我 为我的科研道路指明了方向 确立了目标 研究当中 他给予我的鼓励使我有勇气去面对任何困难 他给予我的指导使我受益终身 他和蔼可亲 平易近人的为人值得我永远尊敬 他无私奉献 教书育人的敬业 精神是我追随的榜样 能做薛老师的学生是我一生的荣幸 在此 我还要感谢李萍老师在课题理论研究及论文写作当中对我的悉心指 导和在生活上给予的帮助 真诚感谢同课题组的许锋博士在论文的选题 模具 设计及数值模拟等方面提出了十分宝贵和实用的建议 在这里还要感谢我的师兄李琦 吴站立 董传勇 唐勇 贾建磊 国宁 禹路 汪洋等 师姐王小溪等对我的课题研究及软件学习中的指导与帮助 感 谢我的同窗王刚 章凯 王成 朱广余 张宾 曹婷婷 李晓 张倩倩以及实 验室的师弟师妹所给予的帮助和支持 同时 感谢0 8 级9 班全体同学在生活上 给予我的关心 帮助以及学业上的指点 最后感谢我的父母 兄弟和女朋友 感谢他们对我生活无微不至的关怀 对我工作不断的鼓励和无条件的支持 是他们关怀 促使我不断努力前行 感谢所有关心和帮助我的老师 朋友和家人 作者 王岗超 2 0 11 年3 月1 日 目录 第一章绪论 1 1 1 引言 1 1 2 圆柱直齿轮冷精锻技术分析 2 1 3 圆柱直齿轮冷精锻国内外研究现状 3 1 3 1 国外发展现状 3 1 3 2 国内研究现状 6 1 4 课题来源 目的及研究内容 8 1 4 1 课题来源 8 1 4 2 课题目的及研究内容 8 第二章平端面圆柱直齿轮冷精锻研究 1 0 2 1 圆柱直齿轮冷锻分流型腔设计方法 1 0 2 2 齿腔分流工艺 1 0 2 2 1 齿腔分流工艺的提出 1 0 2 2 2 有限元模型的建立 1 1 2 2 3 有限元结果分析 13 2 2 4 齿腔分流工艺改进 1 9 2 3 矩形齿腔分流工艺成形的影响因素 2 l 2 3 1 分流腔深度对成形的影响 一2 1 2 3 2 摩擦系数对成形的影响 2 3 2 3 3 坯料高度对成形的影响 2 5 2 4 物理实验研究 2 6 2 4 1 实验准备 2 6 2 4 2 实验结果 2 6 2 5 小结 2 8 第三章平端面圆柱直齿轮冷锻实验研究 2 9 3 1 实验模具设计 2 9 3 1 1 上凸模 3 0 3 1 2 三层预应力凹模 3 0 3 1 3 下凸模 3 5 3 2 坯料处理 3 6 3 3 实验结果 3 7 3 4 批量化生产模具工装设计 3 9 3 5 小结 4 0 第四章分流法的应用一冷锻带凸台圆柱直齿轮 4 l 4 1 工艺方案介绍 4 1 4 2 有限元模拟研究 4 2 4 2 1 预锻有限元模型建立 4 2 4 2 2 预锻有限元结果分析 4 3 4 2 3 终锻有限元模型建立 4 5 4 2 4 终锻有限元结果分析 4 5 4 3 终锻上凸模参数正交实验优化 4 8 4 3 1 正交试验优化和极差分析介绍 4 8 4 3 2 主要工艺参数 4 9 4 4 优化结果分析 5 0 4 4 1 模拟结果 5 0 4 4 2 极差分析 51 4 4 3 最佳组合模拟分析 5 2 4 5 局部加载物理实验研究 5 3 4 5 1 实验准备 5 3 4 5 2 实验结果 5 3 4 6 小结 5 4 第五章结论与展望 5 5 5 1 结论 5 5 5 2 展望 5 6 参考文献 5 7 攻读硕士学位期间参与项目与发表论文 6 2 插图清单 