直齿圆锥齿轮精密锻造工艺及模具设计

文章编号16720121201406005404直齿圆锥齿轮精密锻造工艺及模具设计张琳西安航空职业技术学院，陕西西安710089摘要针对直齿圆锥齿轮精锻成形中齿形充填不满及成形力过大导致模具损伤等问题，制定了中心分流法精锻直齿圆锥齿轮的工艺方案。以工艺方案和数值模拟结果为依据，设计了预锻分流区和分流终锻两套模具，并对精锻模具的模膛和结构设计要点进行了阐述。关键词锻造成形；直齿圆锥齿轮；中心分流精锻；数值模拟；模具中图分类号TG3762文献标识码A精密锻造以下简称精锻齿轮的强度、耐磨性等都比切削加工的齿轮优越LLL，国内外越来越多采用精密锻造技术来成形齿轮。齿轮精锻成形的主要问题是囝解决齿形的充满与成形力过大之间的矛盾，分流法能在较低的工作压力下，使齿形完全充满，是齿轮精锻较为有效的方法。齿轮中心分流工艺是在分流法的基础上发展起来的，其原理是预锻成形时，利用模具上的凸台在坯料端面的中心部位锻出凹坑，终锻时利用凹坑实现材料的分流。本文将中心分流法应用到直齿圆锥齿轮图1的精锻成形，根据齿轮的尺寸形状特点和成形难点嘲制定合理的工艺方案，以工艺方案和数值模拟结果为依据，设计了预锻分流区一分流终锻的两套模具。图1直齿圆锥齿轮零件图直齿圆锥齿轮精锻成形工艺方案的制定日期20140403简介张琳1980一，女，硕士，讲师，从事材料成形与控制、模具技术与制造教学研究11中心分流精锻成形工艺路线本文所研究的直齿圆锥齿轮的参数如表1所示，加工材料为18CRMNTI，该材料是塑性良好的渗碳钢，具有良好的综合力学性能，但变形抗力比较大。生产实践发现，精锻锥齿轮时常会出现齿形充不满现象和成形力过大导致模具损伤等问题。为此，该齿轮采用中心分流法锻造，通过预锻和终锻两个工步完成，其精锻工艺路线为精密下料一车削或磨削外圆、除去表面缺陷层一少无氧化加热一预锻一精终锻一冷切边一热处理一后续切削加工。表1直齿圆锥齿轮基本参数参数名称数值参数名称数值齿数25齿根圆直径5024MM模数275分度圆锥角265。压力角20。齿顶高275RAM顶隙系数O2齿根高330MM分度圆直径5524RAM锥距6692MM齿顶圆直径5930RAM齿宽2228MM12中心分流精锻成形工艺设计121直齿圆锥齿轮锻件图设计锻件图是模具设计的基础，设计锻件图时主要考虑如下几方面将分模面选择在锻件最大直径处，能锻出全部齿形和顺利脱模；齿轮的精锻齿形和小端面不需机械加工，不留加工余量。齿轮大端为安装基准面，精锻时不能达到精度要求，应预留加工余量；当零件上的孔径大于25MM时，孔应锻出，应留有连皮；收缩率可参考生产经验数据，依据“见尺寸就放”原则；合理设计预锻件形状，以保证后续终锻工步锻件齿形完全充满。具体要求有预锻件形状应尽可能接近终锻件形状，从而使终锻时只需要较小的的变形量即可获得完整形状的锻件；预锻件和终锻件各部位的体积应相当，避免因某些部位尺寸落差过大而产I4回流，造成折叠等缺陷；预锻件高度方向上的尺寸应稍大于终锻件2MM5MM，水平方向的尺寸应稍小于终锻件约1MM2MM，以使终锻时的金属以镦粗流动为主；为了便于金属流动，预锻件圆角应比终锻件相应部位的圆角大。在以上原则的基础上，考虑到降低预锻齿形模的加212难度和制造成本，本文将预锻件齿形简化为梯形齿廓，齿高略大于终锻件12齿高，预锻件与终锻件齿廓形状如图2所示，直齿圆锥齿轮锻件图如图3所示。122坯料的准备图2锻件齿形A预锻件B终锻件图3直齿圆锥齿轮的锻件图精锻1N时，对于节锥角在28。62。左右，且水平方向与高度方向的最大轮廓尺寸相差不大的圆锥齿轮，通常用圆柱形坯料直接放置于模膛中预锻。此时坯料的直径应符合下式关系，且节锥角较小时，D。取小值。JDOD1式中一圆柱形坯料直径；、D分别为锥齿轮小端的齿根圆直径和齿顶圆直径。其次考虑坯料要易于定位，坯料的直径应尽量接近小端齿根圆直径。由体积不变定律可知，直齿圆锥齿轮的坯料体积应等于终锻件的体积，且应满足坯料的高径比的值小于25，最终确定坯料的尺寸为DO3OMM，H52MM，坯料形状和尺寸如图4所示。123设备类型及吨位I；I图4坯料形状和尺寸通常用于精密锻造的设备有螺旋压力机、热模锻曲柄压力机和液压机。通过分析对比三种设备的特点，经计算本文所研究的直齿圆锥齿轮所需的变形力P2785KN，质量M03KG，所以选取公称压力为3000KN的摩擦式螺旋压力机。