空心圓柱齒輪熱精鍛生產(chǎn)工藝及實(shí)驗(yàn)研究*

左斌王寶雨?李智鄭明男

(北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100083)

摘要：齒輪制造是一個連續(xù)化生產(chǎn)過程，精密鍛造生產(chǎn)齒輪既要保證生產(chǎn)連續(xù)、高效，又要保證模具的可靠.文中針對空心圓柱齒輪，提出了帶心軸、無心軸-空心坯和無心軸-實(shí)心坯3種精密鍛造模具方案，預(yù)測了3種方案精鍛齒輪的成形載荷，通過有限元仿真分析了3種方案的齒輪成形過程、金屬流動規(guī)律、模具受力狀況和成形載荷，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的生產(chǎn)工藝流程，比較了3種精密鍛造方案和傳統(tǒng)切削齒形加工的生產(chǎn)效率和材料利用率.通過齒輪熱精鍛實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元仿真和載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性，確定無心軸-實(shí)心坯為行星齒輪熱精鍛生產(chǎn)的最佳工藝方案.

關(guān)鍵詞：空心圓柱齒輪；齒輪鍛造；模具結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)工藝；實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號：TG61

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.03.005

文章編號：1000-565X(2015)03-0049-08

收稿日期：2014-10-13

基金項(xiàng)目：* 國家“863”高技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA041004)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2012798)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金——前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2012011，BK2013003-10)；南京市科委產(chǎn)學(xué)研計(jì)劃項(xiàng)目(201204014)

作者簡介：丁亞東(1989-)，男，博士生，主要從事機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)辨識及控制研究. E-mail: DingCamus@126.com

文章編號：1000-565X(2015)03-0035-06

收稿日期：2014-09-24

基金項(xiàng)目：* 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375384,51175423,51205310)

作者簡介：杜進(jìn)輔 (1984-)，男，博士生，主要從事擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究.E-mail: 76213127@qq.com

行星齒輪傳動的主要特點(diǎn)是傳動比大、體積小、承載能力大、工作平穩(wěn)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、航空、船舶、冶金、起重運(yùn)輸及汽車等行業(yè)的機(jī)械傳動系統(tǒng)[1].傳統(tǒng)的齒輪加工方法為切削加工，如：滾齒、剃齒、插齒、銑齒、磨齒等.這些傳統(tǒng)的切削加工方法材料利用率低，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低；而且金屬流線(纖維組織)被切斷，輪齒所能承載的能力降低[2].以汽車工業(yè)為主導(dǎo)的制造業(yè)的迅猛發(fā)展，對齒輪類零件的強(qiáng)度、精度及加工效率等提出了更高的要求.通過金屬切削加工方法生產(chǎn)的齒輪已經(jīng)難以滿足當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的要求.提高齒輪的生產(chǎn)效率、縮短制造周期、提高齒輪的強(qiáng)度和精度以及降低生產(chǎn)成本已經(jīng)成為一個迫切需要解決的問題[3-4].

精密鍛造由于具有材料利用率高、節(jié)省成本、效率高、產(chǎn)品性能好等優(yōu)點(diǎn)，逐步應(yīng)用于齒輪精密成形工藝中.但是圓柱齒輪精密鍛造成形困難、成形載荷高、模具受力大等問題阻礙了其工業(yè)化生產(chǎn)[5-6].近年來，為降低成形載荷，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究并獲得了顯著成效.如Ohga等[7]將分流減壓思想引入齒輪精鍛工藝中，發(fā)現(xiàn)減壓軸和減壓孔兩種模具形式均能降低齒形的充滿和成形載荷；Cai等[8]提出浮動凹模結(jié)構(gòu)，浮動凹模能將模具齒形作用在坯料上的摩擦力方向改為向下，以改善齒形下角隅的填充狀況；Hu等[9]提出，波形端面沖頭能夠優(yōu)化鍛件內(nèi)應(yīng)變分布并保證齒形的良好填充；胡成亮等[10]進(jìn)一步采用基于剛性平移流動模式的兩步成形法，相對傳統(tǒng)閉式精鍛齒形降低了35%的成形載荷；Wei等[11]采用有限元法和田口法優(yōu)化了圓柱斜齒輪精鍛工藝參數(shù)，結(jié)果顯示影響成形載荷和齒形填充狀況的主要因素為摩擦系數(shù)和成形溫度.

