直齿圆柱齿轮精锻成形工艺和模具设计的研究现状

论文导读：研究表明要解决上述难题，其中最关键的就是直齿圆柱齿轮精锻成形工艺和模具设计的合理性，国内外许多学者对其开展了卓有成效的研究，取得了丰富的成果，但是由于问题的复杂性，至今还没有找到一种实用性强的模具和工艺设计方案，导致直齿圆柱齿轮精锻成形技术还不能进入生产实用阶段。为满足净成形制造工艺的要求，在工艺设计和模具设计中，应以金属在精锻过程中的真实流动规律和变形力学特征为基础，优化模具结构、优化坯料的形状和尺寸等工艺参数，目前这一点还很难做到。关键词：直齿圆柱齿轮，精密锻造，模具设计，工艺方案直齿圆柱齿轮精锻成形是一种极具开发前景的新工艺、新技术，相对传统切削加工方法而言，其可以显著提高零件的内在和表面质量，提高材料的利用率，减少加工工时，降低能耗，同时可获得合理的金属流线分布，提高承载能力[1][,2]。但是由于直齿（或螺旋）圆柱齿轮的高精度要求和渐开线齿形的充填困难、变形抗力大，模具寿命低等许多因素的影响，使得这类零件的精锻成形至今仍是塑性加工领域的难题。研究表明要解决上述难题，其中最关键的就是直齿圆柱齿轮精锻成形工艺和模具设计的合理性，国内外许多学者对其开展了卓有成效的研究，取得了丰富的成果，但是由于问题的复杂性，至今还没有找到一种实用性强的模具和工艺设计方案，导致直齿圆柱齿轮精锻成形技术还不能进入生产实用阶段。1直齿圆柱齿轮精锻成形工艺和模具设计研究直齿圆柱齿轮几何形状复杂、产品的尺寸精度要求严格，因此其精锻成形尤其是冷精锻成形难度大，成形载荷大、产品质量与模具寿命不易保证。免费论文参考网。研究表明合理的模具结构和工艺方案设计是解决直齿圆柱齿轮精锻成形难题的关键技术，国内外学者对此开展了大量的研究。1984年KondoK提出带凸台齿轮冷锻的向心流动和离心流动条件，对平齐端面的圆柱齿轮冷锻采取在毛坯或模具上设减压孔的措施，来达到分流减压的目的[3][4]。1990年美国Battle公司利用“推着穿过”原理进行了挤压圆柱齿轮成形的研究[5]。1993年OhgqaK进一步论述了分流减压原理的适用范围，从而使直齿圆柱齿轮分流精锻技术更加完善[6]。NagaiY提出将预制杯形件作为某些圆柱齿轮冷锻的制坯措施，即通过拉延、整形、变薄拉延和压缩这四个工步实现具有较大沉孔的圆柱齿轮冷锻成形[7]。60年代，国内有人对直齿圆柱齿轮精锻工艺做过探索，用高速锤精锻直齿圆柱齿轮,由于锻件精度低、模具寿命低等原因而未能应用。英国Birmingham大学对直齿圆柱齿轮精锻进行了广泛研究[8][9][10],于1987年提出了用空心锻坯精锻直齿圆柱齿轮的浮动凹模原理，降低了直齿圆柱齿轮精锻的材料、锻压能量、锻压力消耗，且齿形易于充满[11],但这种模具不适用于较大锻造力的情况，模具寿命低；1988年，在上述工作的基础上把厚壁管截成的环形坯料热锻成具有大中心孔的直齿圆柱齿轮，齿面上留有0.6mm以上的切削余量[12],这一工艺仅适用于极少数具有大中心孔的直齿圆柱齿轮，而且未解决成形齿轮精度低和模具寿命低的问题，齿面仍需切削加工。1991年林治平等根据文献[11][12]制作了简易模具，在液压机上压铅和铝分别模拟直齿圆柱齿轮的热锻和冷锻，得出了型腔充填情况及成形力的一些有益结论[13]，但是变形材料、温度、模具结构、工作连续性和设备等方面都与生产实际相差较大；近年来，他总结了直齿圆柱齿轮精锻的多种工艺方案，设计了专用组合模，并进行了相应的工艺实验[14]，但上述研究均是在实验室中进行的，尚未应用到生产实践中。DrecunVM等开发了一套参数化的直齿圆柱齿轮精锻模CAD软件。青岛科技大学的田福祥对直齿圆柱齿轮热精锻进行了深入研究，发明了直齿圆柱齿轮热精锻和冷推挤联合成形工艺，研制了用于生产的模具，精度达到9级，齿面无须切削加工即可使用[15][16]；提出了渐开线齿廓线膨胀定理和推论，并论述了直齿圆柱齿轮精锻模具齿形参数的设计计算方法及惯用公式[17]。