直齒圓柱齒輪雙向鐓擠精密成形工藝對比研究

郭開元，張如華，吳 澤，曾廣元

(南昌大學(xué)機電工程學(xué)院，南昌330031)

直齒圓柱齒輪在汽車、工程機械、機床等領(lǐng)域?qū)儆诤诵牧悴考?］，其質(zhì)量的好壞直接影響著整機的性能.這就要求開發(fā)更能保證質(zhì)量、更高效、更節(jié)材的加工工藝.齒輪精密成形是指鍛造出完整齒形而不需后續(xù)切削加工或僅留有精加工余量的加工方法［2］.與切削加工相比，精密成形不僅材料利用率高、生產(chǎn)率高、成本低，而且具有連續(xù)的纖維流線，抗疲勞性能更好［3］.

針對直齒圓柱齒輪精密成形問題，研究者開發(fā)了浮動凹模成形［4－5］、雙向擠鐓成形［6］、擠脹成形(閉塞模鍛)［7］、徑向擠壓成形［8］、滾軋成形［9－10］、冷擠壓成形［11－13］、溫鍛成形［14－15］、冷鍛成形［16－18］等工藝，這些工藝雖然在改善角隅填充效果方面有一些積極效果，但存在所需模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、要求設(shè)備動作復(fù)雜，成形力大等不足.其中文獻［6］采用的“(有齒凸模)雙向擠鐓一步成形法”對不同模數(shù)的直齒圓柱齒輪進行了5 000件批量考核實驗，結(jié)果模具磨損和精度均保持良好，而且論證了有齒凸模雙向鐓擠成形直齒圓柱齒輪較其單向成形，成形力可降低1/3以上.本文將在該法的基礎(chǔ)上做進一步的優(yōu)化，簡化模具、降低成形力.

1 直齒圓柱齒輪精密成形新工藝研究

根據(jù)直齒圓柱齒輪形狀特點和成形工藝要求，只有壓縮坯料兩端金屬使其軸向流動從而迫使中心處金屬徑向流入型腔成形出齒形體，才能使金屬流程短、能耗小而充滿型腔.可分析出3種成形方法:方案1有齒凸模雙向鐓擠，見圖1(a)，是傳統(tǒng)的雙向鐓擠;方案2非對稱凸模雙向鐓擠，見圖1(b);方案3無齒凸模雙向鐓擠，見圖1(c)(以下分別簡稱方案1、方案2、方案3).

在塑性成形過程中可以通過分析塑性變形力的計算公式而采取相應(yīng)減小成形力的措施［19］.塑性變形力的計算公式為:

式中:K為應(yīng)力狀態(tài)系數(shù);σs為流動應(yīng)力，又稱拘束系數(shù)，A為接觸面積，在主作用力方向上的投影，在零件材料一定的情況下可以通過減小接觸面積來降低成形力.

有、無齒凸模鐓擠時載荷值的不同，主要是由于二者成形過程中坯料上、下端面齒形區(qū)域與上、下凸模接觸面積不同，即坯料上、下端面所受徑向摩擦力Fσ影響不同.如圖1(a)和1(b)(上端面)所示，有齒凸模鐓擠時，坯料端面齒形區(qū)域從初始狀態(tài)到成形結(jié)束一直與凸模有接觸，一直會受到徑向摩擦力Fσ;如圖1(b)(下端面)、1(c)所示，無齒凸模鐓擠時，坯料端面齒形區(qū)域只有在成形終了時才會與凸模有接觸，受到徑向摩擦力Fσ.而且在鐓擠過程中，坯料側(cè)表面所受摩擦力Fτ會隨著充填到模腔的材料越多而變得越大.隨著側(cè)表面摩擦力Fτ的增大，端面徑向摩擦力Fτ就會越大，即成形力越大.

3種方案中，方案1、方案2采用的是整體式凹模，方案3采用的是分體式凹模，需要采用閉塞式模具進行研究，成形裝置如圖1(c)所示.進行閉塞成形的模具有單動緩沖和雙動緩沖2種形式［20］，其基本工作過程為:先將上凹模1與下凹模4閉合形成封閉的模腔，并施加一定的預(yù)緊力.再裝入坯料，對復(fù)動式上凸模1和下凸模5施加一定壓力，使坯料產(chǎn)生多向流動充滿型腔而成形零件.