齒輪制造是一個連續(xù)化生產(chǎn)過程，文中以行星齒輪為研究對象，提供了3種熱精鍛生產(chǎn)工藝方案，分析了3種方案成形齒輪的成形過程、成形載荷、模具應(yīng)力，以及加工工序過程和材料利用率，得到了行星齒輪熱精鍛生產(chǎn)的最佳工藝方案.

1熱精鍛工藝方案設(shè)計(jì)

文中選取的行星齒輪基本參數(shù)為：模數(shù)2.7185mm，齒數(shù)26，壓力角20°，齒寬40mm，內(nèi)孔徑35mm.材料為20CrNiMo.該齒輪齒寬和內(nèi)孔較大，故設(shè)計(jì)3種方案進(jìn)行精鍛仿真和實(shí)驗(yàn)研究.

精鍛模具采用浮動凹模結(jié)構(gòu)[8]，齒形凹模由彈簧與機(jī)座相連，下凸模與機(jī)座剛性連接.當(dāng)上凸模壓下，與齒形凹模相合時，型腔閉合，齒形凹模隨上凸模一起向下運(yùn)動，直至坯料填滿整個型腔.隨后上凸模抬起，齒形凹模在彈簧的作用下回到原位.在鍛造過程中，由于齒形凹模向下運(yùn)動，坯料與齒形凹模之間的摩擦力方向也豎直向下，有利于齒形下角隅的填充.

圖1(a)為方案1：帶心軸精鍛.坯料為空心圓柱坯，鍛造時，固定在上凸模的心軸首先插入下凸模的中心孔中，模具型腔閉合，鍛件即為空心齒輪.圖1(b)為方案2：無心軸-空心坯精鍛.此工藝基于中心孔分流思想[7]，在上下凸模中心處有一凸臺，模具閉合后，上下凸模之間有一段空隙，即中心孔，供金屬徑向向內(nèi)分流.鍛件在孔內(nèi)將有一段連皮，需在后續(xù)加工中增加一道工序?qū)⑵淙コ?，此工藝坯料為空心圓柱坯.圖1(c)為方案3：無心軸-實(shí)心坯精鍛.精鍛模具及鍛件與方案2相同，坯料為實(shí)心圓柱坯，鍛造時，坯料中心的材料被上下凸模的凸臺擠壓，沿徑向向外流動，有助于齒形的成形.

( a)方案1：帶心軸精鍛

( b)方案2：無心軸-空心坯精鍛

(c)方案3：無心軸-實(shí)心坯精鍛 圖1　行星齒輪熱精鍛方案 Fig.1　Hot precision forging processes of planetary gears

2成形載荷預(yù)測計(jì)算

式(1)為圓柱體閉式鐓粗成形載荷計(jì)算公式.圓柱體閉式鐓粗是一種簡單、典型的閉式模鍛，其成形載荷計(jì)算為經(jīng)典理論[12]：

(1)

式中：Cp為鍛件形狀影響因數(shù)；σs為變形條件下金屬的平均流動應(yīng)力；α1為后充滿的下角的變形自由表面與凹模的傾角(徑向)，α1=μ(1.234-0.206a)；D和R為凹模型腔的直徑和半徑；μ為坯料與模具接觸表面之間的摩擦系數(shù)；H為鍛件高度；a和b為鍛件下上角隙的軸向和徑向未充滿值；d為空心鍛件內(nèi)孔直徑.