田福祥等研究开发了带有强力脱模装置的内齿轮热精锻模具和工艺，彻底解决了热精锻时成形难和脱模难的问题，并成功的应用于生产,取得了显著的经济效益[18]。吉林大学的寇淑清等用三维大变形弹塑性有限元法对齿轮冷精锻成形过程进行了数值模拟，对以闭式模锻为预锻和以闭式模锻、孔分流及约束分流为终锻的两步成形模式的变形流动情况进行了数值模拟分析。数值分析结果及工艺实验表明在终锻中采取分流，尤其是约束孔分流措施对于降低工作载荷和提高角隅充填能力等方面十分有效[19][20]。山东大学的张清萍等利用正交试验法与数值模拟技术相结合的方法,解决了预锻模具型腔优化设计问题[21]。安徽科技学院的陈丰等利用自制的浮动模具研究了直齿圆柱齿轮精锻成形的力能参数、齿轮参数和冲压成型相关参数的关系，认为精锻成形的力能参数受到齿轮参数的影响，这一结论为齿轮精锻成形的实用化提供了可靠的参考依据[22]。免费论文参考网。西安交通大学的程羽等对采用浮动凹模进行精锻成形的工艺进行了研究，指出单纯的浮动凹模对于成形作用不大，采用浮动凹模浮动模式可调的精锻方法可以提高成形的质量，但没有给出模具的具体结构和调节方式[23]。2直齿圆柱齿轮精锻成形工艺和模具设计方面存在的主要问题直齿圆柱齿轮几何形状复杂、产品的尺寸精度、表面质量、组织性能、力学性能要求严格。多年来，尽管国内外许多学者研究其精锻工艺和模具结构设计，也取得了一些成果，但与实际生产应用还有一定距离。今后，需要解决的工艺和模具方面的主要问题如下：（1）工艺优化、模具结构优化问题。齿轮精锻是一种净成形或近净成形制造工艺。为满足净成形制造工艺的要求，在工艺设计和模具设计中，应以金属在精锻过程中的真实流动规律和变形力学特征为基础，优化模具结构、优化坯料的形状和尺寸等工艺参数，目前这一点还很难做到。（2）齿轮锻件出模问题。直齿圆柱齿轮精锻没有拔模斜度,出模困难,需要较大的顶出力才能将锻件从模具中顶出。因此,对模具结构和锻造设备有较高的要求。如何解决好锻件出模,是一个必须重点解决的问题。（3）润滑问题。免费论文参考网。在精锻中选用的润滑剂,在锻造温度范围内应该具有良好的润滑性能,使锻件与模具隔离,避免金属变形时直接与模具接触,使金属流动阻力最小；具有良好的绝热和脱模性能，从而减少锻件热量传导到模具上，延长模具寿命。另外，润滑剂应具有良好的高温湿润性能和成膜性能，在模具型腔中均匀分布，形成润滑膜，并且成形后在模具型腔中不应留有残渣,或者留有极少的残渣，容易清除。（4）模具寿命问题。模具寿命问题是关系到直齿圆柱齿轮精锻工艺能否应用于生产实践的关键因素。然而，影响模具寿命的因素很多。如何有效地改善模具的受力状况、减少磨损、提高寿命，是一个摆在研究者面前的不能回避的问题。6直齿圆柱齿轮精锻成形工艺和模具设计研究的发展趋势直齿圆柱齿轮精锻研究已经取得了较大进展,但还有许多方面需要进一步研究和探索，今后直齿圆柱齿轮精锻成形工艺和模具设计方面将从以下几个方面发展:(1)充分利用计算机技术，研究塑性成形过程的金属流动规律。目前关于直齿圆柱齿轮精锻方面的理论研究仅能得出变形金属的部分特征，而不能研究在整个塑性变形过程中金属的流动规律和所具有的变形力学特征，即不能得出应力场、应变速率场和温度场，只能粗糙的分析金属的整体流动。今后应充分利用高新计算机技术，结合塑性或弹塑性有限元方法,模拟直齿圆柱齿轮整个锻压变形过程的金属流动，找出变形坯料自由表面和内部的金属流动及应力应变分布规律，以期通过控制材料的流动达到零件的精确成形。(2)优化模具结构和工艺，控制精锻齿轮的质量和精度。质量和精度控制是直齿圆柱齿轮精锻研究的重点内容，目前关于这方面的研究还比较少，今后要进一步优化模具结构,选用优质模具材料，提高模具加工精度和使用寿命，使用合适的锻压设备；研究精确下料的新途径，提高毛坯的下料精度和表面质量；采用少无氧化加热，尽量减少毛坯的氧化烧损，并尽量减少热锻件与空气的接触时间，控制热锻件表面的脱碳层厚度；严格控制模具温度、锻造温度和润滑条件等工艺因素，减少因模具和锻件温度波动而造成的锻件尺寸误差。