文/楊程，趙升噸·西安交通大學機械工程學院

章建軍·西安建筑科技大學冶金工程學院

基于環(huán)形坯料的直齒輪精鍛成形研究

文/楊程，趙升噸·西安交通大學機械工程學院

章建軍·西安建筑科技大學冶金工程學院

齒輪精鍛工藝是指輪齒由坯料直接鍛出，齒面不需切削加工或僅需少許精加工即可滿足使用要求的齒輪制造技術。但由于齒形（特別是上下角隅處）充填困難，需要較大的成形力，易引起凹模型腔壁壓強過大，導致凹模開裂，因此，分析圓柱齒輪成形的規(guī)律、改進成形方式、降低成形壓力，是目前圓柱齒輪精鍛成形急需解決的問題。

圓柱體鐓粗時坯料接觸面上的徑向壓力分布規(guī)律如圖1所示，坯料中部壓力最大。由此設想，采用環(huán)形坯料進行成形，使精鍛時坯料只在外圈部分發(fā)生局部鐓粗而不是實心坯料的整體鐓粗，這樣由于坯料受力面積的減少，最終的成形載荷也就相應降低。為此，本文設計了幾種采用環(huán)形坯料進行齒輪精鍛成形的工藝方案，通過有限元模擬和試驗方法分析了中心孔帶芯軸、中心孔自由分流和中心孔限制分流成形方法對成形的影響，獲得了不同成形方案下的流動充型規(guī)律和對成形載荷的需求。結果表明，中心孔限制分流時，通過控制坯料在模腔中的流動，可以采用較小的成形載荷獲得充填完好的工件，并能有效地節(jié)約材料。

圖1 圓柱體鐓粗時坯料接觸面上的徑向壓力分布

圖2 模具結構

模具結構和方案設計

齒輪精鍛成形時，工件尺寸由模腔保證。過大的成形載荷將會引起模腔變形，造成工件尺寸精度超差，甚至模具失效。為此，必須將成形載荷控制在合理的范圍內(nèi)?；诖耍疚脑O計了如圖2所示的模具結構。上模和下模分別成形齒輪的上表面和下表面，為了方便金屬流入齒腔角部，在上下模設計了斜角。浮動模采用齒形凹模的形式，用來成形齒輪的外形，同時為了方便金屬流入齒腔角部，浮動模采用較輕的彈簧支撐，并可沿軸向自由移動。芯軸用來成形齒輪的內(nèi)孔，這樣一個閉式的精鍛模腔就實現(xiàn)了。

擠出材料采用Al1100，擠壓速度為10mm/s，摩擦系數(shù)為0.12。成形的齒輪模數(shù)m=3mm，齒數(shù)z=18，厚度h=20mm。根據(jù)成形齒輪的體積，確定了如圖3所示的毛坯圖。在有限元模擬中，因為齒輪為軸對稱，故為了研究方便，取1/18作為研究對象。

圖3 毛坯圖

有限元模擬結果分析

速度場分析

如圖4所示為中心孔帶芯軸成形時縱切面的速度場分布。如圖4a所示，此時速度場與實心坯料自由鐓粗類似，在上模的驅動下，靠近上模一端金屬流動速度快，軸線金屬沿軸線向下流動，與下凸模接觸的金屬基本不流動，其他部位金屬均包含著軸向壓縮運動和徑向充填運動。

從圖4b可以看出，隨著壓下量的增加，金屬向齒腔的充填也增多，由于坯料上下端面分別與上下模直接接觸，所以兩端面要比中間部位受到的摩擦力大，這就影響了兩端面的徑向充填速度，所以從軸向截面看，外形從圓柱體逐漸變?yōu)橹虚g鼓形。

隨著變形量的進一步增大，如圖4c所示，坯料繼續(xù)向齒腔流動，中部將優(yōu)先充滿，并在上下模腔的角部形成斜角。

圖4d為終鍛時速度場的分布，此時上下角部也充填完畢，少量金屬被擠入模具縫隙中形成毛刺。

圖4 中心孔帶芯軸成形流動分析結果

圖5 中心孔自由分流成形流動分析結果

如圖5所示為中心孔自由分流時縱切面的速度場分布。如圖5a所示，此時速度場和環(huán)形坯料自由鐓粗類似，在上模的驅動下，金屬同時流向中心分流孔和齒腔，分流面大致位于環(huán)形坯料的中部。

圖6 中心孔限制分流成形流動分析結果

隨著壓下量的增加，從圖5b可以看出，金屬依然同時向齒腔和中心分流孔兩個方向流動，分流面依舊位于環(huán)形坯料的中部。同時由于坯料上下端面分別與上下模面直接接觸，所以兩端面要比中間部位受到的摩擦力大，這會影響兩端面處金屬的徑向充填速度，故也出現(xiàn)鼓形。