图1 1 圆柱直齿轮冷精锻工艺示意图 2 图1 2 直齿轮锻造示意图 4 图1 3 直齿轮两步锻造工艺 5 图1 4 浮动凹模模具图 6 图1 5 开放镦挤成形原理图 7 图1 6 波形端面工艺原理 7 图1 7 刚性平移工艺预 终锻齿形 7 图1 8 约束分流两种形式 8 图2 1 成形过程中锻件齿项上 下端所受摩擦力分布 1 1 图2 2 齿形轮廓线 1 l 图2 3 齿轮冷精锻模型 1 3 图2 4 齿腔分流工艺变形过程 1 4 图2 5 跟踪点位置分布 1 4 图2 6 齿腔分流工艺变形过程 1 5 图2 7 圆柱直齿轮冷精锻材料转移方式 1 6 图2 8 锻件等效应变分布图 1 6 图2 9 变形过程速度场 1 7 图2 1 0 横截面速度场分布 1 8 图2 1 1 锻件及模具温度场分布 1 8 图2 1 2 齿腔分流工艺载荷一行程曲线 1 9 图2 1 3 改进齿腔齿形图 2 0 图2 1 4 模拟结果图 2 0 图2 15 不同齿腔深度下的锻件图 等效应变分布图 2 2 图2 1 6 分流腔深度对成形载荷的影响 oo 2 2 图2 1 7 分流腔深度对模具及锻件温度的影响 2 3 图2 18 不同摩擦系数下的锻件图 等效应变分布 2 4 图2 1 9 摩擦系数对成形载荷的影响 2 4 图2 2 0 摩擦系数对锻件温度的影响 2 5 图2 2 1 坯料高度对成形载荷的影响 2 6 图2 2 2 齿腔分流工艺实验结果 2 7 图2 2 3 封闭式冷锻工艺试验结果 2 7 图3 1 实验模具图 2 9 图3 2 上凸模 3 0 图3 3 预应力组合凹模的应力分布 3 l 图3 4 浮动凹模 3 2 图3 5 三层凹模应力校核结果 载荷最大时 3 3 图3 6 模具弹性变形图 3 4 图3 7 下凸模 3 5 图3 8 锻件终了时的下凸模等效应力分布 3 6 图3 9 下凸模底面最大压应力 3 6 图3 1 0 坯料高压扭转后下模爆裂 3 7 图3 1 l 磷化皂化处理后的坯料 3 7 图3 1 2 封闭式冷锻工艺在不同压力下的成形结果 3 8 图3 1 3 齿腔分流工艺在2 0 0 0 K N 下的成形结果 一3 8 图3 1 4 生产用模具示意图 3 9 图3 15 模具装配图 3 9 图3 1 6 环形件 j 4 0 图4 1 带凸台圆柱直齿轮 4 1 图4 2 带凸台圆柱直齿轮冷锻工艺流程 4 l 图4 3 预锻有限元模型 一4 4 3 图4 4 预锻成形载荷一行程曲线 4 4 图4 5 预锻件 4 4 图4 6 局部加载耦合齿腔分流工艺终锻有限元模型 4 5 图4 7 锻件各个阶段变形图 等效应变分布图 4 6 图4 8 终锻不同部位的材料流动 4 6 图4 9 变形过程中的速度场分布图 4 7 图4 1 0 载荷 行程曲线 一4 8 图4 1 1 终锻优化参数尺寸图 4 9 图4 1 2 正交试验模拟结果 等效应变分布图 5 1 图4 1 3 各因素对成形载荷的影响 5 2 图4 1 4 为最佳工艺参数模拟结果 5 2 图4 一1 5 预锻实验结果 5 3 图4 1 6 终锻结果 5 4 表格清单 表2 1 齿形参数表 1 2 表2 2 载荷对照表 2 1 表3 1 齿形参数表 j 2 9 表4 1 齿形参数表 4 3 表4 一l 因素表 4 9 表4 2 正交实验表 j 4 9 表4 3 模拟结果 