對于熱精鍛，式(1)中的部分參數(shù)可以取為常數(shù)或者忽略.對于齒輪精鍛成形載荷計(jì)算，引入一個與齒形大小相關(guān)的齒形影響因子Ct，得到齒輪熱精鍛終了時的成形載荷公式(2).通過擬合計(jì)算，求得齒形影響因子Ct的計(jì)算表達(dá)式(3)[13].

(2)

(3)

式中，df為齒輪齒根圓直徑，m為齒輪模數(shù).

將行星齒輪參數(shù)帶入式(1)和(2)，求得3種方案精鍛齒輪的成形載荷.設(shè)鍛造溫度為1000℃，此時坯料材料流動應(yīng)力取180MPa；鍛件形狀影響因數(shù)Cp取1.1.方案1鍛件為空心齒輪，計(jì)算得到成形載荷為2487kN；方案2和3鍛件中心帶有連皮，鍛件視為實(shí)心，所以d取0mm，計(jì)算得到成形載荷均為3723kN.

3齒輪熱精鍛有限元仿真

3.1有限元模型

使用有限元軟件Deform-3D建立行星齒輪精鍛工藝的有限元模型，見圖2.由于齒輪的對稱性，并考慮齒輪中心處網(wǎng)格形狀，取3個齒進(jìn)行仿真分析，以減少仿真計(jì)算時間.模具為剛體，坯料為剛塑性體，材料為20CrNiMo；坯料溫度為1000℃，模具溫度為150℃；鍛造速度為200mm/s.坯料劃分網(wǎng)格數(shù)為50000個，齒形附近網(wǎng)格局部細(xì)化，細(xì)化比例為0.33.摩擦系數(shù)為0.3[14-15].仿真結(jié)束后，提取最后一步作前處理，將齒形凹模和下凸模設(shè)為彈性體，劃分網(wǎng)格數(shù)100000個，齒形附近網(wǎng)格局部細(xì)化，將坯料施加在模具上的力導(dǎo)入，設(shè)置齒形凹模過盈配合，過盈量為單邊0.17mm，計(jì)算1步，得到齒形凹模和下凸模的模具應(yīng)力.

圖2　齒輪熱精鍛有限元模型 Fig.2　Finite element model of hot precision forging of gears

3.2成形過程

圖3示出了3種方案精鍛行星齒輪的成形過程及金屬流動規(guī)律.50%壓下量時，方案1由于芯軸的限制，坯料上部和中部的金屬向齒形填充，并且由于浮動凹模的作用，齒形下端金屬先于上端流入齒形型腔；在方案2中，中心分流孔附近的金屬在鍛壓力的作用下向分流孔流動，齒形填充慢于方案1，金屬流動方向以軸向向下和徑向向內(nèi)為主；方案3實(shí)心坯料上下端面受上下凸模凸臺擠壓，將上下端金屬擠入齒形型腔，使坯料齒形整體徑向向外流動.

80%壓下量時，坯料金屬主要向齒形部分填充.方案1在芯軸的限制下，齒形部分金屬填充仍快于其他方案；方案2坯料金屬仍然向中心孔分流，中心孔上部未填滿，導(dǎo)致上端齒形成形緩慢，金屬以向齒形下端和中心孔上端流動為主；方案3由于凸臺的擠壓作用，齒形填充較快，并且上下兩端填充程度基本相同，金屬主要由中心部位沿徑向向齒形部位流動.

95%壓下量時，3個方案金屬流動和齒形成形幾乎相同，齒形基本填充飽滿，金屬主要向齒形上下角隅填充.

