帶運動可控式凹模的直齒輪精鍛成形研究

王 軍，楊 程，張敏娜，湯丹妮，趙升噸

(1.中國重型機械研究院股份公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032;2.西安建筑科技大學 冶金工程學院，陜西 西安 710055;3.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049)

0 前言

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。國內外很多學者對其進行了深入的研究，日本的K.KONDO 和K.OHGA就對精鍛過程的分流減壓方法進行了研究［1］，并把這種原理應用于直齒圓柱齒輪的精鍛;英國Birmingham 大學的Tuncer C ＆ Dean T A 于1987年提出了用空心鍛坯精鍛直齒圓柱齒輪的浮動凹模原理［2，3］;韓國的J.C.Choi 和Y.Choi 將控制分流技術用于直齒輪的精鍛［4］，獲得了鋼制樣件;德國的E.Doege 等人采用閉式熱鍛的方法獲得了直齒和斜齒輪［5，6］。國內南昌大學的林治平、譚險峰，吉林大學的寇淑清，山東大學的張清萍、王廣春，中北大學的張治民等［7－15］也做了許多有益的工作。盡管直齒圓柱齒輪精鍛成形具有很大的市場應用前景，但由于齒形(特別是上下角部)充填困難，單純依靠增大工作載荷來迫使上下角部齒形充填，將會惡化模具的工作條件，導致凹模開裂。

本文為了改進角部充填，設計了一種齒形凹模運動可控式齒輪精鍛成型裝置，通過彈性和定位元件實現了齒形凹模在成形過程中隨上模一起運動、不動、以上模的一半的速度運動、開始不動終鍛隨上模運動和開始隨上模運動而終鍛不動等多種運動方式，通過有限元和實驗研究了齒形凹模不同運動方式下對齒形角部充填的影響，研究結果表明:采取合適的方式控制齒形凹模的運動，使得阻礙角部充填的有害摩擦變成促進角部充填的積極摩擦，對改善齒形上下角充填有很好的效果。

1 精鍛過程分析

直齒輪的閉式精鍛如圖1 所示，左邊為成形之前而右邊為成形之后，坯料軸向受到壓縮、高度降低，直徑增大，金屬向齒形凹模型腔中流動成形出輪齒，類似于鐓粗變形。

圖1 直齒輪鐓擠工藝Fig.1 Forming process of spur gear

圖2 給出了精鍛時坯料整個高度上的徑向填充阻力的分布。在坯料充填齒形凹模型腔的過程中，整個高度方向上，都受到齒形凹模型腔模面的摩擦阻力，如圖2a 所示，中部坯料僅受到齒形凹模型腔表面對其的摩擦阻力，而和上下模面接觸的坯料不僅受到齒形凹模型腔表面的摩擦阻力，還受到上下模面的摩擦阻力，其充填阻力要大于中部的坯料，齒形高度方向上的充填阻力分布如圖2b 所示。根據最小阻力定律，坯料將沿阻力最小的方向流動，中部會優先充填完整，而上下角部由于上下模面的摩擦阻力，將難以充填。

圖2 充填阻力分析Fig.2 Analysis of filling resistance

成形后期，齒腔角部處于三向壓應力狀態，由Mises 屈服方程可知:

齒腔角部將難以滿足屈服條件，只有繼續增加成形載荷，才能使角部繼續變形，造成模腔內壓強過大、鍛件精度超差甚至模具開裂。

2 成形裝置設計

為了改進齒腔角部充填，新的齒輪精鍛裝置如圖3 所示，包括齒形上沖頭5，齒形上沖頭5和上壓板1 固定，隨上壓板1 上下運動，中間壓環4 套在齒形上沖頭5 的外面，通過上彈簧3 和上卸料螺釘2 與上壓板1 活動連接，并保證上彈簧3 有一定的預壓力，齒形下沖頭8 和下模板9固定，齒形凹模6 通過其上的內齒和齒形下沖頭8 上的外齒配合，套在齒形下沖頭8 的外面，并可沿齒形下沖頭8 上下滑動，通過下彈簧10 和下卸料螺釘12 與下模板9 活動連接，并保證下彈簧10 有一定的預壓力，在上壓板1 上均布著4顆上限位釘13，在下模板9 上均布著4 顆下限位釘11。