(3)实现模具和工艺设计的CAD/CAE/CAM一体化，建立相应的专家系统。今后工艺和模具设计应和计算机技术紧密结合起来。使直齿圆柱齿轮精锻研究向着CAD/CAE/CAM一体化方向发展，建立直齿圆柱齿轮工艺和模具设计的专家系统，即把专家的知识经识别、概念化和形式化处理，汇集成知识库，来解决直齿圆柱齿轮精锻成形的CAD和CAE问题。这对促进直齿圆柱齿轮精锻技术的提高及向生产的转化具有重要的意义。参考文献[1]林治平,陶泽球等·直齿圆柱齿轮精锻工艺方案的研究·锻压技术,1999,(2):9[2]K.KondoOhga·Precisioncolddieforgingofaringgearbydividedflowmethod,Int·J·Mach·Tools·Manu·fact·,1995,35(8):1105[3]KondoK.DevelopmentofNewPrecisionColdDieForgingProcesses.AdvancedTechnologyofPlasticity—Proc.Oflst.ICTP,Tokyo,1984.701～709[4]KondoKetal.InvestigationintoFormingProcessesofVariousSpurGear—Proc.of2ndICTP,Stuttgart,1987.1089[5]DavidJandRaghupathiPS.Manufac—turningofForgedandExtrudedGears.GearTechnology,1990.36～43[6]OhgaKandKonodK.ResearchonApplicationRangeofthePrecisionColdDieFormingUtilizingDividedFlowtoThickProducts.AdvancedTechnologyofPlasticity—Proc.of4thICTP,Peking,1993.1239～1244[7]NagaiYetal.TheTrialforFormingofaSpurGearMadefromtheDrawnCup.AdvancedTechnologyofPlasticity—Proc.of4thICTP,Peking,1993.1249～1254[8]DeanTA.Flashlessdieforging.MetallurgicMetalForming,1977,44(5):488～498[9]TuncerCandDeanTA.DieDesignAlternativesforPrecisionForgingHollowincompletelyclosedcavitied.Proc25thIntMa2chineToolDesignResConf,1985,25(1):479～483[10]TuncerC.PrecisionForgingHollowPart(Ph.D.Thesis).BritainBirminghan:UniversityofBirminghan,1985.61～65[11]TuncerCandDeanTA.dieDesignAlternativesforPrecisionFormingHollowParts.Int.J.Mach.TollsManufact,1987,27(1):65～76[12]TuncerCandDeanTA.Precisionforginghollowpartsinnoveldies,JournalofMechanicalWorkingTechnology,2988(16):39～50[13]林治平,陶泽球,袁汝春.直齿圆柱齿轮精锻工艺的实验研究.锻压技术,1991(6):10～14[14]林治平.直齿圆柱齿轮精锻的生产性实验.锻压技术,1999(3):3～5[15]田福祥.精密锻造空心件的锻模设计新方案.青岛建筑工程学院学