復(fù)雜曲面齒形徑向鍛造近凈成形工藝的探討

李 坤，趙升噸，張 超，張大偉

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 前言

力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，是黨中央作出的重大戰(zhàn)略決策，“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)創(chuàng)新也成為當(dāng)前討論、研究的熱點(diǎn)。“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要綠色制造業(yè)的發(fā)展，特別是在制造技術(shù)層面上進(jìn)行創(chuàng)新[1-2]。

目前，復(fù)雜曲面齒形的制造工藝主要包括傳統(tǒng)的切削加工和塑性成形加工兩種形式，而我國大部分齒輪生產(chǎn)企業(yè)主要以切削加工為主[3]，且以滾齒加工方法為普遍采用的切削加工方式，如圖1所示。滾齒加工方法會切斷材料的纖維組織，降低零件性能，同時加工效率低、材料浪費(fèi)嚴(yán)重[4]。齒輪的塑性成形加工方法中，常用的多齒軋制方法如圖2a所示，該方法主要適用于漸開線齒輪的加工，對于復(fù)雜曲面齒形零件，由于嚙合關(guān)系復(fù)雜不易確定，滾齒法便不再適用[5]；而圖2b所示的整體擠壓成形方法，由于擠壓力大，對設(shè)備要求很高，不能很好地適應(yīng)綠色制造的發(fā)展理念[6]。

圖1 花鍵軸滾齒成形

圖2 花鍵軸塑性成形工藝

徑向鍛造技術(shù)是一種高端鍛壓近凈成形技術(shù)，主要用于軸管類零件的制坯和成形[7-9]。徑向鍛造技術(shù)采用小進(jìn)給量、高頻鍛打工件的方式成形，可有效減少組織缺陷，降低成型力和能耗，提高鍛造速度，獲得內(nèi)部組織良好、表面品質(zhì)優(yōu)良的鍛件[10]。

因此，本文針對復(fù)雜型面齒形的高效、高性能、綠色制造等問題，提出了單齒徑向鍛造成形復(fù)雜型面齒形新工藝，分別介紹了包覆式錘頭和單齒型錘頭的徑向鍛造方式，并應(yīng)用Forge軟件對兩種成形方式進(jìn)行了有限元仿真分析，探討了兩種不同徑向鍛造工藝成形復(fù)雜型面齒形的合理性，得到了可行的復(fù)雜型面齒形徑向鍛造近凈成形方法。

1 徑向鍛造工藝

徑向鍛造工藝的原理如圖3所示，其工藝成形過程主要由四個基本運(yùn)動配合進(jìn)行[11]：(1)均布于坯料截面上的多個錘頭(一般為四個)沿坯料徑向往復(fù)運(yùn)動，對坯料同步打擊，使坯料發(fā)生塑性變形。(2)在打擊間隙，坯料在夾持裝置的夾持下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。(3)坯料旋轉(zhuǎn)的同時，沿軸向進(jìn)給。(4)錘頭根據(jù)工況需要作徑向進(jìn)給運(yùn)動，以改變錘頭的閉合直徑。通過伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對錘頭運(yùn)動和坯料運(yùn)動的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)軸管類件的精確漸進(jìn)成形。

圖3 徑向鍛造工藝的原理

徑向鍛造技術(shù)具有諸多特點(diǎn)[12]：(1)高頻率、小變形量鍛造，變形阻力小，可使坯料發(fā)生多頭螺旋式延伸變形，并獲得良好的鍛造組織。(2)材料逐漸變形，與錘頭接觸面積大，易鍛透。圖4顯示了徑向鍛造與滾軋成形在材料鍛透性上的對比，可知徑向鍛造相比于滾打、滾軋等塑性成形手段，接觸面積大，變形區(qū)域長，更有利于材料心部鍛透。(3)鍛造組織具有清晰的流線，表面缺陷明顯少于切削，工件的強(qiáng)度、表面硬度可提高20%以上，且為等體積近凈成形，節(jié)約材料。(4)采用溫成形制坯與冷成形精鍛結(jié)合，鍛造工件的精度可達(dá)到精車等級。