50%壓下量80%壓下量95%壓下量

(a)方案1

50%壓下量80%壓下量95%壓下量

(b)方案2

50%壓下量　　　80%壓下量　　　95%壓下量 (c)方案3 圖3　3種工藝方案鍛造過程中金屬流動規(guī)律 Fig.3　Metal flow of three forging processes

3.3成形載荷

圖4示出了3種方案鍛造行星齒輪成形載荷的仿真數(shù)值.方案1由于是鍛造空心齒輪，變形程度小，成形載荷最小，僅為2622kN，行程載荷曲線呈現(xiàn)典型的閉式鍛造行程載荷曲線，在行程為10mm左右時開始填充齒形，成形載荷逐漸上升，在成形的最后階段及填充角隅時成形載荷陡增；方案2由于是空心坯料，能夠分流減壓，成形載荷相對于方案3減小了7%，為3945kN，在行程為8mm左右時開始填充中心孔，成形載荷突增，行程載荷曲線成臺階型，隨后開始成形齒形，成形載荷逐步增長，至填充角隅時出現(xiàn)陡增；方案3由于將實(shí)心坯料鍛成實(shí)心齒輪，所需成形載荷最高，達(dá)到4350kN，相對方案1增大了65%，在行程為16mm左右時開始填充齒形，上下凸臺使金屬整體向齒形填充，載荷突增成臺階型，隨后的齒形階段成形載荷緩慢增長，至填充角隅時出現(xiàn)陡增.

圖4　不同工藝方案對成形載荷的影響 Fig.4　Effects of different processes on forming load

3.4模具應(yīng)力

圖5示出了3種方案精鍛行星齒輪下凸模的應(yīng)力分布.方案1下凸模為空心件，模具上端表面承受巨大載荷，最大應(yīng)力約2000MPa，高于模具材料淬火后的屈服強(qiáng)度(1700MPa)，模具在工作時將變形失效，故此方案不可行；方案2下凸模為實(shí)心件，大大增加了模具的受力面積，雖然成形載荷高于方案1，但下凸模最大應(yīng)力仍低于方案1，最大應(yīng)力發(fā)生在凸臺兩端和凸模心部，約1400MPa；方案3由于成形載荷的增加，模具應(yīng)力也隨之增加，最大應(yīng)力發(fā)生在模具心部，為1550MPa，相對方案1減小了約23%.

圖5　不同工藝方案對下凸模應(yīng)力的影響 Fig.5　Effects of different processes on the stress of counter punch

圖6示出了3種方案精鍛行星齒輪齒形凹模的應(yīng)力分布.方案1的成形載荷最小，齒形凹模應(yīng)力狀態(tài)也最小，最大應(yīng)力發(fā)生在齒頂位置，這是由于模具齒頂受坯料擠壓而周向拉伸，存在應(yīng)力集中，應(yīng)力約1100MPa；方案2齒形凹模應(yīng)力分布近似于方案1，最大應(yīng)力集中在模具齒頂，約1500MPa；方案3由于成形載荷的增加，模具應(yīng)力也隨之增加，最大應(yīng)力約為1600MPa.3種模具方案齒形凹模均在模具材料屈服極限之內(nèi)，能保證鍛造的正常進(jìn)行.

圖6　不同工藝方案對齒形凹模應(yīng)力的影響 Fig.6　Effects of different processes on the stress of toothed die

4行星齒輪精鍛實(shí)驗(yàn)研究

基于有限元仿真分析結(jié)果，對方案3進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)設(shè)備為10MN雙盤摩擦壓力機(jī)，圖7為鍛造模具.實(shí)驗(yàn)采用水基石墨潤滑劑潤滑，坯料材料為20CrNiMo，坯料加熱時間15min，鍛造溫度為1000℃，模具預(yù)熱溫度150℃.圖8為齒輪鍛件.

圖7　實(shí)驗(yàn)?zāi)＞邎D Fig.7　Forging tools

圖8　鍛造齒輪 Fig.8　Forged gears

圖9中虛線為壓力傳感器和位移傳感器測量的行程-載荷曲線.測量載荷最大值為4085kN.仿真的行程-載荷曲線與測量值相近，最大成形載荷誤差為6.5%，理論計(jì)算載荷與測量載荷誤差為8.9%.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了載荷計(jì)算公式和有限元仿真的準(zhǔn)確性.