5 1 表4 4 各因素水平对成形载荷的影响 5 1 第一章绪论 1 1 引言 齿轮是工业机械设备当中的关键零件 应用非常广泛 比如轮船 航空设 备 汽车 机械设备等都要用到齿轮 l 齿轮有很多种类 包括直齿 斜齿 伞齿 螺旋齿等 其中 圆柱直齿轮是形状较简单 应用也较广泛的一种 圆柱直齿轮是传递动力 运动的关键零件 2 形状复杂 同时其精度 表 面质量和综合机械性能都有很高的要求 目前国内圆柱直齿轮的生产仍以机械 加工为主 包括滚齿 剃齿 插齿 磨齿等 最先进的也仅是热锻坯料后机加 工成形 该类生产工艺存在以下缺点 1 切削加工是去除多余材料的加工方法 材料利用率低 约为4 5 2 切削加工是逐个齿进行加工的方法 生产效率极低 齿轮精度低 3 切削加工破环了圆柱体坯料原有的纤维流线分布 齿轮强度低 随着汽车工业的迅速发展 对圆柱直齿轮的需求量越大越大 对其质量要 求也越来越高 3 传统的机加工方法已远不能满足其发展需求 因此迫切需要 开发出一种新的生产工艺 以克服现有缺陷 圆柱直齿轮冷精锻技术就是当前 国内外研究比较热点的一种近净成形工艺 4 6 冷精锻是在室温条件下通过压力机设备和模具使坯料产生塑性变形 充满 型腔来成形零件 由于不需要加热 不需或只需少量后续机加工 所以冷精锻 具有较高的技术难点 在近几年得到迅速发展 该工艺与机加工相比具有以下 优点 7 1 0 1 材料利用率高 与机加工相比可提高4 0 以上 2 生产效率可提高4 5 以上 3 冷锻是整体成形 合理设计模具结构 提高模具精度能够得到高精度 的直齿轮锻件 4 锻件纤维流线完全按照齿形轮廓分布 而且冷塑性变形发生强烈的加 工硬化 极大地提高了锻件的强度和硬度 与热锻相比具有以下优点 1 1 1 2 1 冷锻不需要加热 锻件不存在热胀冷缩 精度高 表面质量好 2 所需设备简单 不需要加热装置 能耗少 3 冷锻件没有高温回复再结晶 加工硬化严重 强度高 4 冷锻件只需很少或不需要后续热处理 工序简单 环境污染小 成本 低 因此 圆柱直齿轮冷精锻是在冷锻的基础之上发展起来的 是一种崭新的 精密成形工艺 将会引领齿轮制造的变革 1 2 圆柱直齿轮冷精锻技术分析 圆柱直齿轮冷锻具有很多成形难点至今无法克服 使其未能真正的进入实 际生产阶段 总结起来主要有以下几个方面 l 弘 1 成形载荷过大 模具单位压强高 模具寿命低 锻件出模困难 钢质 材料在室温下屈服强度高 很难发生塑性变形 而且成形过程中加工硬化严重 导致成形载荷过大 模具单位压强高 进而导致模具寿命低 同时载荷大 冷 锻后锻件卡在齿腔内 出模困难 而且黑色金属的冷锻润滑一直都是世界性技 术难题 润滑不好容易发生坯料与模具粘模现象 从而也极大地降低了模具的 寿命 2 齿腔充填困难 齿轮锻件 缺肉 齿轮锻件齿顶棱线及尖角部位充 填困难 在成形的最后阶段锻件几乎所有的表面均与模具接触 虽然成形力很 大 但三个方向的主应力差值很小 很难发生屈服塑性变形 3 模具及锻件回弹严重 锻件精度难以控制 冷锻载荷大 成形最后阶 段模具弹性变形大 同时锻件出模后回弹严重 回弹量难以控制 导致锻件精 度难以控制 图I I 圆柱直齿轮冷精锻工艺示意图 由上可知 圆柱直齿轮冷精锻最大的技术障碍就是齿腔充填困难 从而导 致成形载荷大 模具压强大 模具寿命低 而且模具压强大 模具弹性变形量 也大 锻件出模后的回弹严重 锻件精度就低 