直齒圓柱齒輪精鍛工藝方案的研究

摘要：列舉了11種可用于精鍛大厚度直齒圓柱齒輪的精鍛工藝方案，通過模擬實(shí)驗(yàn)從齒形充滿和所需變形力等方面進(jìn)行比較，分析了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)和可推廣應(yīng)用的條件，為直齒圓柱齒輪精鍛工藝研究提供了可靠的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。
關(guān)鍵詞：直齒圓柱齒輪；精鍛；工藝方案

一、引言

直齒圓柱齒輪精鍛是一種極具開發(fā)前景的新工藝、新技術(shù)，它不僅可使齒輪加工的材料利用率由目前的40%左右提高到70%以上，而且可提高齒輪強(qiáng)度，目前世界上加工技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家都在積極進(jìn)行開發(fā)研究。本文介紹大厚度(齒厚＞20mm)直齒圓柱齒輪精鍛的各種可能的工藝方案，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法對(duì)各種方案的可行性和適用性進(jìn)行比較，從中找出便于在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的精鍛工藝。本研究以拖拉機(jī)減速小齒輪(圖1)為精鍛對(duì)象，利用工業(yè)純鉛模擬鋼的熱鍛，用工業(yè)純鋁模擬鋼的冷鍛。實(shí)驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)掌握各種工藝的齒腔充滿效果和完全充滿齒腔所需的變形力，作為理論研究和生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。

圖1減速小齒輪零件圖(mn＝3.5，z＝15)

二、實(shí)驗(yàn)裝置與工藝方案模擬實(shí)驗(yàn)

利用圖2所示組合式實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)表1所列11種精鍛工藝方案。使用的坯料有實(shí)心、空心和傘齒輪預(yù)成形坯料三類，傘齒輪坯料是用鉛在鋁合金的陰模內(nèi)澆鑄的，其尺寸由直齒圓柱齒輪尺寸反向推算出。使用的凹模有固定式和浮動(dòng)式兩種，工步數(shù)分一步成形和二步成形兩類，變形方式有沖孔擠壓(沖擠)、鐓粗?jǐn)D壓(鐓擠)、帶芯棒鐓擠、分流鐓擠、調(diào)面鐓擠、帶轂件復(fù)合鐓擠等。實(shí)驗(yàn)分別在600KN和2000KN液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)速度為1.5～2mm/min，力—行程曲線由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄。

圖2各類組合式實(shí)驗(yàn)裝置
1.帶臺(tái)肩沖頭2.帶內(nèi)齒凹模鑲塊3.帶外齒下模芯
4.支承彈簧5.平?jīng)_頭6.帶內(nèi)孔沖頭7.固定有芯棒的帶齒下模芯

表1精鍛工藝方案

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表2列出了各工藝方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3是一部分試樣的照片。下面對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從齒腔的充滿情況、精鍛變形力的大小和工藝操作的難易三個(gè)方面進(jìn)行比較：

(1)工藝方案2和8均具有齒腔充滿良好而操作又很方便的優(yōu)點(diǎn)，但前者鍛靠時(shí)需要較大的變形力，會(huì)降低模具使用壽命，因此建議用于小批量生產(chǎn)。當(dāng)生產(chǎn)批量較大時(shí)，可訂購(gòu)專用空心坯料，利用工藝方案8精鍛較合適。

表2精鍛工藝方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(i)
圖3各工藝方案的試樣照片
(a)工藝方案1(b)工藝方案2(c)工藝方案4(鉛)(d)工藝方案4(鋁)(e)工藝方案5
(f)工藝方案6(鋁)(g)工藝方案8(鋁)(h)工藝方案8(鉛)(i)工藝方案11(鉛)

(2)比較方案1、2可見：與固定凹模相比，浮動(dòng)凹模由于利用了齒腔上接觸摩擦的有益作用(部分積極摩擦)，精鍛時(shí)金屬先充滿下齒腔，然后通過本研究所設(shè)計(jì)的飛邊槽結(jié)構(gòu)保證齒腔上角部的完全充滿，但浮動(dòng)凹模所需的變形力比固定凹模的大。