本裝置的工作原理為:將坯料放在齒形下沖頭8 上，上壓板1 帶動齒形上沖頭5 和中間壓板4 下行，對坯料7 進行擠壓:

(1)將上限位釘13 的高度調整到使其下端面頂到中間壓環4 上端面，而下限位釘11 的高度調低，當上壓板1 下行時，可實現齒形凹模6和上壓板1 同速下行的運動模式。

(2)將下限位釘11 的高度調整使其上端面頂到齒形凹模6 的下端面，而上限位釘13 的高度調低，當上壓板1 下行時，齒形凹模6 相對于下模板9 的距離不變，可實現齒形凹模在成形中固定不動的模式。

(3)將上限位釘13 和下限位釘11 的突出模面的高度調低，而上彈簧3 和下彈簧11 采用相同的彈簧并且擁有相同的預壓力，可實現齒形凹模6 的下行速度為齒形上沖頭5 的速度一半的運動模式。

(4)將上限位釘13 的高度調低，而下限位釘11 調整到合適的高度，上彈簧3 采用倔強系數較大的彈簧，而下彈簧10 采用倔強系數較小的彈簧，且上彈簧3 的預壓力遠大于下彈簧10，則成形初期在上彈簧3 和下彈簧10 的共同作用下齒形凹模6 向下運動，一旦齒形凹模6 下行遇到下限位釘11，齒形凹模6 不再下行，此時上壓板1 繼續下行推動齒形上沖頭5 對坯料進行擠壓，上彈簧3 此時受到壓縮，直至成形。實現齒形凹模6 在成形初期下行，而在成形后期不動的運動模式。

(5)將上限位釘13 調整到合適的高度，而下限位釘11 的高度調低，上彈簧3 采用倔強系數較小的彈簧，而下彈簧10 采用倔強系數較大的彈簧，且上彈簧3 的預壓力遠小于下彈簧10，則成形初期在上彈簧3 和下彈簧10 的共同作用下齒形凹模6 不運動。成形過程中上彈簧3 受到壓縮，上壓板1 逐漸靠近中間壓環4，一旦上限位釘13 頂住中間壓環4，此時上壓板1 繼續下行推動中間壓環4、齒形凹模6 和齒形上沖頭5 對坯料進行擠壓，下彈簧10 此時受到壓縮，直至成形完成?？蓪崿F齒形凹模6 在成形初期不動，而在成形后期隨上壓頭一起運動的運動模式。

3 有限元分析

3.1 模型的建立

為驗證上面的結論，在DEFORM-3D 里建立齒數18，模數3 的分析模型［14］，如圖4 所示。毛坯材料為AL1100、摩擦因子為0.3。為了提高計算效率和計算精度，取坯料的1/18 作為研究對象。

為了研究齒形凹模對成形的影響，分別確定了以下運動模式。

圖3 成形裝置Fig.3 Tool-sets of gear forging

圖4 有限元分析模型Fig.4 Analysis model

(1)齒形凹模成形過程中隨齒形上沖頭一起運動，運動速度為10 mm/s。

(2)齒形凹模成形過程中固定不動，運動速度為0 mm/s。

(3)齒形凹模成形中隨齒形上沖頭向下運動，運動速度為齒形上沖頭速度的一半，為5 mm/s。

(4)齒形凹模成形初期與齒形上沖頭一起向下運動，成形速度近似為10 mm/s，當下角部接近充填完整時停止不動，直到成形過程結束。

(5)齒形凹模成形初期固定不動，當上角部接近充填完整后隨齒形上沖頭一起運動，直到成形結束。

3.2 齒形充填情況

圖5a為齒形凹模在成形過程中不動時的齒形充填情況，從圖中可以看出，齒形中部和上角部充填完整，下角部缺料較多。

圖5b為齒形凹模與上模等速時的充填情況，從圖中可看出，齒形中部和下角部都充滿，上角部缺料較多。

圖5c為齒形凹模速度等于上模速度一半時的充填情況，同樣可以觀察到齒形中部充填完整，而上下角部充填情況差不多，都充填完整。

圖5 軸向齒形充填情況Fig.5 Filling situation of tooth profile

圖5d為齒形凹模成形初期與齒形上沖頭一起向下運動，成形速度近似為10mm/s，當下角部充填完整后，停止不動直到成形過程結束時齒形充填情況。從圖中可以看到，中部充填完整，上下角部也充填完整。

