直齿锥齿轮精密锻造工艺与模具设计

摘要

　　用精锻工艺生产齿轮,不仅具有节材、节能、低成本、高效率等显着优势,而且可以显着提高齿轮的耐磨损、抗腐蚀能力及根部的弯曲强度,明显改善齿轮的疲劳性能。因此,使用精锻工艺生产齿轮已成为齿轮制造业的发展趋势。直齿锥齿轮由于其本身的结构特点,其精锻技术在生产中的应用最早。目前,直齿锥齿轮的精锻技术已经比较成熟,可以根据锥齿轮的模数大小和材质来选择合理的精锻工艺。

　　采用“一火两锻”工艺成形大模数直齿锥齿轮已得到广泛应用,该工艺总体上来说比较成熟,但由于轮齿部分变形量大,成形过程中常常出现齿腔充不满和成形载荷过大,齿模过早失效的问题。此外采用“一火两锻”工艺成形锥齿轮,影响齿面精度的因素较多,造成齿形设计困难,齿面精度难于保证。针对以上问题,本文对行星齿轮和半轴齿轮的“一火两锻”工艺进行研究,设计了锻件、预锻件和预制坯的形状与尺寸。在预锻件设计时,对锥齿轮的轮齿设计进行改进,将预锻件的轮齿设计为不等顶隙收缩齿,与锻件的双重收缩齿相比,增大了齿高。

　　齿形设计在精锻锥齿轮中占有很重要的地位。本文建立了渐开线齿形曲线参数方程,锥齿轮的基本齿形参数一旦确定,利用UG的曲线命令可以方便准确地绘出锥齿轮渐开线齿形图。研究了锻件齿形、模具齿形和电极齿形间的关系,推导出了它们基本齿形参数间的数学关系式,可以方便有效地实现锥齿轮精锻齿形设计。最后提出了非线性膨胀热锻件齿形设计新模型,给出了其齿形曲线方程。

　　预锻行星齿轮时,预制坯的高径比对改善轮齿的充填性能,提高齿模寿命具有重要意义。使用Deform一3D软件对不同高径比的预成形方案进行三维有限元数值模拟,研究了行星齿轮预成形时的等效应变、等效应变速率、等效应力、速度分布规律以及载荷一行程曲线,通过对比分析确定了最佳方案。终锻锥齿轮时,预锻件形状是影响终锻齿形充填和成形载荷的一个重要因素。使用有限元软件Deform一3D对行星齿轮和半轴齿轮的终锻成形过程进行三维有限元数值模拟,模拟结果表明本文设计的预锻件形状,可有效地改善金属充填齿腔的顺序。金属首先充满齿顶,然后由齿顶到齿面,最后充填齿根,可以避免锻件齿顶充不满的情况,在较低的成形载荷下得到齿形充填饱满的锻件。

　　根据工艺设计和数值模拟结果,设计了“一火两锻”成形锥齿轮的预锻、终锻两套模具结构,该模具可以保证上下模导向准确,锻件脱模顺利。讨论了齿模设计和加工要点,简要介绍了模具材料的选择和提高齿模寿命的途径。

　　关键词：锥齿轮;精密模锻;齿形设计;数值模拟

　　齿轮在机械产品中应用广泛,加工技术繁多。使用切削加工方法生产齿轮存在着由于金属纤维被切断而使轮齿强度降低,材料利用率低等问题。而采用精密锻造工艺生产齿轮,由于齿廓是非常致密的锻造组织,且金属纤维组织沿齿形分布,轮齿的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度和耐冲击性明显高于切削件,大大提高了齿轮的机械性能和使用寿命。此外,使用精锻工艺生产齿轮还具有材料利用率高,生产效率高等优势。因此利用精锻工艺代替切削加工生产齿轮已成为全球趋势,国内外机械制造行业正在不断研究开发齿轮精锻新技术[l][2]。

　　精锻齿轮其轮齿不需要进行机加工便可直接应用,故要求锻造后的轮齿具有较高的形状准确度和尺寸精确度。精锻齿轮的轮齿精度由齿模型腔决定,考虑到热因素、弹性因素以及高温二次氧化的影响,齿模型腔齿形与锻件齿形并不完全一致。为保证型腔精度,采用电极加工齿模型腔,考虑到电加工时,电极烧损和放电间隙的存在,电极齿形与齿模型腔齿形也不一致。齿形设计在精锻齿轮中占有很重要的地位,同时由于影响齿形设计的因素较多,齿形设计也是齿轮精锻技术的一个难点。

　　齿轮精锻属于三维非稳态塑性成形过程,既存在材料非线性,又有几何非线性,变形机制十分复杂,而且接触边界和摩擦边界也难于处理,因此采用传统的方法分析齿轮精锻过程有其局限性。随着计算机技术的发展,有限元模拟技术已成为分析复杂成形过程的有力工具。通过对齿轮精锻成形工艺进行有限元仿真,可获得变形过程的材料流动分布、应力应变分布、成形载荷、几何尺寸变化以及成形件几何质量和缺陷,利用这些信息可以对锻造工艺和模具设计进行评估,并为成形方案的确定和工艺参数的选择提供有效的依据[3l。因此,有限元模拟技术己成为分析齿轮精锻成形过程、验证设计方案和优化工艺模具参数的最有效方法。