如圖5c所示，隨著中心分流孔的縮小和齒腔的逐步充滿，坯料向兩個方向的流動都更加困難，但由于兩個方向上的流動阻力相當，故分流面依舊位于環(huán)形坯料的中部。

圖5d為終鍛時速度場的分布，此時齒腔的上下角部處都已充填完畢，坯料均向中心分流孔處流動。

圖6給出了中心孔限制分流方法下的金屬流動分析結果。開始階段，由于受到上下芯軸的限制作用，金屬大部分流向齒腔，少部分流入中心分流區(qū)，如圖6a所示。隨著壓下量的增大，中心分流孔迅速減小，向心流動阻力更大，故大部分金屬流向齒腔、少部分流入中心分流區(qū)的趨勢會持續(xù)，如圖6b所示，分流面位于更靠近環(huán)形坯料中心的地方。隨著齒腔的逐漸充滿，如圖6c所示，流向中心分流孔的金屬增多，但同時由于上芯軸的壓下，中心分流孔越來越小，流入越來越困難，故而更多的金屬流入齒腔，分流面依舊位于更靠近環(huán)形坯料中心的地方。最后齒腔角部全部充滿，如圖6d所示，坯料都向中心分流孔處流動，并在該處形成飛邊。

成形載荷分析

如圖7所示為不同模具結構的載荷—行程曲線。從圖中可以看出，三種工藝方案的載荷—行程曲線具有相似的變化趨勢。中心孔帶芯軸的成形方式最先進入打靠區(qū)，終鍛載荷為69.2kN；中心孔限制分流的成形方式稍后進入打靠區(qū)，終鍛載荷為55.4kN；中心孔自由分流的成形方式最后進入打靠區(qū)，終鍛載荷也最小，為52.5kN，相比較而言，其比中心孔帶芯軸成形的終鍛載荷下降了24.1％，比中心孔限制分流下降了5.2％，并且避免了這兩種成形方式在進入打靠階段后載荷的急劇上升。中心孔限制分流成形時，終鍛載荷相比中心孔帶芯軸成形下降了19.9％，而和中心孔自由分流成形的終鍛載荷相近。

圖7 不同模具結構的載荷—行程曲線

考慮到中心孔自由分流成形時，大量金屬流入中心分流孔處，需要在后處理中去除，無法達到精鍛的目的。而限制分流時，僅有少量金屬流入中心分流孔，后續(xù)處理工序簡單，且兩者終鍛載荷相近，故本文采用中心孔限制分流的方案進行進一步的有限元分析和試驗。

圖8是中心孔限制分流成形時，連皮厚度為4mm，芯軸直徑分別為25mm、20mm和15mm的載荷—行程曲線。從圖中可以看出，隨著芯軸直徑的增大，終鍛載荷有下降的趨勢，這說明隨著接觸面積的減少，成形載荷也有下降的趨勢。

圖9是中心孔限制分流成形時，芯軸直徑為20mm，連皮厚度分別為3mm、4mm和5mm的載荷—行程曲線。由圖可見，隨著連皮厚度的增大，終鍛載荷下降，故隨著分流腔的增大，自由流動空間增大，終鍛載荷有下降的趨勢，但是下降得并不明顯。

圖8 中心孔限制分流成形不同芯軸直徑的載荷—行程曲線

圖9 中心孔限制分流成形不同連皮厚度的載荷—行程曲線

試驗研究

在試驗室中對尺寸如圖3b所示的坯料進行鍛造試驗，坯料表面采用二硫化鉬進行潤滑，在國產(chǎn)3150kN液壓機上，當工作載荷達到1560kN時得到如圖10所示的齒輪樣件。

從圖10a、b中可以觀察到，在模擬結果中中心分流孔尚未閉合，而試驗樣件的中心分流孔接近閉合；在模擬結果中齒形上下角部完全充滿，而試驗樣件的齒形上角部基本充填完畢，但下角部圓角較大。這是由于在有限元模擬中，浮動凹模能實現(xiàn)自由浮動，而在試驗中，浮動凹模雖然采用較輕的彈簧支撐，但成形過程中還是會對坯料產(chǎn)生向上的摩擦力，只能實現(xiàn)近似的自由浮動，不能實現(xiàn)真正的自由浮動，故呈現(xiàn)齒坯上角部充填情況較好，而下角部充填不是太理想，其余部分的齒形完全充滿的情況。這說明，采用中心孔限制分流技術的精鍛成形能降低成形載荷，但對齒形角部的充填效果并不明顯。不過它仍然不失為一種有效降低成形載荷的方法，特別是對于成形載荷較大的場合，尤其有意義。

圖10 模擬結果和試驗樣件

結束語

從有限元模擬結果可以看出，中心孔帶芯軸成形時，坯料流動類似于實心坯料成形；中心孔自由分流成形時，從一開始金屬就分別流向齒腔和中心分流孔，由于向兩個方向的流動具有大致相當?shù)淖枇?，故分流面位于兩者流動的中間，直到齒腔完全充滿，金屬流向中心分流孔；中心孔限制分流成形時，由于芯軸的阻礙作用，少量金屬流入中心分流區(qū)，更多的金屬流向齒腔，分流面靠近中心分流孔，這種趨勢一直保持到終鍛階段。

三種成形方式中，中心孔帶芯軸成形時終鍛載荷最大，中心孔自由分流成形時終鍛載荷最小，中心孔限制分流成形時終鍛載荷和自由分流相近。試驗結果表明，中心孔限制分流成形能降低成形載荷，但由于浮動凹模無法實現(xiàn)自由分流，故上角部充填較好，而下角部圓角較大。

楊程，講師，博士研究生，主要研究方向為塑性成形工藝與設備。