圖5e為齒形凹模成形初期固定不動，當上角部充填完整后，隨齒形上沖頭一起運動直到成形結束的情況下齒形充填狀況。從圖中可以看到，中部充填完整，上下角部也充填完整。

通過上面分析可得:齒形凹模不動時，有利于上角部成形;齒形凹模隨上模同速運動時，有利于下角部成形;通過控制齒形凹模的運動方式，可以變阻礙角部充填的有害摩擦為促進角部充填的積極摩擦，利于角部充填。

3.3 流動分析

圖6為齒形凹模速度為0 mm/s 時齒形充填速度場。變形初期，如圖6a 所示，此時速度場和圓柱體自由鐓粗類似，在上模的驅動下，靠近上模模面的坯料向右下流動，與下模接觸的坯料流速很小，其它部位金屬均包含著軸向的壓縮運動和徑向的填充運動。隨著壓下量的增加，由于齒形凹模不動對坯料的摩擦力作用，導致齒腔部位的金屬基本呈水平方向流動，有利于中部和上角部充填，如圖6b 所示。到54 步時，如圖6c所示，這種流動方式一直保持，只是齒腔部位的金屬水平流動趨勢更明顯。到56 步時，靠近齒腔上角部的金屬流速很低，該部位已基本充填完畢，如圖6d 所示。終鍛時，齒形中部和上角部流速很低，已經充滿，而下角部還有大量金屬流動，該處缺料較多，如圖6e 所示。

圖6 齒形凹模速度為0 mm/s 時齒形充填速度場Fig.6 Velocity field of die cavity speed of 0 mm/s

圖7為齒形凹模速度為10 mm/s 時齒形充填速度場。變形初期，如圖7a 所示，在上模的驅動下，大部分坯料向右下流動充填齒腔，只有與下模面接觸的坯料流速很低。相比于齒形凹模固定不動的流動方式，該種變形有更多和下模模面接觸的坯料流速很低。隨著壓下量的增加，由于齒形凹模對坯料向下的摩擦力作用，導致齒腔部位的金屬向右下方向流動，如圖7b 所示，有利于下角部充填。到59 步時，如圖7c 所示，上一階段的流動方式一直保持。到60 步時，靠近齒腔下角部已基本充填完畢，可見此部位的金屬流速很低，如圖7d 所示。終鍛時，齒形中部和下角部流速很低，接近充滿，而上角部還有大量坯料流動，上角部未充滿，如圖7e 所示。

圖7 齒形凹模速度為10 mm/s 時齒形充填速度場Fig.7 Velocity field of die cavity speed of 10 mm/s

圖8為齒形凹模速度為5 mm/s 時齒形充填速度場。變形初期，和前面兩者變形類似，如圖8a 所示，在上模的驅動下，大部分坯料向右下流動充填齒腔，只有與下模面接觸的坯料流速很低。相比于前面兩種變形方式，中部的流速更快，如圖8b 所示。隨著壓下量的增加，這種流動方式一直保持，有利于齒腔中部的充填，如圖8c 所示，可見齒腔中部已出現鼓形。到57 步時，如圖8d 所示，齒腔中部的金屬流速很低，說明該部位已基本充填完畢，上下角部的分流區還有金屬在流動。終鍛時，齒形中部、上下角部流速都很低，說明齒腔接近充滿，如圖8e 所示。

圖8 齒形凹模速度為5 mm/s 時齒形充填速度場Fig.8 Velocity field of die cavity speed of 5 mm/s

圖9為成形初期齒形凹模不動，而成形末期隨上模運動時的齒形充填速度場。預鍛時充填情況和齒形凹模不動的相同，如圖9a、b 所示，該階段上部坯料充填速度較高，而和下模接觸的坯料流動速度較低，有利于上角部的充填。一旦上角部充填完畢，此時齒形凹模隨上模向下運動，坯料也在齒形凹模的作用下流向下角部，如圖9c、d 所示。終鍛時，下角部只有少量金屬在流動，該處也基本充填完畢，如圖9e 所示。

