高凸臺(tái)圓柱直齒輪冷精鍛成形工藝研究

文/王崗超，石文超，許峰，聶愛琴，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)先進(jìn)塑性成形工程中心

圓柱直齒輪作為傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的關(guān)鍵零件，廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)械工業(yè)、航空航天以及日常用品中。從圓柱直齒輪的形式來看，高凸臺(tái)圓柱直齒輪是其中最為常見的一種。與平端面齒輪類零件相比，其鍛造成形更為困難，變形機(jī)理更為復(fù)雜。

高凸臺(tái)圓柱直齒輪目前常用的加工方法是切削加工，材料利用率低、生產(chǎn)效率低，而且由于切斷了原有纖維組織導(dǎo)致零件強(qiáng)度低，需要較復(fù)雜的后續(xù)熱處理，零件成本高，不符合“可持續(xù)發(fā)展”的原則。針對(duì)該類零件，本文采用冷鍛的方法來改進(jìn)現(xiàn)有的機(jī)加工工藝，降低成本、減少資源消耗等。為了解決成形載荷過大、模具壽命低的缺陷，在現(xiàn)有分流思想的基礎(chǔ)上，本文采用局部加載工藝來成形該類零件。

工藝方案提出

帶凸臺(tái)圓柱直齒輪由于其形狀復(fù)雜，成形過程材料流動(dòng)更困難，很難一步成形。所以本文提出兩步成形工藝。工藝流程如下：圓柱形坯料下料→封閉式預(yù)鍛（完成大部分齒腔的充填）→局部加載耦合齒端分流工藝終鍛(反擠凸臺(tái))。

圖1 帶凸臺(tái)圓柱直齒輪冷鍛工藝

圖1為高凸臺(tái)圓柱直齒輪冷精鍛工藝流程示意圖。圖1a為封閉式預(yù)鍛工藝圖，先鍛出平端面圓柱直齒輪，齒形部位不必充滿，在載荷急劇增長(zhǎng)以前或者模具所受壓強(qiáng)不超過2500MPa時(shí)停止加載，以保護(hù)模具。之后將預(yù)鍛件放入到終鍛型腔中，反擠凸臺(tái)，同時(shí)充滿齒腔。圖1b為局部加載耦合齒端分流工藝圖，為了解決載荷過大難題，在終鍛過程中采用環(huán)形上凸模，只對(duì)齒形部位進(jìn)行加載。但是局部加載工藝必然會(huì)降低齒腔充填性能，所以本文還設(shè)計(jì)了齒端分流型腔，以改善齒腔充填性能。另外，為了保證日后批量生產(chǎn)中，預(yù)鍛件能順利地放入到終鍛型腔中，將預(yù)鍛型腔沿齒形法向線均勻收縮0.1mm。

有限元分析

預(yù)鍛有限元分析

⑴預(yù)鍛有限元模型建立。為了研究所提出的兩步成形工藝的合理性，采用DEFORM3D有限元模擬軟件對(duì)其進(jìn)行模擬分析。齒輪參數(shù)為：模數(shù)3mm、齒數(shù)25、高度15mm、凸臺(tái)高度5mm。

首先采用封閉式冷鍛工藝建立預(yù)鍛模型，如圖2所示，上凸模、浮動(dòng)凹模、下凸模組成封閉型腔，上凸模帶動(dòng)浮動(dòng)凹模一起向下運(yùn)動(dòng)，速度為5mm/s。采用剛塑性有限元模型，坯料視為塑性體，選用AISI-4120，模具為剛性體；坯料采用磷化皂化處理后摩擦系數(shù)在0.1左右，所以選取剪切摩擦類型，摩擦系數(shù)為0.1；冷鍛溫度為20℃，忽略熱傳遞效應(yīng)；對(duì)坯料大變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化，最小網(wǎng)格尺寸為0.2mm。

圖2 預(yù)鍛有限模型

⑵預(yù)鍛有限元模擬結(jié)果。圖3為預(yù)鍛模擬結(jié)果，圖3a為典型的封閉式冷鍛工藝的載荷曲線，在最后階段載荷急劇上升，上凸模在圖中A點(diǎn)以后0.1mm行程中，載荷成倍增長(zhǎng)，所以為了保護(hù)模具，并有效地聚集齒形部位的材料，本文取A點(diǎn)為預(yù)鍛結(jié)束點(diǎn)。圖3a中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)載荷值為810kN，模具壓強(qiáng)為2304.5MPa。圖3b為A點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)下的預(yù)鍛件，齒形部位完成了90%以上的成形，僅有齒頂上、下角落未充滿，為終鍛成形聚集了足夠的材料。