圖9　成形載荷 Fig.9　Forming loads

5行星齒輪精鍛生產(chǎn)工藝

典型的圓柱齒輪傳統(tǒng)切削加工工藝過程(不含熱處理和精加工)如圖10(a)所示，一般應(yīng)包括兩個階段：齒輪毛坯加工和齒面加工.其中，齒輪毛坯加工包括下料、鐓粗、模鍛和沖孔，成形工藝過程在空氣錘和壓力機(jī)上完成，效率較高，生產(chǎn)連續(xù)性好，產(chǎn)品性能高.齒面加工方法包括成形法(銑齒)和展成法(插齒、滾齒、刨齒等).成形法由于生產(chǎn)效率和加工精度較低，工業(yè)批量生產(chǎn)很少采用；展成法相對成形法效率較高，精度可達(dá)7-9級，廣泛應(yīng)用于齒輪批量生產(chǎn)中，小模數(shù)齒輪齒面加工效率為5～10min/件[16]，加工效率與齒輪齒數(shù)、刀具頭數(shù)及加工精度有關(guān).

方案1所需坯料為空心圓柱坯，所以在齒形加工前，同樣需要進(jìn)行空心坯料的制坯工藝.由于行星齒輪齒寬大，其空心坯料高度很大，制坯工藝無需鐓粗，只需4個工步，即下料、模鍛、沖孔和熱精鍛.與齒輪切削生產(chǎn)工序相比，熱精鍛齒形代替了齒面機(jī)加工，精鍛齒形效率在3件/min以上[16]，生產(chǎn)效率提高數(shù)倍至數(shù)十倍.

方案2所需坯料與方案1相同，同樣需要進(jìn)行空心坯料的制坯工藝.由于精鍛得到的齒輪鍛件中心有連皮，若沖孔去掉會破壞齒形精度，所以只能機(jī)加工內(nèi)孔去除連皮，共需5個工步.相比傳統(tǒng)工序多一道工步，但機(jī)加工內(nèi)孔效率仍然高于齒面切削加工效率，并且下凸模為實(shí)心件，保證了模具強(qiáng)度.

方案3坯料為實(shí)心圓柱坯，無需制坯整個工藝僅需3個工步，即下料、熱精鍛和機(jī)加工內(nèi)孔，有效提高了生產(chǎn)效率；下凸模設(shè)計(jì)為實(shí)心件，模具強(qiáng)度也得到了保障.此方案相對方案2工步數(shù)較少，加工效率高，能夠有效降低生產(chǎn)成本，故此方案優(yōu)于方案2.

圖10　3種精鍛方案與齒輪切削加工生產(chǎn)工藝對比 Fig.10　Comparison of manufacturing processes of three designs and conventional cutting

6結(jié)果與討論

表1示出了傳統(tǒng)切削加工和3種精鍛齒形加工工藝方案的加工工步數(shù)、模具失效、成形載荷以及材料利用率.從表中可以看出，方案2(無心軸-空心坯)所需工步數(shù)最多，這是由于需要模鍛制坯和后續(xù)機(jī)加工內(nèi)孔造成了工步的增加，但機(jī)加工內(nèi)孔的加工效率高于切削加工齒面，所以總加工效率仍高于切削加工；而方案3(無心軸-實(shí)心坯)所需工步數(shù)最少，這是由于實(shí)心坯的制造工藝較為簡單，方案1(帶心軸)與切削加工所需工步數(shù)相同.傳統(tǒng)切削加工非塑性成形，所以沒有模具失效問題和成形載荷，方案1由于下凸模為空心件，受力面積小，在鍛造過程中發(fā)生塑性變形而失效，而無心軸精鍛加工工藝解決了此問題；方案2由于中心分流孔的存在，成形載荷相對方案3較低，但空心坯料高度很大，不易制得；方案3不僅需要鍛制齒形，模具還需擠壓中心孔連皮，導(dǎo)致成形載荷的增加.材料利用率方面，切削加工在制坯過程中的沖孔和齒形切削中損失大量金屬材料，材料利用率只有50%左右；精鍛齒形工藝由于齒形為塑性成形制得，方案1的材料利用率達(dá)到90%，方案2和3由于要去除中心孔連皮，考慮去除連皮材料體積，材料利用率在75%左右.