圖9 齒形凹模成形初期不動，后期速度為10 mm/s 的齒形充填速度場Fig.9 Velocity field of die cavity fixed in the initial stage and moved at 10 mm/s in final stage

圖10為成形初期齒形凹模隨上模一起運動，而成形末期不動的齒形充填速度場。預鍛時充填情況和齒形凹模速度為10 mm/s 的相同，如圖10a、b、c 所示，此時坯料向右下流動，有利于下角部的充填。一旦下角部充填完畢，此時齒形凹模不再隨上模向下運動，坯料也在齒形凹模的作用下流向上角部，如圖10d 所示。終鍛時，上角部有少量金屬在流動，該處也基本充填完畢，如圖10e 所示。

3.4 成形載荷分析

圖10 齒形凹模成形初期速度為10 mm/s，后期不動的齒形充填速度場Fig.10 Velocity field of die cavity moved at 10 mm/s in the initial stage and fixed in final stage

圖11為齒形凹模不同運動方式下的載荷行程曲線，圖中可以看出，齒形凹模速度為0 mm/s和齒形凹模為10 mm/s 時載荷較低，分別為1189 kN 和965 kN。而當齒形凹模速度為5 mm/s、齒形凹模開始不動，終鍛速度為10 mm/s和齒形凹模開始速度為10 mm/s，終鍛不動時的三種情況載荷較高，分別為1556 kN、1629 kN 和1660 kN，相比前面兩種情況載荷有大幅增加。這是因為前面兩種成形方式下，在上角部或者下角部有較大的未充滿的區域，而在后面三種情況下，齒腔基本充滿。故齒形凹模的不同運動方式僅對角部充填有利，而成形載荷的主要影響因素是終鍛時分流區的大小。

圖11 載荷行程分析Fig.11 Load-stroke analysis

4 實驗研究

采用如圖2 所示的模具結構，AL1100 作為坯料，坯料表面采用二硫化鉬作為潤滑劑。在國產YM-3150kN 型液壓機上進行試驗，工作速度為10 mm/s。

由于實際成形時齒形凹模和坯料之間的摩擦力很大，采用普通彈性元件難以實現齒形凹模的運動速度為5 mm/s 或齒形凹模先不動后強制下浮的運動方式，故在本次實驗中，上彈簧3 采用倔強系數較大的彈簧，而下彈簧10 采用倔強系數較小的彈簧，且上彈簧3 的預壓力遠大于下彈簧10，成形初期在上彈簧3 和下彈簧10 的共同作用下齒形凹模6 向下運動，一旦齒形凹模6 下行遇到下限位釘11，齒形凹模6 不再下行，此時上壓板1 繼續下行推動齒形上沖頭5 對坯料進行擠壓，上彈簧3 此時受到壓縮，直至成形。實現齒形凹模6 在成形初期下行，而在成形后期不動的運動模式。當加載到1800 kN 時，獲得的齒輪樣件如圖12 所示。

圖12 工藝試驗得到的齒輪樣件Fig.12 Forged gear

從齒輪樣件可以看出:整個齒輪齒形填充非常完好，只是在上下角部擠出多余的坯料，可以通過后續處理去除。可見控制齒形凹模的運動方式對于齒形角部的充填具有重要意義。

由上面分析可知，齒形凹模的不同運動方式對坯料產生了不同方向的摩擦力，影響了主作用力在坯料整個軸向的分布情況，從而影響了變形發生的順序。通過控制齒形凹模的運動方向和速度，就可控制成形在需要發生的部位發生。

5 結論

(1)該裝置通過上下彈簧和上下限位釘，可實現齒形凹模在成形過程中不動、隨沖頭同速運動、隨沖頭運動且速度為沖頭速度的函數等運動方式。

(2)齒形凹模的不同運動方式，對齒形角部充填影響也各不相同，當齒形凹模隨沖頭同速下行時，齒形凹模對坯料的摩擦力向下，有利于下角部的成形;當齒形凹模不動時，齒形凹模對坯料的摩擦力向上，有利于上角部的成形;齒形凹模速度為沖頭的一半時，上下角的充填情況差不多。

(3)當齒形凹模開始隨沖頭下行，而成形后期保持不動時，該種運動方式能有效地改善齒形上下角部的充填，但對成形載荷的影響有限。

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