圖3 預(yù)鍛模擬結(jié)果

終鍛有限元分析

⑴終鍛有限元模型建立。終鍛有限元模型建立在預(yù)鍛的基礎(chǔ)上，在預(yù)鍛模擬的最后一步建立終鍛模型，如圖4所示。坯料材料、網(wǎng)格、摩擦系數(shù)、上凸模運(yùn)動(dòng)參數(shù)均不變，僅將上凸模換成圖4b所示的結(jié)構(gòu)。上凸模帶有直徑為40mm的內(nèi)孔，內(nèi)孔過渡圓弧R為2mm，在齒端與鍛件齒頂對(duì)應(yīng)的部位開設(shè)4mm×3mm齒端分流槽。

圖4 終鍛有限元模型

⑵有限元結(jié)果分析。圖5為終鍛各個(gè)變形階段的等效應(yīng)變分布圖，圖5a為30%變形量，齒形部位已基本充滿，少量材料被擠入分流槽中，同時(shí)凸臺(tái)部位也得到了一定的成形。圖5b為60%變形量，雖然齒腔部位難充填，材料大部分均流向凸臺(tái)部位，但是齒形部位仍能夠完全充滿，這說明齒腔分流工藝具有較好的改善齒腔充填性能。圖5c為終鍛件，齒形部位充填飽滿，無缺陷。由于凸臺(tái)部位在成形的整個(gè)過程中均為自由表面，故其上端面不平，需少量后續(xù)機(jī)加工。

圖5 鍛件各階段等效應(yīng)變分布圖

圖5還顯示出了鍛件的等效應(yīng)變分布，齒形部位的等效應(yīng)變值遠(yuǎn)大于內(nèi)部其凸臺(tái)部位，同時(shí)凸臺(tái)外表面的等效應(yīng)變也大于內(nèi)部，等效應(yīng)變大表明變形量大，加工硬化嚴(yán)重，晶粒能得到細(xì)化，符合齒輪外部耐磨，內(nèi)部要求高韌性的特點(diǎn)。

圖6為終鍛載荷行程曲線，可以將其分為兩個(gè)階段：⑴B點(diǎn)以前，為了使坯料發(fā)生屈服變形，載荷急劇上升；⑵B點(diǎn)以后，充填齒腔的同時(shí)反擠凸臺(tái)，由于整個(gè)凸臺(tái)頂面均為與模具接觸，始終保持自由表面狀態(tài)，所以載荷基本不變。兩個(gè)齒的載荷最大值為505kN，模具單位壓強(qiáng)為1996.6MPa。

圖6 終鍛載荷-行程曲線

物理試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述模擬結(jié)果的可靠性，研究?jī)刹藉懺旃に嚨暮侠硇裕O(shè)計(jì)簡(jiǎn)易模具，采用鉛試樣進(jìn)行物理試驗(yàn)，其中浮動(dòng)凹模均采用橡膠棒支撐。試驗(yàn)在2000kN壓扭液壓機(jī)上進(jìn)行，壓力機(jī)無法自動(dòng)繪出載荷-行程曲線，但是能調(diào)節(jié)最大成形力，所以本文通過從小到大逐漸提高最大壓力，觀察模具充填情況，能使模膛充填完整的載荷極值為最大成形載荷。為了研究?jī)刹匠尚喂に囋诔尚屋d荷方面的優(yōu)勢(shì)，本文還對(duì)封閉式冷鍛工藝進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

按照模擬中計(jì)算的坯料尺寸進(jìn)行下料，坯料尺寸為φ67mm×20mm，采用鋼質(zhì)環(huán)形件進(jìn)行下料，之后進(jìn)行端面銑削或磨削，銑削過程中要注意夾具的夾緊力，防止鉛質(zhì)坯料發(fā)生變形。

圖7 物理試驗(yàn)結(jié)果

圖7為物理試驗(yàn)結(jié)果，圖7a為預(yù)鍛成形，預(yù)鍛載荷為360kN，而全部充滿時(shí)（封閉式冷鍛）成形載荷為720kN，僅為其1/2，此時(shí)齒形部位已基本成形完畢，如圖7b所示，只有齒頂部位的上下角落仍未充滿，為終鍛聚集了足夠的材料。圖7c和圖7d為終鍛結(jié)果，成形載荷為120kN，僅為封閉式冷鍛的1/6。齒形部位已得到全部充滿，無缺陷。齒形上端面都有一個(gè)小凸臺(tái)，是流入分流槽中的坯料，凸臺(tái)上端面也呈圓鼓形，均需后續(xù)機(jī)加工去除。

物理試驗(yàn)結(jié)果表明，兩步鍛造工藝在不出現(xiàn)過大載荷的情況下就能成形出高凸臺(tái)圓柱直齒輪，也驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。

結(jié)束語

針對(duì)高凸臺(tái)圓柱直齒輪，提出了封閉式預(yù)鍛、局部加載耦合齒端分流終鍛兩步成形工藝，通過數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行研究。結(jié)果表明，局部加載耦合齒腔分流工藝能有效地改善齒腔充填性能，成形出無缺陷的齒輪鍛件，還能極大地降低成形載荷，預(yù)鍛成形載荷僅為封閉式冷鍛的1/2，終鍛成形載荷僅為封閉式冷鍛的1/6。