表1不同工藝方案的比較Table1Comparisonofdifferentprocesses

工藝方案工步數(shù)模具失效成形載荷/kN材料利用率/%傳統(tǒng)切削加工5——30～60[17]方案15是262590方案26否405275方案34否435075

從以上分析可以確定，方案3(無心軸-實(shí)心坯)雖然成形載荷較高，但模具受力、坯料尺寸合理，生產(chǎn)效率最高，材料利用率高，所以方案3為齒輪熱精鍛生產(chǎn)工藝最佳方案.

7結(jié)論

針對行星齒輪鍛件形狀設(shè)計(jì)了3種精鍛工藝模具方案，分別分析了3種方案的齒輪成形過程、模具應(yīng)力、成形載荷、加工效率以及材料利用率，得到以下結(jié)論：

(1)采用帶心軸精鍛齒形方案由于下凸模為空心件，受力面積小，模具應(yīng)力高于模具材料屈服強(qiáng)度，無法達(dá)到生產(chǎn)要求；采用無心軸精鍛齒形方案，下凸模為實(shí)心件，大大改善了其應(yīng)力狀況，最大應(yīng)力減小23%，低于模具材料屈服強(qiáng)度，滿足了生產(chǎn)要求.

(2)無心軸-實(shí)心坯精鍛齒形由于不僅要成形齒形，還要將實(shí)心坯料鍛為帶連皮的空心件，成形載荷相對帶心軸精鍛齒形增大65%；無心軸-空心坯精鍛齒形由于中心分流孔的存在，成形載荷相對實(shí)心坯精鍛齒形減小7%.

(3)無心軸-實(shí)心坯精鍛齒形方案由于無需模鍛坯料，加工工步數(shù)最少，效率最高；采用無心軸-空心坯精鍛齒形方案不僅需要模鍛坯料，還需后續(xù)機(jī)加工鍛件內(nèi)孔，加工工步數(shù)最多.

(4)無心軸-實(shí)心坯精鍛工藝方案雖然成形載荷較高，但模具受力合理，生產(chǎn)效率最高，材料利用率較高，所以此方案為齒輪熱精鍛生產(chǎn)工藝最佳方案.

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ProductionProcessandExperimentalInvestigationofHotPrecision

ForgingofHollowCylindricalGears

Zuo BinWang Bao-yuLi ZhiZheng Ming-nan

(SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Abstract:As gear manu facturing is a continuous production process, not only the continuity and efficiency of manu-facturing but also the reliability of forging tools should be guaranteed in the process of precision forging for manufacturing gears. In this paper, firstly, three tool design schemes respectively with mandrel, without mandrel-hollow billet and without mandrel-solid billet were proposed for the precision forging of hollow cylindrical gears, and the corresponding forming loads were predicted. Secondly, tooth formation, metal flow, tool stress and forming load were analyzed via finite element simulation. Then, the procedures corresponding to the three schemes were designed, and a comparison was made between these three precision forging processes and the conventional cutting process in terms of production efficiency and material utilization. Finally, forging trials for hollow cylindrical gears were conducted to verify the validity of finite element simulation and forming load calculation, and the manufacturing process without mandrel-solid billet was proved to be the best for the hot precision forging of gears.

Keywords:hollowcylindricalgear;gearforging;toolstructure;productionprocess;experimentalinvestigation

Foundationitems:SupportedbytheNationalHigh-techR&DProgram(863Program)(2013AA041004),theNaturalScienceFoundationofJiangsuProvince(BK2012798)andtheJiangsuProvincialCooperativeInnovationFoud—theProspectiveJointResearchProject(BY2012011,BK2013003-10)

?通信作者：陳柏(1978-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事醫(yī)療機(jī)械、仿生機(jī)器人、導(dǎo)管機(jī)器人研究.E-mail:chenbye@126.com

Foundationitems:SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51375384,51175423,51205310)