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1一种直齿圆柱齿轮精锻模具设计苏芳(福建信息职业技术学院福州，350003)摘要：针对直齿圆柱齿轮冷成形难度大的问题，列举了一种可用于直齿圆柱齿轮的精密成型方案，通过模拟实验，从齿形的填充和所需变形力等方面进行了研究。本文设计了带浮动凹模的模具装置，提出了直齿圆柱齿轮精锻模结构。关键词：直齿圆柱齿轮；精密模锻；模具设计目前，精锻工艺在直齿圆柱齿轮制造方面的应用还存在不少困难，有关这方面的研究成果，尤其是在直齿圆柱齿轮精锻模具设计方面，报道还不多见。尽管精锻直齿圆柱齿轮能获得较好的齿面，但冷锻在模具结构、设备吨位等方面的要求很高。采用热精锻—冷推挤并用活动凹模代替传统的固定凹模，利用活动凹模的积极摩擦作用，可以保证齿腔角部填充饱满。本实验以哈尔滨东安发动机厂微型汽车上厚度为11.25mm的减速器齿轮为例，齿轮零件图如图1所示，通过工业纯铅模拟钢的锻造过程对组合式模具对实心坯料一步冲挤成形直齿圆柱齿轮的工艺方案进行研究。实验时，重点掌握该工艺的齿腔充满效果和完全充满齿腔所需的变形力，作为理论研究和生产性试验的依据，来揭示齿轮精锻时金属的流动规律特点，分析其力学性能曲线并通过观察锻件的流线分布来说明该方案的可行性。一、模拟实验装置由于实验材料为工业纯铅，其变形抗力不大，故凸模、凹模、下模块都选择45号钢。模具热处理：800℃～850℃，调质处理2～2.5小时，油冷500℃～550℃，回火处理6～6.5小时，空冷硬度HRC40～45。内齿凹模采用线切割机床加工。同时为了节省材料和加工工时，也便于装置的配合，将线切割凹模齿形的余料作为下模块使用。采用有一定刚度的弹性橡胶支承浮动凹模。由于模拟的齿形精度要求不高，凸模、凹模、下模块采用自身导向。凸模、凹模、模套采用机油润滑。利用图2所示组合试验装置，完成齿形精锻。图1齿轮零件图图2实验装置1.带内齿的凹模2.支承橡胶垫3.凸模4.下模块2二、坯料的计算毛坯尺寸除应满足重量要求外，还要选择适当的直径，在体积相同的情况下，毛坯的高径比不同，金属充满型腔的效果也不同。对于直齿圆柱齿轮选取毛坯直径与齿根圆直径相近为宜，因此对于模拟锻件小齿轮，根据现有模具情况取毛坯直径为φ45.3mm，经计算实心毛坯高度为20mm。为了分析精锻齿轮的成形情况，实验采用带网格的铅料来成形以研究锻件的填充情况、流线分布等。实验用铅料分整体式、轴向分开式和横向分开式三种类型。用φ50mm的铅棒在车床加工完成四块坯料，线切割将一块坯料沿直径分成两半。为观察金属变形流动情况，在其中坯料的一个横断面和轴向分开式其中一半的切面上画3×3mm的正方形网格。如图3所示。图3实验用坯料三、设备的选择变形力的计算：当锻件一次打击成形时，根据经验公式(1)确定：p=(35~55)kF总(kN)(1)式中k——材料系数。F总——锻件总投影面积系数（35～55）是综合考虑材料变形抗力、变形温度、变形速度、摩擦以及应力状态等因素而选取的，对于变形困难，要求生产力高的应取上限。所以有：p=40×0.35×3.14×(7.52/2)2=543kN所以，实验中要用600kN材料试验机。四、确定压入量压入量大小对于采用闭式模锻挤出的齿轮精度有直接影响。如果余量太小，齿形填充不满；如果余量太大则会增大胀模力，影响挤后齿轮精度和模具寿命。所以应当进行计算确定，才能满足齿轮成形要求，又能避免精锻模早期磨损超差失效，以利于提高模具寿命。根据模具型腔及周边结构尺寸，计算在该套模具上推剂量为7.5mm。