这些缺陷与直齿轮冷锻成形方 式有关 图1 1 为圆柱直齿轮冷精锻工艺示意图 该图代表了国内外研究的冷 锻圆柱直齿轮的加载方式 由上凸模 齿腔凹模和齿形下凸模组成齿轮锻造模 膛 上凸模可以带有齿形也可以不带齿形 不带齿形时凹模必须是浮动结构 带有齿形时上凸模深入到凹模齿腔内运动 几乎所有的圆柱直齿轮冷锻都是上 凸模下行 如图1 1 箭头所示 上 下凸模在竖直方向上对坯料进行加载 迫 使坯料横向充填 即坯料受力方向与流动方向垂直 从而导致齿腔充填困难及 成形载荷过大缺陷 以现有压力机设备条件尚且无法改进坯料受力方向 加载 方式 所以国内外的学者都是在成形工艺上进行研究 2 1 3 圆柱直齿轮冷精锻国内外研究现状 国外早在上世纪六十年代就开始了圆柱直齿轮锻造和挤压技术的研究 但 因生产出的齿轮零件不能满足传动精度的要求 所以该技术未能大规模应用 直到上世纪八十年代 随着冷锻模具材料的开发 冷锻润滑等技术的发展 日 本 德国等工业发达国家开始积极开发圆柱直齿轮冷精锻技术 并已经开始小 规模应用 国内也是早在上世纪六十年代就开始了圆柱直齿轮挤压成形技术研 究 至今仍然未能脱离实验室阶段 但几十年的研究为圆柱直齿轮冷精锻技术 的实际应用奠定了基础 1 6 08 1 近年来 国内外对圆柱直齿轮冷精锻的研究主要 集中在变形机理 成形工艺 成形模具 锻件精度控制等方面 并且取得了很 大进展 1 3 1 国外发展现状 在1 9 5 0 年原西德拜尔轻金属厂率先采用精密锻造技术生产圆锥直齿轮 齿 轮锻件精度达到西德D I N 6 级 国内8 级 标准 可以直接应用到当时的各种 机械设备中 该技术被称为B L W 工艺 随后各国相继引进或者自主研发 1 9 2 0 O 此时圆柱直齿轮精锻的研究也已展开 前苏联在上世纪5 0 年代开发出了圆 柱直齿轮的热轧工艺 日本则开发出了热精锻圆柱直齿轮工艺 但均由于生产 出的圆柱直齿轮精度低 成形工艺稳定性差等因素未应用于实际生产 在6 0 7 0 年代 国外学者开发出了圆柱直齿轮冷挤压工艺 采用正挤压的方法成形出了 圆柱直齿轮锻件 但是锻件存在严重的端面缺陷 且只适用于高径比较大的圆 柱直齿轮零件的成形 所以也未得到大面积应用 直到上世纪8 0 年代 日本 德国等国家开发出了小模数圆柱直齿轮冷锻工艺 并在某些直齿轮零件中得到 了实际应用 1 3 1 1 圆柱直齿轮冷精锻理论研究 各国学者通过实验研究 有限元法 理论分析等方法 对圆柱直齿轮冷精 锻工艺进行了详细研究 推动了该技术的发展 日本学者G r o v e ra n dJ u l l c j a 研究了齿形件的封闭式冷锻工艺 采用铅试样 并在试样上画上同心圆及放射线构成的网格 分析了材料的流动规律 并利用 上限法分析了成形过程 2 韩国学者J C C H O I 等人改进了这种研究方法 采 用上限法分析了各个参数对成形的影响 齿廓线为渐开线和圆弧 没有进行简 化 并且创造性地提出了符合动力学原理的速度场 图1 2 为直齿轮锻造模具 示意图 模具分为7 个部分 将坯料放入到齿形凹模镶块 中 齿形冲头下行 迫使坯料充填齿腔 3 氆彤掉头 圆坯科 巍形登攘镶块 固张瘦力环 遴形礤出瘗 顼如鏖 导陶环 图1 2 直齿轮锻造示意图 齿轮锻件可分为2 N 个对称结构 只对其中之一进行研究 针对每个区域 提出了动可容速度场公式 采用上限法 