圖4 徑向鍛造與滾軋成形的鍛透性對比

徑向鍛造工藝應(yīng)用范圍較廣，通過徑向鍛造可獲得不同形狀的軸類和管類零件[13]：(1)中大直徑長回轉(zhuǎn)體臺階軸、錐形軸，如機(jī)床、汽車、飛機(jī)、坦克、石油鉆挺桿、火車車軸及其他機(jī)械上的實(shí)心軸和錐形軸等。(2)薄壁管形件的縮口、縮徑，如各種汽車橋管、炮彈的縮口，火箭用噴管的縮徑等，如圖5a所示。(3)帶有特定形狀的內(nèi)孔。如帶來復(fù)線的槍管、炮管、內(nèi)花鍵等，如圖5b所示。(4)異型材，如矩形、六邊形、八邊形和十二邊形等多邊形棒材和內(nèi)六方管、三棱刺刀等各種截面形狀零件等。

圖5 徑向鍛造成形的部分零件

徑向鍛造工藝不僅可鍛一般碳鋼、合金鋼、工具鋼、銅合金、鋁合金和鎂合金，尤為適用于對低塑性、高強(qiáng)度的難熔金屬，如鎢、鉬、鈮、鋯、鈦及其高合金、特殊鋼的開坯和鍛造。徑向鍛造工藝可以以鋼錠為原料，將其鍛成圓棒料、方棒料、矩形棒料、各種形狀的軸，也可以鍛造塑性很差的白口鑄鐵、粉末燒結(jié)錠和半固態(tài)成形的坯料等。徑向鍛造工藝既可熱鍛，也可以進(jìn)行溫鍛和冷鍛．達(dá)到少無切削加工[14]。

2 徑向鍛造成形復(fù)雜曲面齒形

目前，關(guān)于徑向鍛造近凈成形外齒形的工藝少有文獻(xiàn)報道，有文獻(xiàn)提出了包覆式錘頭徑向鍛造成形外齒形的工藝[15]。為了將徑向鍛造工藝合理地應(yīng)用于齒形件的近凈成形中，發(fā)揮徑向鍛造工藝在齒形件塑性成形中的優(yōu)勢，將包覆式徑向鍛造工藝和本文提出的單齒型徑向鍛造工藝在齒形成形應(yīng)用中的合理性進(jìn)行分析探討。

2.1 包覆式錘頭徑向鍛造成形

包覆式錘頭徑向鍛造成形工藝如圖6a所示，四錘頭閉合時的示意圖如圖6b所示。夾持裝置將坯料送進(jìn)徑向鍛造錘頭的打擊區(qū)域，四錘頭同時鍛打以成形零件齒形。由于徑向鍛造錘頭為包覆式結(jié)構(gòu)形式，坯料可以只送進(jìn)無需旋轉(zhuǎn)，以成形整個齒形段的齒形。

圖6 包覆式錘頭徑向鍛造工藝

包覆式錘頭徑向鍛造工藝成形過程中，四錘頭只需一次鍛打即完成所有齒的塑性變形，鍛造過程中不涉及頻繁啟停、齒形分度和重復(fù)定位的要求。成形工藝運(yùn)動形式簡單，因此不需要復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)成形中的錘頭打擊運(yùn)動和坯料送進(jìn)運(yùn)動。

2.2 單齒型錘頭徑向鍛造成形

單齒型錘頭徑向鍛造成形工藝，其徑向鍛造錘頭由單個內(nèi)齒形構(gòu)成，四個完全相同的模具齒均布在坯料截面上，錘頭的三維模型如圖7所示。在花鍵軸的徑向鍛造過程中，四個模具齒沿著坯料徑向作高頻鍛打運(yùn)動，坯料在鍛打間隙作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)角度的計算如公式(1)所示，具體旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)實(shí)際工藝過程的需要進(jìn)行調(diào)整。

圖7 單齒型徑向鍛造錘頭三維模型

(1)