　　金属体积成形是一个复杂的塑性大变形过程,即存在材料在塑性变形状态下的本构关系非线性(应力和应变之间的非线性),又存在大变形引起的几何非线性(应变与位移之间的非线性),再加上边界条件的非线性,对体积成形问题进行精确求解是非常困难的。以往,人们大多采用比较近似的数值分析方法,如主应力法、滑移线法、能量法、N一S法、Hillde一般解法,需要做出较多的简化和假设,这样就导致分析结果与实际情况相差较远,在解决稍微复杂的问题时,无法满足理论分析和工程实际需要,目前很少用于金属塑性成形分析。而随着塑性有限元理论和计算机技术的发展,有限元数值模拟在金属塑性成形分析中的应用受到广泛重视。

　　有限元法对金属塑性成形问题的分析具有以下优点[26]:适合于各类金属塑性成形过程的分析,不受具体成形问题的限制:能提供丰富的单元类型,从而具备很高的边界拟和精度,同时也使复杂成形过程的分析成为可能;能够较全面的考虑多种因素对成形过程的影响,如温度、摩擦润滑条件、材料特性、变形速度以及模具的几何形状等;能够在假设条件少的前提下提供相近的变形力学信息,如应力、应变和温度场的分布,金属塑性流动规律,成形载荷等力能参数,这些信息可对工艺过程进行优化和控制。

　　齿轮几何形状复杂、产品的尺寸精度、表面质量、组织性能、机械性能要求严格。其成形难度大、充填过程复杂、材料流动性差、影响因素多、成形载荷大、产品质量与模具寿命不易保证,严重影响其实用化进程。使用试验的方法对齿轮精锻过程进行分析由于模具材料、精密加工及设备能力要求等原因费用昂贵、工作量浩大,并且物理模拟与试验分析都有局限性。使用传统的力学分析方法对这类复杂的成形过程难以奏效,可见对齿轮精锻成形过程进行数值模拟分析是十分必要的。

　　直齿锥齿轮精密锻造工艺设计：

锥齿轮零件图

锥齿轮锻件图

分模面与机械加工余量示意图

锥齿轮预锻件图

锥齿轮大端齿形图

行星齿轮预锻几何模型

行星齿轮终锻几何模型

半轴齿轮预锻几何模型

半轴齿轮终锻几何模型

方案B不同压下量时的速度场分布

目录

　　摘要
　　ABSTRACT
　　符号说明
　　第一章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 齿轮精锻国内外研究现状
　　　　1.3 数值模拟技术在齿轮精锻中的应用
　　　　1.4 直齿锥齿轮精锻工艺现状
　　　　　　1.4.1 摩擦压力机开式模锻工艺
　　　　　　1.4.2 摆动辗压机开式冷锻工艺
　　　　　　1.4.3 复动模锻造工艺
　　　　1.5 本课题研究的主要内容及意义
　　第二章 刚塑性/刚粘塑性有限元基础理论
　　　　2.1 概述
　　　　2.2 刚塑性/刚粘塑性有限元基本方程
　　　　2.3 刚塑性/刚粘塑性有限元变分原理
　　　　2.4 有限元模拟软件Deform一3D
　　　　　　2.4.1 Deform简介
　　　　　　2.4.2 Deform一3D的系统结构
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 直齿锥齿轮精锻工艺设计
　　　　3.1 锻造工序设计
　　　　　　3.1.1 “一火两锻”锻造工艺
　　　　　　3.1.2 锻件设计巧
　　　　　　3.1.3 预锻件设计
　　　　　　3.1.4 预制坯设计
　　　　　　3.1.5 飞边槽设计
　　　　3.2 精锻成形力计算和设备型号选择
　　　　　　3.2.1 摩擦压力机精锻的优点
　　　　　　3.2.2 精锻成形力计算
　　　　　　3.2.3 设备型号选择
　　　　3.3 锥齿轮精锻中的其它关键技术
　　　　　　3.3.1 下料方法的确定和下料设备的选择
　　　　　　3.3.2 加热设备的选择与加热规范的制订
　　　　　　3.3.3 润滑剂的选择
　　　　　　3.3.4 氧化皮去除方法的选择
　　　　　　3.3.5 锻件冷却方法的选择
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 直齿锥齿轮精锻齿形设计
　　　　4.1 渐开线齿形曲线方程
　　　　　　4.1.1 建立渐开线齿形曲线方程
　　　　　　4.1.2 应用实例
　　　　4.2 精锻直齿锥齿轮齿形设计
　　　　　　4.2.1 锻件齿形设计
　　　　　　4.2.2 模具齿形设计
　　　　　　4.2.3 电极齿形设计
　　　　4.3 非线性膨胀热锻件齿形设计新方法
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 直齿锥齿轮精锻数值模拟
　　　　5.1 有限元模型的建立
　　　　　　5.1.1 力学模型
　　　　　　5.1.2 几何造型
　　　　5.2 行星齿轮锻造过程有限元模拟
　　　　　　5.2.1 模拟工艺参数的设定
　　　　　　5.2.2 预锻模拟结果及分析
　　　　　　5.2.3 终锻模拟结果及分析
　　　　5.3 半轴齿轮锻造过程有限元模拟
　　　　　　5.3.1 模拟工艺参数的设定
　　　　　　5.3.2 预锻模拟结果及分析
　　　　　　5.3.3 终锻模拟结果及分析
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 直齿锥齿轮精锻模具设计
　　　　6.1 行星齿轮模具设计
　　　　　　6.1.1 预锻模具结构特点
　　　　　　6.1.2 终锻模具结构特点
　　　　6.2 半轴齿轮模具设计
　　　　　　6.2.1 预锻模具结构特点
　　　　　　6.2.2 终锻模具结构特点
　　　　6.3 齿模的设计与加工
　　　　6.4 模具材料的选择
　　　　6.5 本章小结
　　第七章 结论与展望
　　　　7.1 结论
　　　　7.2 展望
　　参考文献
　　致谢

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