根据使整体载荷最小的黄金分割法来 确定 结果表明 冲头的相对压强或成形力主要受模数的影响 与齿数关系不 大 变位系数越大冲头相对压强越大 齿轮高度也影响冲头单位压强 在一定 范围内齿轮高度越大成形冲头所受压强越小 采用A L 2 0 2 4 材料进行模拟实验 结果与理论计算所得相符合 并得出了齿轮冷锻载荷 行程曲线 曲线表明 在 成形最后阶段载荷急剧上升 2 2 2 4 伊朗学者M H S a d e g h i 等人也采用上限法分析并推测了锻造成形时直齿轮 和斜齿轮的金属流动情况和成形载荷 并与物理试验结果进行比较 两者基本 吻合 他们还研究了影响直齿轮和斜齿轮锻造成形载荷的各种因素 如摩擦系 数 齿轮模数 齿数 齿轮高度 齿轮内孔直径等 结果表明 模数小 摩擦 系数小 齿数少 齿轮高度大 内孔直径小均会导致锻造成形载荷减小 2 5 1 英 国学者D o h a m a n n F 等人采用主应力法和数值逼近法对圆柱直齿轮冷精锻成 形过程中各阶段应力 材料流动情况及模具应力状况进行了分析 2 6 1 英国学者C h i t k a r a N R 等人利用上限法和切片法详细研究了镦锻圆柱直齿 轮的成形规律 并利用计算机在此基础上模拟了增量锻造圆柱直齿轮 得到了 其变形力和应力 应变规律 2 7 保加利亚学者D H H r i s t o v 和B I T o m o v 等人利 用有限元结合L a m e 公式的方法 系统分析了封闭式锻造圆柱直齿轮时预应力 组合凹模的等效应力 等效应变规律及特点 2 引 德国学者T h H e r l a n 利用A N S Y S 软件 应用有限元法来优化齿轮几何形状以降低成形载荷及模具应力 同时得 到了模具受力图和优化的齿轮形状 并将精锻齿轮件与传统生产的齿轮件对比 进行疲劳测试 Z 引 1 3 1 2 圆柱直齿轮冷精锻工艺及模具研究 在圆柱直齿轮冷精锻工艺及模具设计方面 国内外的研究主要集中在分流 思想和浮动凹模等方面 具有代表性的是日本学者K K o n d o 等人在1 9 8 5 年提 出的利用分流法进行齿轮锻件的精密锻造以降低成形载荷 改善模具受力条件 3 0 3 8 如图1 3 所示 日本学者提出采用两步成形工艺 即 圆盘形试样一冲 4 孔制备环形试样一传统封闭式冷锻 预锻 一孔分流终锻一冲孔 齿轮内孔 预锻时将芯轴插入到坯料内孔 防止材料向内孔流动 使得坯料高效率的充填 齿腔 当成形载荷达到预定值时停止加载预锻以保护模具 此时齿形大部分已 充满 只有齿顶及角隅部位未充完整 之后将预锻件放入到终锻模具中成形 终锻模具没有芯轴 坯料向齿形角隅部位充填的同时也向分流孔充填 当齿形 充填饱满时分流孔尚未充满 这样在最后阶段不仅仍有材料流动吸收设备能量 同时也由于坯料尚有一定的自由表面而不至于导致载荷急剧上升 这就起到了 分流降压的作用 该工艺在圆柱直齿轮冷锻研究中具有重要意义 将分流思想 应用于圆柱直齿轮冷精锻 不仅能够极大地降低载荷 而且能够很好地平衡坯 料下料偏差 同时K K o n d o 等人还指出 分流思想的应用可以有多种形式 分 流孔可以在坯料中设置 也可以在模具中设置 而且对于高径比比较大的齿轮 类锻件 由于在成形出的锻件齿顶部位会有类似于自由镦粗时的双鼓形缺陷导 致齿形中间部位充不满 采用预锻圆鼓形坯料 之后终锻成形来改进 图卜3 直齿轮两步锻造工艺 1 9 8 7 