3種方案中，方案3及方案2中的下凸模采用的無齒形凸模在結(jié)構(gòu)、強度上優(yōu)于傳統(tǒng)方案1中的有齒凸模.相比有齒凸模，無齒凸模加工制造成本更低、修磨更方便.對應(yīng)的凹模也無需做成內(nèi)齒形狀，進一步簡化了模具結(jié)構(gòu).

2 數(shù)值模擬試驗及分析

2.1 數(shù)值模擬參數(shù)的設(shè)定

現(xiàn)以一實體直齒圓柱齒輪(模數(shù)m=2.5、齒數(shù)z=20、齒寬b=20 mm、壓力角α=20°、分度圓直徑d=50 mm，無輪轂－輪輻)為研究對象，對新工藝的金屬填充情況、變形力進行數(shù)值模擬和物理模擬試驗研究.

數(shù)值模擬初始條件為:坯料材料AISI－1045，坯料溫度1 100℃，劃分為200 000個四面體網(wǎng)格，模具溫度350℃，摩擦系數(shù)0.3，上、下凸模運動速度3.4 mm/s.按照步長不超過最小單元邊長的1/3原則設(shè)置模擬步長 0.034 mm/step，共100步，并在完成體積補償設(shè)置后進行數(shù)值模擬.

2.2 填充過程分析

圖2、圖3、圖4依次為3種方案坯料變形過程中若干典型瞬間(凸模壓下量分別為20%、92%、100%)的變形情況.

由圖2～4可見，3種方案成形直齒圓柱齒輪過程中齒型腔均可均勻、順利填充，所成齒形良好.對比圖2、圖3、圖4可知，有齒凸模鐓擠時，坯料端面齒形區(qū)域與凸模從初始狀態(tài)開始就有接觸，直到到成形結(jié)束(圖2、圖3上端);無齒凸模鐓擠時，坯料端面齒形區(qū)域只有在成形終了時才會與凹模有接觸(圖2下端、圖4壓下量92%時).坯料端面齒形區(qū)域與凸(凹)模的接觸區(qū)域變化符合上述端面摩擦力分析.

圖2 有齒凸模雙向鐓擠填充過程Fig.2 Filling process of two-way upsetting-extrusion with tooth shape punch:(a)20%lower pressure;(b)92%lower pressure;(c)100%lower pressure

圖3 非對稱凸模雙向鐓擠填充過程Fig.3 Filling process of two-way upsetting-extrusion with asymmetrical punch:(a)20%lower pressure;(b)92%lower pressure;(c)100%lower pressure

圖4 無齒凸模雙向鐓擠填充過程Fig.4 Filling process of two-way upsetting-extrusion with toothless punch:(a)20%lower pressure;(b)92%lower pressure;(c)100%lower pressure

2.3 載荷－行程曲線分析

圖5 為3種成形方案載荷－行程曲線，三者變化規(guī)律類似.分析曲線的變化過程可得出整個齒形體的成形過程大致可以分為3個階段:自由變形階段、充滿階段、角隅充填階段.

圖5 3種方案載荷－行程曲線Fig.5 Load-stroke curve of three kinds of schemes:(a)two-way upsetting-extrusion with tooth shape punch;(b)two-way upsetting-extrusion with asymmetrical punch;(c)two-way upsetting-extrusion with toothless punch

自由變形階段:因坯料尺寸略小于凹模齒型腔尺寸，故從初始狀態(tài)到坯料表面金屬與凹模齒型腔開始接觸為止是自由變形過程，這個階段屬于局部加載，整體受力，整體變形，載荷曲線平緩上升.充滿階段:從坯料與齒型腔接觸開始到齒型腔中間部分基本完成填充，這個階段齒型腔逐漸、均勻地被充滿，持續(xù)時間最長，載荷曲線緩慢上升.曲線的斜率在后較初期逐漸增大，說明成形力增大的越來越快，金屬流動越來越困難.角隅充填階段:這個階段凸模的行程量很小，但是載荷曲線卻迅速上升.主要是由于上階段齒型腔已基本充滿，這個階段主要是為了完成齒型腔兩端角隅部分的填充，故繼續(xù)鐓擠，成形力會迅速上升直至達到最大.