(3)比較方案1、2、3與4可見：分流工藝能使變形力大大降低，但對(duì)流動(dòng)性能好的鉛(模擬熱鍛)，金屬卻優(yōu)先流向內(nèi)孔而后充滿齒腔。相反，對(duì)強(qiáng)度高的鋁(模擬冷鍛)，則可在內(nèi)孔未閉合下獲得充滿良好的齒形。因此，分流原理一般不適用于熱精鍛。

(4)方案9與方案3相比，即使方案9在內(nèi)孔閉合后齒腔才能完全充滿，消耗的材料與方案3相同，但由于變形力小，大大有利于提高模具壽命。所以，為了提高模具使用壽命應(yīng)優(yōu)先選用方案9。

(5)二步成形的工藝方案4、5、6、7和11能大幅度降低變形力，但存在有第二步精鍛時(shí)已成形的齒部難重新置入凹模齒腔的問題。在大批量生產(chǎn)條件下，這個(gè)缺點(diǎn)可通過設(shè)計(jì)兩副精鍛模來解決。

(6)作者提出的調(diào)面精鍛法(方案6)和小芯棒分流精鍛法(方案5)均能在降低變形力條件下保證齒腔的良好充滿，可以在批量試生產(chǎn)時(shí)應(yīng)用。

(7)由網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)圖4可見，方案7齒腔的大部分是在精鍛傘齒輪時(shí)充滿的，因而大大降低了終鍛模的變形力，大大提高了終鍛模的壽命。但是，利用該方案時(shí)，需要根據(jù)直齒的尺寸要求反向設(shè)計(jì)傘齒輪的齒腔尺寸。

（a）變形前網(wǎng)格形狀（b）變形后網(wǎng)格形狀
圖4由傘齒輪終鍛直齒輪時(shí)的網(wǎng)格變化

四、結(jié)論

(1)大厚度(齒厚＞20mm)直齒圓柱齒輪熱精鍛工藝的成敗，其關(guān)鍵在于齒腔的完全充滿。研究表明，在常規(guī)變形速度下，通過改進(jìn)的模具結(jié)構(gòu)(變固定為浮動(dòng))、飛邊結(jié)構(gòu)(橫向加縱向結(jié)構(gòu))和適度增大變形力，齒腔(特別是齒腔上角部)的充滿是可保證的。

(2)本文通過對(duì)11種精鍛工藝方案的實(shí)驗(yàn)研究和比較，揭示了各種工藝方案(包括凹模浮動(dòng)與固定、分流成形與不分流和帶小芯棒分流成形、空心坯料與實(shí)心坯料、一步成形與二步成形等等)的優(yōu)缺點(diǎn)和金屬流動(dòng)規(guī)律，為今后的直齒圓柱齒輪精鍛工藝研究(包括理論研究、模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)等)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。

(3)本文根據(jù)齒形充滿實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次提出的小芯棒分流精鍛(方案5)、調(diào)面二步成形(方案6)和傘齒沖擠成形(方案7)均能在降低精鍛變形力提高模具壽命條件下，保證齒腔的完全充滿，適用于批量生產(chǎn)。

(4)方案7是作者在分析直齒輪和傘齒輪的主要差別在于分度圓圓錐角不同的基礎(chǔ)上提出的(前者的分度圓錐角為零，后者大于90°；或前者的厚向齒形中心線與齒輪厚度中心線平行而后者則相交成一定角度)，是一種有發(fā)展前途的方案，但需對(duì)齒形參數(shù)的變化作進(jìn)一步研究。

(5)K.Kondo提出的分流成形原理能降低精鍛變形力，但用于直齒圓柱齒輪的熱精鍛成形時(shí)，由于熱金屬流動(dòng)性好，金屬將優(yōu)先和更多地流向阻力小的一側(cè)而影響齒腔的充滿。

(6)降低精鍛變形力是提高模具壽命的保證。由實(shí)驗(yàn)曲線可見，精鍛力成倍上升是在充滿齒腔上角部的鍛靠階段，因此本研究所提出的調(diào)面二步精鍛的工藝方案是降低變形力、提高模具壽命有效的工藝方案。

(7)文獻(xiàn)［2］表明，輪轂有利于降低精鍛變形力，當(dāng)V2(轂部體積)／V1(齒部體積)＜1時(shí)，金屬先充滿轂腔，精鍛力大；V2／V1＞1時(shí)，金屬先充滿齒腔，精鍛力小。