年英国学者T A D e a n 和E T u n e o r 等人提出用环形坯料精锻带有内孔 的圆柱直齿轮方案 首次提出了浮动凹模技术 图1 4 为浮动凹模结构与固定 凹模结构的模具图 浮动凹模就是在锻造过程中 凹模由底部弹簧支撑随着上 凸模一起向下运动 这样凹模对坯料的轴向摩擦力向下 有利于锻件齿形下端 的充填 而固定凹模结构的模具 上凸模带有齿形 导入到凹模内向下运动迫 使坯料变形 凹模对坯料的轴向摩擦力向上 不利于齿形下端的充填 而且当 浮动凹模的运动速度可调时 可以取凹模向下运动的速度小于上凸模的速度 这样浮动凹模对坯料上端的轴向摩擦力向上 对坯料下端的轴向摩擦力向下 有利于齿形上 下两端的充填 极大地改善了齿腔的充填性能 3 9 4 0 T A D e a n 等人还将浮动凹模与固定凹模结构进行了对比研究 结果表明浮动凹模技术能 有效地改善齿项充填性能 降低成形力 图1 4 中的模具结构还结合了齿端分 流工艺 上 下凸模端面均为斜面 这样不仅有利于减小上 下凸模对角落部 位充填的摩擦阻碍 同时由于斜面的存在还起到了分流降压的作用 一 a 浮动凹模结构 b 固定凹模结果 图卜4 浮动凹模模具图 1 9 9 0 年美国B a t l e 公司进行了圆柱直齿轮正挤压研究 但是该工艺存在严 重的端面缺陷 而且只适合高径比较大的齿轮零件 所以未能规模应用 4 1 1 此 后国外的学者均在上述工艺基础之上进行研究 对分流思想及浮动凹模工艺进 行改进创新 1 3 2 国内研究现状 国内对圆柱直齿轮冷精锻技术的研究都是在国外的基础之上进行的 在理 论研究方面 南昌大学采用计算机模拟的方法对圆柱直齿轮冷锻坯料尺寸及载 荷曲线进行了计算 4 2 1 燕山大学李洪波也采用上限法对圆柱直齿轮冷锻进行了 有限元模拟研究 得出了成形过程中的边界变化规律和载荷曲线 4 3 1 在成形工 艺及模具研究方面国内主要集中在如何创造性的应用分流法和浮动凹模工艺 吉林工业大学寇淑清 杨慎华等人采用数值模拟和实验的方法对圆柱直齿轮冷 精锻工艺进行了详细研究 分析了闭式模锻预锻一闭式模锻 孔分流 约束分 流终锻工艺 得出采用闭式模锻预锻一约束分流终锻工艺成形效果最好 不仅 能有效地降低成形载荷 而且有利于角隅部位的充填 4 4 1 山西大学的张宝红等 人提出了圆柱直齿轮冷精锻的开放式成形工艺 即采用温锻成形出开放式的齿 轮锻件 如图1 5 a 所示 成形出的开放式齿轮齿形比标准齿形略大 这种 工艺既通过温成形降低了成形力及材料的变形抗力 同时也采取扩大齿形的方 法提高齿腔充填性能 之后再采用冷正挤压的方法 如图1 5 b 所示 在室 温下通过 轴向导流 径向分流 的方法进行成形 使材料逐步发生塑性变形 终锻变形量小 不仅有效地保证了模具的寿命 同时也减小了凹模的弹性变形 提高了锻件精度 l 9 1 6 零件所茹 歼般饿拚城彤氏 a 开放镦挤预成形齿形图 b 终锻原理示意图 图卜5 开放镦挤成形原理图 合肥工业大学胡成亮等人提出了波形端面工艺 如图1 6 所示 将原本为 平面形状的上 下凸模设计为波浪形 通过优化其中的关键参数 角度a p 丫和长度l 来降低成形载荷 提高齿腔充填性能 另外他还提出了刚性平移两步 锻造法 如图1 7 所示 先预锻出最难充填的齿形顶端 这时由于预锻型腔不 深 容易充填 锻件最难充填的地方容易填满 之后将预锻件放入到具有标准 