中空分流鍛造關(guān)鍵尺寸參數(shù)的理論計(jì)算及應(yīng)用

夏巨諶，金俊松，鄧?yán)冢?/p>

摘要：目的：針對(duì)環(huán)形毛坯在齒形凹模模膛內(nèi)閉式模鍛為帶有中心孔的圓柱齒輪，建立環(huán)形毛坯分流面直徑與孔徑兩個(gè)關(guān)鍵尺寸的相互關(guān)系的理論計(jì)算公式，進(jìn)而求解出合理的毛坯孔徑，達(dá)到既能使凹模齒頂型腔完全充滿，又能較大幅度降低模鍛成形力，提高模具使用壽命的目的。方法：基于中空分流鍛造原理，以分流面為界，將工件分為為內(nèi)外兩個(gè)環(huán)形區(qū)，采用主應(yīng)力法分別建立兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)分析模型和應(yīng)力平衡微分方程，導(dǎo)出其求解徑向應(yīng)力的表達(dá)式；利用分流面上的內(nèi)、外環(huán)形區(qū)徑向應(yīng)力相等的方法，進(jìn)而導(dǎo)出中空分流鍛造關(guān)鍵尺寸參數(shù)的理論計(jì)算公式；由相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)可知，所導(dǎo)出的理論計(jì)算公式是一個(gè)超越數(shù)學(xué)方程，很難演變?yōu)榍蠼夥至髅姘霃絉分或孔半徑R內(nèi)的函數(shù)表達(dá)式，因此，本文提出基于 MATLAB軟件平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)編程的方法進(jìn)行具體的數(shù)值求解。結(jié)果：應(yīng)用所建立的理論計(jì)算公式：（1）當(dāng)已知鍛件的外半徑R外、內(nèi)半徑R內(nèi)、高度h和摩擦系數(shù)μ時(shí)，利用該式可求出分流面半徑R分，可用于實(shí)現(xiàn)環(huán)形毛坯的優(yōu)化設(shè)計(jì)；（2）當(dāng)已知鍛件的外半徑R外、高度h、摩擦系數(shù)μ，并假設(shè)分流面為所需的尺寸，則可用該式求出孔半徑R內(nèi)，用于實(shí)現(xiàn)鍛件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，實(shí)現(xiàn)鍛件的優(yōu)化設(shè)計(jì)作用更大，以轎車自動(dòng)變速器結(jié)合齒輪為例，目前國(guó)外采用整體精鍛工藝主要是鍛出中間結(jié)合齒圈，本文研究時(shí)也是采用這一思路，但開始時(shí)采用的是常規(guī)整體閉式精鍛方法，即預(yù)鍛件設(shè)計(jì)成外輪廓與終鍛件相似的實(shí)心工件，結(jié)果出現(xiàn)凹模上的外圈破裂且結(jié)合齒圈磨損過快，模具使用壽命低；此外，鍛件出現(xiàn)折疊和充不滿。針對(duì)這些問題，假設(shè)其分流面直徑（2R分）等于凹模結(jié)合齒圈直徑，求出終鍛件的孔半徑R內(nèi)，其約束條件是R內(nèi)≤鍛件圖紙上所設(shè)計(jì)的孔半徑，以優(yōu)化的終鍛件為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)預(yù)鍛件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法是，預(yù)鍛件外輪廓與終鍛件相似，而內(nèi)孔比終鍛件的大而深。這樣設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件在終鍛時(shí)，在凹模的結(jié)合齒圈即分流面僅受軸向壓縮變形，分流面以外的金屬向外流動(dòng)使凹模內(nèi)腔充滿，分流面以內(nèi)的金屬向內(nèi)流動(dòng)使孔徑縮小而連皮增厚。工藝試驗(yàn)表明，所得結(jié)合齒輪鍛件輪廓清晰、尺寸精確，模具使用壽命大為提高。結(jié)論：（1）采用塑性成形理論中的主應(yīng)力法建立了環(huán)形毛坯中空分流精鍛成形為圓柱齒輪時(shí)變形體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的分析模型，并導(dǎo)出了分流面直徑（2R分）和鍛件孔徑（2R內(nèi)）兩個(gè)關(guān)鍵尺寸參數(shù)的理論計(jì)算公式，使得中空分流鍛造的成形過程、成形規(guī)律及尺寸參數(shù)確定，由定性分析和近似確定提升為定量分析和精準(zhǔn)確定；（2）通過應(yīng)用實(shí)例表明了所研究理論計(jì)算方法的可行性和優(yōu)越性。

來源出版物：塑性工程學(xué)報(bào), 2016, 23(3): 1-4

入選年份：2016