車用主減速器從動(dòng)螺旋傘齒輪鍛造成形工藝研究

王莉霞

【摘 要】本文對(duì)車用主減速器從動(dòng)螺旋傘齒輪幾種成形方法的特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)螺旋傘齒輪鍛造成形工藝及其模腔進(jìn)行了分析，為螺旋傘齒輪鍛造成形工藝的研究提供了參考。

【關(guān)鍵詞】螺旋傘齒輪；鑄造工藝；鍛造工藝；模腔

0.引言

隨著我國(guó)制造業(yè)水平的不斷提升，我國(guó)汽車工業(yè)在向環(huán)保、舒適、節(jié)能、安全等方向發(fā)展。汽車從動(dòng)螺旋傘齒輪作為汽車的重要部件，性能的好壞直接影響汽車的安全和傳動(dòng)效率。其生產(chǎn)工藝的優(yōu)化對(duì)整個(gè)機(jī)械行業(yè)的整體技術(shù)水平提高具有至關(guān)重要的作用。

1.汽車從動(dòng)螺旋傘齒輪成形方法簡(jiǎn)介

1.1鑄造成形法

螺旋傘齒輪長(zhǎng)期采用的加工工藝是鍛造成形法方法，汽車傳動(dòng)的主動(dòng)和從動(dòng)螺旋傘齒輪，其生產(chǎn)工藝是先用鑄造制坯，然后進(jìn)行機(jī)械加工的方法。在長(zhǎng)期的應(yīng)用中，鑄造加工逐漸發(fā)展成一種比較成熟的工藝，并成為主流的工藝[1-3]。但是這種方法的缺點(diǎn)和不足同樣很突出，效率低下，對(duì)材料的浪費(fèi)嚴(yán)重，在切削過(guò)程中，材料內(nèi)部的流線被嚴(yán)重的破壞，極大的影響了齒輪重要部位的抗彎曲坯料的能力，耐磨性和防腐蝕性能也有很大程度的降低，進(jìn)而影響其壽命[4]。其工藝路線如圖一。

圖一

1.2鍛造成形法

鍛造是一種利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。[5]要使車用螺旋傘齒輪節(jié)能降耗、降低成本，需要用鍛造工藝直接生產(chǎn)減速器螺旋傘齒輪，通過(guò)鍛造能消除金屬在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，必須保證工藝的可靠性和可行性，模具壽命是否足夠高以收回成本，其中穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，能不能充滿，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)折疊，脫模性如何[3，4]。用物理模擬的方法進(jìn)行研究顯然是奢侈的，會(huì)浪費(fèi)很大的人力物力，產(chǎn)生大量的模具材料費(fèi)、模具加工費(fèi)、研發(fā)時(shí)間也會(huì)很長(zhǎng)。需利用有限元方法和數(shù)值模擬清晰的顯示成形過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，對(duì)成形缺陷的優(yōu)化更簡(jiǎn)潔。其工藝路線如圖二：

圖二

1.3鑄造鍛造成形方法比較

1.3.1微觀組織性能得到改善

鍛造的特點(diǎn)在于，成形過(guò)程中坯料收到三向壓應(yīng)力作用，促使材料晶粒細(xì)化，提高了組織的致密性，很多缺陷愈合。使得金屬流線都沿著外表面，消除了殘余應(yīng)力，熱處理后齒形基本不會(huì)變形，從而使得齒輪的性能得到提高。從理論上說(shuō)，鍛造后齒輪抗沖擊強(qiáng)度提高了15%，抗彎曲疲勞壽命和強(qiáng)度均能提高20%以上[6]。

1.3.2精度較高

一般齒輪鍛造后不需要機(jī)械加工，或者只要進(jìn)行少量機(jī)械加工就可以進(jìn)入熱處理環(huán)節(jié)，并開始使用。這樣就使得生產(chǎn)效率得到了提高，生產(chǎn)成本相應(yīng)的降低。從理論上說(shuō)，使用精鍛生產(chǎn)齒輪，與通常機(jī)械加工對(duì)照，生產(chǎn)效率能夠翻倍，如果進(jìn)行批量生產(chǎn)，成本會(huì)降低三成以上，材料利用率提高大約40%。從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，如果零件一批生產(chǎn)超過(guò)2000件，精密模鍛的優(yōu)點(diǎn)就十分突出。若現(xiàn)有的鍛造和加熱設(shè)備能夠滿足工藝要求，超過(guò)500件時(shí)便可以采用精密模鍛技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，精鍛的優(yōu)勢(shì)也會(huì)有比較好的體現(xiàn)[7]。

1.3.3與機(jī)械加工方便比較，精鍛可以減少機(jī)床和場(chǎng)地的利用量，而且，研究發(fā)現(xiàn)，精鍛齒輪具有較小的嚙合噪音

綜上所述，精鍛齒輪相比傳統(tǒng)的機(jī)械加工，能夠顯著提高產(chǎn)品性能和節(jié)約成本。

2.車用主減速器從動(dòng)螺旋傘齒輪鍛造成形工藝

車用主減速器從動(dòng)螺旋傘齒輪采用一火兩鍛，工藝流程為：坯料少無(wú)氧化加熱→制坯（鐓粗、 沖孔、 擴(kuò)孔）→粗鍛→精壓→表面清理→車削除齒面以外其他部分→精銑齒面→熱處理→磨內(nèi)孔。這里對(duì)螺旋傘齒輪成型過(guò)程中的制坯、粗鍛、終鍛進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1制坯工步設(shè)計(jì)