2中心分流精锻模具设计嗍由于螺旋压力机的螺杆和飞轮之间为刚性连接，螺杆与往复直线运动的滑块之间为非刚性连接，所以承受偏载能力差，一般只进行单模膛锻造，所以需要设计预锻和终锻两套模具。21模具模膛设计模膛形状的设计依据是锻件图，终锻模膛的形状与终锻件的相同，预锻模膛的形状与预锻件的相同，关键是确定模膛和凸模的尺寸。对于精度要求较高的精密模锻件，应考虑各种因素的影响。模膛外径A按式2计算，凸模直径B按式3计算。AALALATA11T1A2BB1LOTBL0LT1B3式中A模膛外径，MM；A锻件相应外径的公称尺寸，MM；一坯料的线膨胀系数，1OC；终锻时锻件的温度，；模具材料的线膨胀系数，1C；TL模具工作温度，OC；模锻时模膛外径A的弹性变形绝对值，MM；B凸模模膛冲孑L凸台直径，MM；B锻件孔的公称直径，MM；AB模锻时凸模直径曰的弹性变形值当直径B变大时，AB为负值，当直径减小时，AB为正值，MM。由上式可看出，精锻模具模膛及凸模尺寸确定，除了要考虑锻件材料的线膨胀系数和终锻时锻件的温度外，还要工作温度，同性变形。根据以上零件的三维实型分别导入D拟结果表明好的分流作用了小端带凹坑的预锻件。模具打开时，锻压的成形力消失，弹簧的伸展作用迫使上顶杆13和下顶杆17推动上凸模19回至初始位置，在上凸模的直接作用下锻件完成脱模。中心分流法成形直齿圆锥齿轮的终锻模具如图8所示。终锻成形时，齿形模模套11通过背锥模模套8上的锁扣实现导向。下凸模17成形齿轮小端面最终的形状，在它的作用下预锻件小端的金属实现了向内径向分流，下凸模内的小型芯14既参与齿轮端面成形，又起到顶杆的作用。模具完全闭合时，成形结束。模具打开时，成形力消失，锻件会留在齿形模10内，在压力机下顶料机构的顶杆15以及小型芯14的共同作用下将锻件由下向上顶出。7891011L7L6L5L4L3L21下模板2下压板3螺钉4上压板5螺钉6上模板7上垫板8预应力圈9背锥模1O齿形模L1预应力圈12下垫板13下模垫块L4型芯15顶杆16推板17下凸模图8直齿圆锥齿轮终锻模具结构示意图3结论针对直齿圆锥齿轮锻造成形中齿形充填不满及成形力过大导致模具损伤等问题，制定了中心分流精锻工艺方案，进而设计了中心分流预锻和终锻两套模具。模具设计要以合理的锻造工艺方案为依据，并且基于三维设计和数值模拟能及早发现方案的缺点和问题，快速验证工艺方案的合理性，从而为模具设计提供可靠的理论依据。齿轮精锻模具设计比普通锻模考虑的问题要多，其设计要点是齿形模、凸模的形状和尺寸，齿形模的位置布置，凹模的结构形式以及模具的导向形式等。【参考文献】1】夏巨谌精密塑性成形工艺M】北京机械工业出版社，19992谭险峰，刘霞，周庆直齿轮冲挤镦挤成形过程数值模拟分析【JJ锻压装备与制造技术，2009，44459613KKONDO，KOHGAPRECISIONCOLDDIEFORGINGOFARINGGEARBYDIVIDEDFLOWMETHODJ1_INTERNATIONALJOURNALOFMACHINETOOLSANDMANUFACTURE，1995，358110511134JCCHOI，YCHOIPRECISIONFORGINGOFSPURGEARSWITHINSIDERELIEFJINTERNATIONALJOURNALOFMACHINETOOLSANDMANUFACTURE，1999，3910157515885YKLEE，SRLEE，CH_LEE，DYYANGPROCESSMODIFICATIONOFBEVELGEARFORGINGUSINGTHREEDIMENSINALFINITEELEMENTANALYSISIJ1JOURNALOFMATERIALPROCESSINGTECHNOLOGY，2001，11359636】马修金，肖伯涛，齐卫东锻造工艺与模具设计【M】北京北京理工大学出版社，20077姚泽坤锻造工艺学与模具设计M西安西北工业大学出版社，20018郝滨海锻造模具简明设计手册M北京化学工业出版社，20069张琳直齿圆锥齿轮精锻成形工艺的数值模拟FJ热加工工艺，2013，4221139142【1O田福祥，靳会洲高强度螺栓冷挤镦成形工艺及模具设计J锻压装备与制造术，2011，461676911侯天鹏，池成忠，聂慧慧基于凹模强度的圆柱直齿轮温精锻工艺分析锻压装备与制造技术，2012，2576012】张艳娥直齿锥齿轮精密锻造工艺与模具设计方法研究【D济南山东大学，2007【13郑红，吴