式中，α為坯料旋轉(zhuǎn)角度；z為花鍵軸齒數(shù)；n取正整數(shù)。

單齒型徑向鍛造錘頭、通過漸進(jìn)成形的方式成形齒形零件，成形過程中夾持裝置將頻繁啟停操作。同時，單齒型徑向鍛造錘頭工藝對成形中齒形能夠準(zhǔn)確分度提出了更高的要求，為了獲得齒形分度準(zhǔn)確、尺寸精度高的齒形零件，夾持裝置需要精確分度并可實(shí)現(xiàn)重復(fù)定位的功能。圖8為四錘頭單齒鍛造成形44個齒形零件的基本工藝過程，在第一次鍛打后，坯料需要準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)45°進(jìn)行第二次鍛打，以保證齒形零件的準(zhǔn)確分齒，隨后坯料按預(yù)定角度不斷旋轉(zhuǎn)、四錘頭單齒模具不斷鍛打，依次成形出44個齒，齒形件徑向鍛造完成。因此整個過程中夾持裝置需要頻繁啟停、精確分度、重復(fù)定位，需要通過伺服控制系統(tǒng)來完成各項(xiàng)動作。

圖8 單齒型徑向鍛造工藝成形44齒零件的基本工藝過程

2.3 兩種成形工藝合理性分析

應(yīng)用大型有限元商業(yè)軟件Forge對包覆式錘頭徑向鍛造工藝四錘頭同時鍛打過程進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9a可以看出，四錘頭同時鍛打出現(xiàn)了齒形充不滿的缺陷，這是由于在四錘頭同時鍛打時，材料主要從四瓣模具交界處失穩(wěn)而發(fā)生很大流動，且軸向也會產(chǎn)生很大的材料流動，最終導(dǎo)致齒形充不滿。

圖9 包覆式錘頭徑向鍛造工藝有限元仿真結(jié)果

如圖9b四瓣模具交界處局部放大圖所示，包覆式錘頭四錘頭同時鍛打在四瓣模具的交界處會產(chǎn)生很大飛邊，導(dǎo)致四瓣模具交界處模具發(fā)生嚴(yán)重干涉，使得模具不能進(jìn)一步向坯料方向運(yùn)動，因此不能成形出完整齒形。同時由圖9b可以看出，四錘頭同時鍛打時，在四瓣模具交界處發(fā)生很大材料流動，從而在四瓣模具交界處產(chǎn)生很大飛邊，最終導(dǎo)致四瓣模具交界處的齒形輪廓發(fā)生了嚴(yán)重畸變。

圖10為包覆式錘頭徑向鍛造工藝在兩錘頭同時鍛打后退出模具的示意圖。由圖10所示，由于徑向鍛造模具沿徑向朝外方向作直線運(yùn)動退出，退出時模具齒會與坯料已成形齒形發(fā)生干涉，從而導(dǎo)致坯料側(cè)邊已成形齒形被切斷，特別是坯料最側(cè)邊的已成形齒形破壞最嚴(yán)重，如圖10所示。

圖10 包覆式錘頭模具退出示意圖

單齒型錘頭徑向鍛造成形工藝將完全克服包覆式錘頭徑向鍛造工藝存在的不足。應(yīng)用Forge軟件對單齒型錘頭徑向鍛造齒形成形工藝四錘頭同時鍛打過程進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，單齒型錘頭徑向鍛造成形工藝有效成形出了具有合理齒形的齒形件、且模具退出不會切斷齒形。

圖11 單齒型錘頭徑向鍛造工藝有限元仿真結(jié)果

3 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)齒形成形工藝中的切削方法材料浪費(fèi)嚴(yán)重，并且材料纖維組織被切斷而導(dǎo)致零件力學(xué)性能降低；而軋制、整體擠壓等塑性成形方法在成形大模數(shù)齒形時成形力太大，因此均不適用于大規(guī)格花鍵軸的成形。

(2)徑向鍛造工藝因其高頻率、小變形鍛造量的成形特點(diǎn)，成形力相比擠壓工藝小，較滾軋工藝更易鍛透心部，且可獲得內(nèi)部組織良好、表面品質(zhì)優(yōu)良的鍛件。

(3)包覆式錘頭徑向鍛造齒形成形工藝存在四錘頭同時鍛打齒形充不滿，四瓣模具交界處模具發(fā)生干涉，交界處齒形發(fā)生畸變，若齒形充滿模具則分瓣模具退出時齒形被切掉等致命缺點(diǎn)，不能成形出完整合理的齒形。

(4)單齒型錘頭徑向鍛造成形工藝在成形過程中涉及頻繁啟停、精確分度、重復(fù)定位的要求，需要通過伺服控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)動作，且該工藝形式可有效成形出具有合理齒形的齒形件，模具退出不會切斷齒形。