在精鍛螺旋傘齒輪時(shí)，坯料形狀和尺寸的選擇極為重要，它不僅影響輪齒成形，而且影響鍛件內(nèi)部質(zhì)量及鍛模壽命。為了確保良好的成形，減少坯料成形初始階段的自由鐓粗的時(shí)間，坯料的外直徑應(yīng)盡量接近齒根圓。根據(jù)體積不變定律，螺旋傘齒輪精鍛成形所用原始坯料的體積和重量應(yīng)當(dāng)與精鍛成形件的體積和重量相等，以及原始坯料的高度L與直徑D之比必須小于2.5的原則[8]。為了使金屬流動(dòng)易于充滿齒形，坯料要預(yù)成形，加工成與鍛件形狀接近的圓錐或圓柱臺(tái)形。設(shè)計(jì)當(dāng)中根據(jù)精鍛成形所用原始坯料的體積和重量應(yīng)當(dāng)與精鍛成形件的體積和重量相等原則，設(shè)計(jì)了預(yù)制坯，預(yù)制坯形狀如圖三所示

圖三 預(yù)制坯實(shí)體模型

2.2粗鍛、終鍛工步設(shè)計(jì)

粗鍛的填充是為了保證終鍛更好的成形，因此在粗鍛時(shí)可適當(dāng)加大過(guò)渡處的圓角，但過(guò)大的圓角有可能在終鍛時(shí)產(chǎn)生折疊，因此必須注意R的選擇， R必須符合式 R1=R+C的要求，其中R為終鍛模腔上相應(yīng)處的圓角半徑。式中的C值按表1選取。

表1 C與h的關(guān)系

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，螺旋傘齒輪在中心分流工藝中上下凸模帶有圓臺(tái)凸臺(tái)的預(yù)鍛件及終鍛件的形狀。依據(jù)螺旋傘齒輪的鍛件圖以及工藝要求，運(yùn)用UG建立的螺旋傘齒輪精鍛模具的實(shí)體模型如圖四所示。

（a）預(yù)鍛件 （b）終鍛件

圖四 預(yù)鍛件及終鍛件圖

2.3模腔的設(shè)計(jì)

（1）為避免預(yù)鍛件放入終鍛型腔中產(chǎn)生折疊和流線交錯(cuò)的缺陷，必須保證預(yù)鍛件和終鍛型腔的匹配，因此預(yù)鍛型腔必須與終鍛型腔匹配。

（2）為保證終鍛的充填，再設(shè)計(jì)預(yù)鍛件時(shí)，一般都是考慮使預(yù)鍛件在終鍛型腔中以鐓粗的方式充填，預(yù)鍛模具的分模面相較終鍛型腔要小一些，連皮尺寸要厚一些。

（3）通常設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)鍛件要比終鍛模膛高度方向高2-5mm[9]，這樣可以使金屬在預(yù)鍛時(shí)高度方向流動(dòng)的阻力減小，保證終鍛時(shí)，型腔的填充。 （下轉(zhuǎn)第210頁(yè)）

（上接第148頁(yè)）（4）預(yù)鍛件放入型腔時(shí)，希望以壓入方式填充終鍛型腔，預(yù)鍛型腔拔模斜度一般與終鍛型腔相同，這樣當(dāng)預(yù)鍛件進(jìn)入終鍛型腔時(shí)，鍛件會(huì)接觸終鍛模腔壁，逐漸流向模腔深處，可以有效防止因?yàn)椴涣己觅N合而產(chǎn)生的折疊和流線不順問(wèn)題。

（5）因?yàn)榻K鍛模膛在更大程度上保證了鍛件的質(zhì)量精度，因此，我們必須保證較大的變形量在預(yù)鍛時(shí)完成，以減少終鍛模具磨損。在設(shè)計(jì)圓角過(guò)渡部位時(shí)，或轉(zhuǎn)角部位時(shí)，一般先在預(yù)鍛模腔上設(shè)置一個(gè)較大的過(guò)度，然后在終鍛模腔上設(shè)置比較準(zhǔn)確的過(guò)度，這樣，可以改善金屬流動(dòng)，減少產(chǎn)生折疊和流線不均勻的問(wèn)題。

（6）對(duì)于鍛件上一些小的凸臺(tái)、凹槽，這些小的結(jié)構(gòu)在終鍛時(shí)就可一次成型，不需要預(yù)鍛時(shí)設(shè)置過(guò)度。有時(shí)設(shè)置過(guò)度反而會(huì)增加缺陷產(chǎn)生的幾率[10]。

3.結(jié)語(yǔ)

目前，世界汽車工業(yè)正向著輕量化、高速、安全、節(jié)能、舒適、低成本、長(zhǎng)壽命與環(huán)境污染小的方向發(fā)展。減速器齒輪作為汽車重要部件，其需求不斷增加，生產(chǎn)方法也不斷發(fā)展，鑄造、鍛造以及各種成形相結(jié)合的各類新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。鍛造齒輪已在制造企業(yè)中得到了廣泛的使用。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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[2]王向東，張寶紅，張治民.直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)，2006，（2）：21-24.

[3]謝此.實(shí)用鍛壓技術(shù)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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