五、实验结果及分析模拟实验共进行了四组，实验数据见表1所示。3表1实验结果序号坯料类型压力（kN）行程(mm)成形情况1φ45.3×20mm整体式5127.5齿顶未充满；下突缘未充满；出现严重折叠2φ45.3×20mm轴向分开式4507.2齿顶未充满；下突缘未充满；出现折叠，但较上一次轻微3φ45.3×20mm横向分开式5077齿顶基本充满；下突缘基本充满；出现轻微折叠4φ45.3×20mm整体式5007.5齿顶基本充满；下凸缘基本充满；出现轻微折叠1.变形阶段性分析图4金属流线图4为金属流线、图5为第三组模拟实验变形力与行程的关系曲线。根据上述实验结果，直齿圆柱齿轮坯料在挤压时金属的流动大致可分为三个阶段：Ⅰ.刚刚开始挤压时，因坯料与凹模内径之间有微小的间隙，所以金属变形相当于镦粗，不过该阶段变形量相当小，保持时间相当短，如图5中A段曲线所示。Ⅱ.当坯料继续变形压入量继续增加时，曲线随压入量的增加逐渐缓步上升，坯料流入凹模齿腔体积和凸、凹模凹腔体积不断增加，此阶段属于初步填充齿形和填充突缘阶段，该阶段内金属在型腔里向凹模齿腔流动和凸凹模凹腔型腔流动，如图5中B段曲线所示。Ⅲ.当压下量达到一定值时，坯料压入量非常小，而变形力却急剧上升。这是由于坯料填充凹模齿腔的齿顶部分，此时上模凹腔已基本填满，下模凹腔正处于继续填充至满阶段，此阶段属于填充的最后阶段，如图5中C段曲线所示。2.直齿圆柱齿轮精锻质量分析Ⅰ.充不满：随着加工过程的进行，未充满部分的自由表面积不断减少，减缩比不断提高，锻造载荷不断提高。本实验采用完全闭式无非边锻造形式，锻造载荷极大，且材料难以完全填充整个型腔。这也是齿轮精锻的致命弊端，即高载荷难充满。可通过改变加工方法控制这一现象。分流锻造就是在锻件某一位置设置溢流口（本实验中相当突缘），使材料填充型腔过程中始终有自由流动的余地，从而提高工件的自由表面积，控制模锻减缩比的提高，抑制加工力的增加。通过增加锻件自由表面改变了锻造减缩比，保证填充主要轮廓的同时，非4齿形主要轮廓位置始终存在分流层，以调节和防止齿轮闭式模锻最终阶段变形力的陡增现象。实验分析表明，分流原理的应用降低了工作载荷。图6所示为分流与未分流后的变形力比较。从曲线可看出分流比未分流的变形力大大降低。但齿形仍然不能完全填满，要达到完美，对变形力要求很高。Ⅱ.折叠：针对第一次试验出现的折叠情况，讨论分析认为，折叠产生原因是因为在填充齿形型腔时大量的金属沿轮齿形腔方向快速流动，而齿两边周边金属因为受到模具表面的摩擦力和凹模内腔齿形齿顶的阻力，使流动速度小于主流金属，于是在主流金属的带动下，这两流金属汇合在一起时产生了折叠。如图7示意图所示。图5变形力与行程关系曲线图6变形力比较图7金属流动示意图研究决定修改模具与锻件接触产生折叠处的圆角，最大限度地增大该处圆角半径，改善金属流动。在后来实验中发现用修改后的模具成形齿轮，该处折叠情况得到明显减轻。虽然仍不能完全避免，但锻件已能满足零件加工要求，所以实验是成功的。六、小结本文提出的直齿圆柱齿轮精锻模结构，保证了圆柱齿轮精锻成形的全过程在闭式模锻中进行，锻件无飞边，所以压力机提供的有效变形能全部用于齿轮锻件成形，模腔填充良好。圆柱齿轮热精锻—冷推挤联合工艺避免了热锻变形抗力大的缺点。由于依靠推挤工序提高齿轮锻件精度，从而使热锻成形齿轮精度要求得以放宽，即放宽了精锻模腔的寿命公差，避免了磨损早期失效，提高了磨具寿命。而推挤模寿命更高，这是得益于推挤余量小和润滑良好。生产实践证明，热精锻—冷推挤直齿圆柱齿轮是成功的，模具设计制造简单、寿命高，具有广泛的推广价值。