對比圖5(a)、5(b)、5(c)可知，無齒凸模鐓擠比有齒凸模鐓擠載荷值明顯下降，其中無齒凸模雙向鐓擠較有齒凸模雙向鐓擠，上、下凸模載荷值下降約55%;無齒凸模雙向鐓擠較非對稱凸模雙向鐓擠，上、下凸模載荷值分別下降約50%、38%.與理論分析相符.

2.4 等效應(yīng)力場分析

圖6為3種方案成形直齒圓柱齒輪后的等效應(yīng)力分布.

圖6 3種方案等效應(yīng)力場分布Fig.6 Distribution of effective-stress of three kinds of schemes:(a)two-way upsetting-extrusion with tooth shape punch;(b)two-way upsetting-extrusion with asymmetrical punch;(c)two-way upsetting-extrusion with toothless punch

圖6 可以看出，應(yīng)力最大區(qū)主要產(chǎn)生于齒形的側(cè)表面及兩端的齒根處，這是由于坯料變形過程中齒輪中間部分最先成形，坯料兩端圓柱部分的金屬都需經(jīng)過兩端齒根處的圓周區(qū)域才能進入齒型腔，這與實際鐓擠過程中的變形規(guī)律相吻合.3種方案中，方案3的等效應(yīng)力最大值最小，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒形的齒根角隅處，約366 MPa.等效應(yīng)力變化正常，無破壞現(xiàn)象出現(xiàn).

3 物理模擬實驗

由以上分析可知，方案3是3種方案中工藝設(shè)計最合理的一種，為檢驗其數(shù)值模擬的可靠性，設(shè)計并加工了雙向鐓擠模具，裝配關(guān)系見圖1(a)、1(b)，成形模具如圖7所示.

以鉛坯料為實驗材料進行了物理模擬實驗，根據(jù)數(shù)值模擬計算好的預(yù)制坯料體積與齒型腔體積，當上、下凸模走完行程3.4 mm(模擬步長0.034 mm/step，共100 步)時，停止鐓擠，回程卸料依次上、下凸模.圖8(a)是坯料;圖8(b)是一次失敗的結(jié)果，主要原因是上、 下凹模預(yù)緊力不夠，導(dǎo)致部分金屬從二者縫隙流出;最后得到的直齒圓柱齒輪如圖8(c)所示，輪齒充填飽滿，輪廓清晰，表面光潔，無折疊等缺陷，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合.所獲得的直齒圓柱齒輪表面有少許毛刺，后續(xù)還需要少量機械加工來提高精度以達到實際使用要求.

圖7 實驗?zāi)＞邎DFig.7 Diagram of experiment die

圖8 物理實驗過程Fig.8 Process of physical experiment:(a)blank;(b)failed test-piece of spur gear;(c)final test-piece of spur gear

4 結(jié)論

1)優(yōu)化工藝“無齒凸模雙向鐓擠精密成形新工藝”成形直齒圓柱齒輪過程中齒型腔可順利填充，所成齒形良好.載荷曲線變化正常，變形過程可大致劃分為自由變形、充滿、角隅充填3個階段.

2)通過數(shù)值模擬分析、對比研究發(fā)現(xiàn)，采用無齒凸模鐓擠成形直齒圓柱齒輪在載荷方面優(yōu)于有齒凸模鐓擠成形，其中無齒凸模雙向鐓擠較有齒凸模雙向鐓擠，上、下凸模載荷下降約55%;無齒凸模雙向鐓擠較非對稱凸模雙向鐓擠，上、下凸模載荷分別下降約50%、38%.

3)無齒凸模在模具結(jié)構(gòu)方面優(yōu)于有齒凸模，無齒凸模較有齒凸模加工制造成本更低、修磨更方便.對應(yīng)的凹模也無需做成內(nèi)齒形狀，進一步簡化了模具結(jié)構(gòu).

4)提出了優(yōu)化的成形新工藝:無齒凸模雙向鐓擠精密成形新工藝，等效應(yīng)力為3種方案中最小，變化正常，無破壞現(xiàn)象出現(xiàn).物理實驗成形出了完好的直齒圓柱齒輪試件，對模擬實驗進行了驗證.

5)分析了端面摩擦力對成形過程載荷的影響，此結(jié)論可以推廣到其他齒輪類零件的精密成形中，可為類似研究提供參考.