直齒圓柱齒輪雙向鐓擠精密成形工藝對(duì)比研究

郭開元，張如華，吳 澤，曾廣元

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌330031)

直齒圓柱齒輪在汽車、工程機(jī)械、機(jī)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(jī)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(duì)直齒圓柱齒輪精密成形問題，研究者開發(fā)了浮動(dòng)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(dòng)作復(fù)雜，成形力大等不足.其中文獻(xiàn)［6］采用的“(有齒凸模)雙向擠鐓一步成形法”對(duì)不同模數(shù)的直齒圓柱齒輪進(jìn)行了5 000件批量考核實(shí)驗(yàn)，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(jìn)一步的優(yōu)化，簡(jiǎn)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(diǎn)和成形工藝要求，只有壓縮坯料兩端金屬使其軸向流動(dòng)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(duì)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(jiǎn)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(jì)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(jì)算公式為:

式中:K為應(yīng)力狀態(tài)系數(shù);σs為流動(dòng)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(shí)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(shí)，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(huì)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(shí)，坯料端面齒形區(qū)域只有在成形終了時(shí)才會(huì)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(huì)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(huì)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(jìn)行研究，成形裝置如圖1(c)所示.進(jìn)行閉塞成形的模具有單動(dòng)緩沖和雙動(dòng)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(duì)復(fù)動(dòng)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(dòng)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(qiáng)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(duì)應(yīng)的凹模也無需做成內(nèi)齒形狀，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu).

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)及分析

2.1 數(shù)值模擬參數(shù)的設(shè)定

現(xiàn)以一實(shí)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(duì)象，對(duì)新工藝的金屬填充情況、變形力進(jìn)行數(shù)值模擬和物理模擬試驗(yàn)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(gè)四面體網(wǎng)格，模具溫度350℃，摩擦系數(shù)0.3，上、下凸模運(yùn)動(dòng)速度3.4 mm/s.按照步長(zhǎng)不超過最小單元邊長(zhǎng)的1/3原則設(shè)置模擬步長(zhǎng) 0.034 mm/step，共100步，并在完成體積補(bǔ)償設(shè)置后進(jìn)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(duì)比圖2、圖3、圖4可知，有齒凸模鐓擠時(shí)，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(shí)，坯料端面齒形區(qū)域只有在成形終了時(shí)才會(huì)與凹模有接觸(圖2下端、圖4壓下量92%時(shí)).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(duì)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(gè)齒形體的成形過程大致可以分為3個(gè)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(gè)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(gè)階段齒型腔逐漸、均勻地被充滿，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，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(dòng)越來越困難.角隅充填階段:這個(gè)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(gè)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(huì)迅速上升直至達(dá)到最大.

對(duì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(jìn)入齒型腔，這與實(shí)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(shí)驗(yàn)

由以上分析可知，方案3是3種方案中工藝設(shè)計(jì)最合理的一種，為檢驗(yàn)其數(shù)值模擬的可靠性，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了物理模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算好的預(yù)制坯料體積與齒型腔體積，當(dāng)上、下凸模走完行程3.4 mm(模擬步長(zhǎng)0.034 mm/step，共100 步)時(shí)，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(yàn)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(jī)械加工來提高精度以達(dá)到實(shí)際使用要求.

圖7 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞邎DFig.7 Diagram of experiment die

圖8 物理實(shí)驗(yàn)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(gè)階段.

2)通過數(shù)值模擬分析、對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的凹模也無需做成內(nèi)齒形狀，進(jìn)一步簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)成形出了完好的直齒圓柱齒輪試件，對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證.

5)分析了端面摩擦力對(duì)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.