齿形的终锻模膛中终锻 齿顶部位只进行刚性平移 所以能很好地降低成形载 荷 4 5 4 7 1 妒 飞 矿飞 图1 6 波形端面工艺原理图1 7 刚性平移工艺预 终锻齿形 合肥工业大学的薛克敏 许锋等人从坯料原始组织入手 通过研究齿轮常 用材料2 0 C r M n T i 在不同组织状态下的变形抗力及锻件质量 确定出适合冷精锻 的最佳原始组织 利用循环加热一冷却热处理工艺对坯料进行热处理 得到细小 均匀的晶粒组织 不仅能够有效地降低成形载荷 而且也得到了高性能的锻件 同时许锋等人还研究了圆柱直齿轮冷精锻的均衡充填思想 锻件各个部位变形 均匀才能有效地降低成形载荷 提高充填性能 4 弘5 0 南昌大学谭险峰 刘霞等人利用物理实验的方法研究了约束分流冷精锻圆 柱直齿轮 5 分别研究了小芯棒约束分流 凸缘分流配合浮动凹模 如图1 8 所示 及固定凹模工艺 研究结果表明 小芯棒约束分流配合浮动凹模工艺相 对于固定凹模 不仅有利于降低齿轮锻件的成形载荷 而且成形效果良好 而 凸缘约束分流配合浮动凹模工艺的成形载荷要大于固定凹模工艺 以上两种工 艺都是在现有的分流法基础上 通过改进工艺增加坯料向分流型腔流动的阻力 提高齿腔的充填性能 但是这些改进的的分流工艺 在有限地提高齿腔充填性 7 能的同时 减少了坯料在成形最终阶段的自由表面的比例 增大的成形载荷 同样很难将圆柱直齿轮冷精锻技术推向实用化 匿曩年牛盘凸 艺 冱曩 竹西凸 0 a 小芯棒约束分流浮动凹模形式 b 凸缘分流浮动凹模形式 图1 8 约束分流两种形式 1 4 课题来源 目的及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于安徽省二0 0 八科技攻关计划面上项目一圆柱直齿轮冷精锻 关键技术研究 项目编号 0 8 0 1 0 2 0 2 1 3 2 该项目由合肥工业大学先进塑性工 程中心承担 与安徽省江淮 六安 齿轮制造有限公司合作完成 1 4 2 课题目的及研究内容 1 4 2 1 课题目的 圆柱直齿轮是精密零件 且需求量极大 目前国内外主要采用切削加工方 法或者热锻坯料后机加工成形 这种工艺非常落后 已不适应批量化生产的要 求 也不符合现阶段节能减排 绿色制造的发展理念 而圆柱直齿轮冷精锻技 术具有能耗小 节约材料 环境污染低 生产效率高等优点 符合制造技术的 精密化 绿色化的发展理念 本课题旨在研发出平端面及高凸台圆柱直齿轮的 冷锻工艺 提高我国圆柱直齿轮的制造技术 淘汰落后产能 但是 圆柱直齿轮冷精锻技术存在很多难以解决的技术难点 本章第二节 已经详细阐述 国内外的专家提出过许多有效的解决方法 但是均不能将该技 术应用于实际中 从而也不能为工业发展及社会进步做出贡献 目前圆柱直齿 轮冷精锻技术的发展到了 瓶颈 阶段 只有出现先进的成形工艺和模具材料 该技术才能得到进一步发展 本课题针对平端面和高凸台圆柱直齿轮 努力开 发出成形力低 模具寿命高 锻件质量高的冷精锻成形工艺 通过改进工艺方 法将冷精锻技术应用于齿轮制造工业中 1 4 2 2 研究内容 本课题的研究内容主要有以下几个方面 1 针对平端面圆柱直齿轮 在分流法 浮动凹模的基础上 开发出能应 用于实际生产的冷精锻新工艺方案 降低成形载荷 提高模具寿命 2 采用有限元模拟的方法进行工艺方案研究 重点提取等效应变场 速 度场 载荷成形曲线等 分析齿腔充填规律 预测成形缺陷 8 3 设计物理实验模具 进行平端面圆柱直齿轮物理实验 研究其成形规 律 对比成形力 修正工艺方案及参数 4 设计试验模具 完成平端面圆柱直齿轮冷精锻实验 锻出合格的 2 0 C r M n T i 材料圆柱直齿轮 并在此基础上研发出批量化生产专用模具工装 为 其产业化奠定基础 5 在平端面圆柱直齿轮冷精锻工艺的基础之上 针对常用的齿轮零件 高凸台圆柱直齿 创造性地设计成形方案 进行系统的模拟研究 并针对其关键 成形参数 采用正交实验和极差分析法进行优化 使之达到最优化 6 设计物理实验模具 采用铅试样对高凸台圆柱直齿轮进行物理实验 研究其成形规律 预测成形缺陷 对比成形力 修正工艺方案及参数 为该工 艺方案的实验研究及批量生产奠定基础 9 第二章平端面圆柱直齿轮冷精锻研究 采用封闭式锻造工艺成形圆柱直齿轮存在成形载荷过大 齿腔充填困难 模具寿命低等技术难题 对此国内外学者提出浮动凹模 分流法等有效工艺措 施 浮动凹模技术能够有效地利用轴向摩擦力 以利于上 下角落的充填 但 是该技术在模具设计上很难实现 需要特殊的设备或极其复杂的模具结构才能 实现 所以针对平端面圆柱直齿轮 本课题的研究主要集中在分流工艺 在浮 动凹模技术的应用上 一般都是采取上凸模带动浮动凹模一起向下运动的形式 2 1 圆柱直齿轮冷锻分流型腔设计方法 在齿轮锻造的最终阶段 由于锻件角隅部位充填的困难性 导致成形载荷 急剧上升 从而降低模具寿命 分流法的出现为上述技术难题提供了解决方案 但是若分流型腔设计不当将起不到分流降压作用E 5 1 5 3 1 归纳起来齿轮冷锻分 流型腔的设置原则包括以下几个方面 1 要保证锻件在成形最后阶段仍有一定比例的自由表面 避免载荷的急 剧上升 保证锻件充填完整 2 尽量不破坏齿形纤维流线分布 保证锻件有较高的机械性能 3 要将分流型腔设置在锻件不重要的部位 可通过后续机加工比较方便 地去除 4 要设置在锻件较难充填的部位 避免材料只流向分流腔 而不流向锻 件 导致锻件充填不完整 5 分流型腔的位置还要保证锻件能够顺利脱模 2 2 齿腔分流工艺 2 2 1 齿腔分流工艺的提出 按照上节提出的圆柱直齿轮冷精锻分流型腔的设计方法 合理设计分流腔 的位置及形状 先确定锻件最难充填的部位 从圆柱直齿轮的成形过程来看 采用与上凸模一起向下运动的浮动凹模时 圆柱直齿轮冷锻成形最难充填的部 位是齿项上端 这是因为锻件齿顶上端在充填时不仅受到上凸模的阻碍摩擦力 如图2 1 所示 同时浮动凹模对锻件的轴向摩擦也阻碍材料充填 所以此处 最难充填 1 0 图2 1 成形过程中锻件齿顶上 下端所受摩擦力分布 据此 我们提出了齿腔分流法 齿腔分流法是在凹模标准齿腔的深处设置 分流型腔 如图2 2 a 所示 在成形过程中 材料充填最慢的地方超过标准齿 形线 如图2 2 b 所示 时即可停止加载 保持锻件齿顶部位均是自由表面 锻件外围多余的材料需要少量的机加工 齿面部位不必加工 a 标准齿形 b 齿腔分流齿形 图2 2 齿形轮廓线 本文设计了图2 2 b 所示分流型腔 分流型腔是一段半径为3 m m 的圆弧 设置在了锻件最难充填的部位 称为圆弧形齿腔分流工艺 锻件通过后续机加 工去除齿顶部位的多余材料 机加工部位位于齿形顶端 不破坏齿面的纤维流 线分布 所以不影响锻件强度的提高 2 2 2 有限元模拟模型的建立 圆柱直齿轮具有