齿轮精密成形技术的研究

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-27 原文发表:2007-06-27 人气:1

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内容摘要:摘要：研究了直齿圆柱齿轮的冷精锻过程，分析了分流孔形状、成形工艺等因素对齿轮成形的影响。结果显示，选择适当的分流孔尺寸可以降低成形载荷，但作用不很明显。采用凹模运动方式可调的齿轮精锻法可以同时兼顾齿轮上、下角部的成形，利于齿轮的填充，降低成形载荷。关键词：直齿圆柱齿轮。

摘要：研究了直齿圆柱齿轮的冷精锻过程，分析了分流孔形状、成形工艺等因素对齿轮成形的影响。结果显示，选择适当的分流孔尺寸可以降低成形载荷，但作用不很明显。采用凹模运动方式可调的齿轮精锻法可以同时兼顾齿轮上、下角部的成形，利于齿轮的填充，降低成形载荷。
关键词：直齿圆柱齿轮；冷精锻；成形工艺
中图分类号：TG316

1 引言

齿轮作为传递运动和动力的最基本零件之一，在工程领域有着非常广泛的应用。采用精锻工艺生产直齿圆柱齿轮是一种极具开发前景的新工艺、新技术，相对传统切削加工方法而言，它不仅可使齿轮加工的材料利用率由目前的40%左右提高到70%以上，而且提高齿轮强度20%以上、生产效率40%左右〔1，2〕。

直齿圆柱齿轮精密成形尽管具有很大的市场应用前景，但由于齿形（特别是上下角隅处）充填困难，需要较大的成形力，引起凹模型腔壁压强过大，导致凹模容易开裂，因此目前尚处于工艺探索和实验室研究阶段［3，4］。本文采用数值模拟结合实验研究方法，系统分析了分流孔毛坯形状、工艺方案等因素对成形的影响，为最终优化工艺实现冷精锻成形奠定了基础。

2 实验设备和实验方法

直齿圆柱齿轮的相关参数如表1所示，实验模具结构见图1。表1 齿轮尺寸
齿轮齿数18模数3mm齿厚25mm压力角20°

实验模具简图
Fig.1 Outline of experiment apparatus 3 试验结果与分析

3.1带分流孔毛坯对齿轮成形的影响

实验所用毛坯尺寸如图2。

（a）孔径f20mm（b）孔径f25mm （c）孔径f30mm
图2 带分流孔毛坯图采用图1所示模具结构，毛坯材料为15钢（冷态）、工作速度为2mm/s、摩擦因子为0.3，通过DEFORM软件对成形过程进行数值模拟，得到表2所示的结果。表2 带分流孔毛坯的数值模拟结果
分流孔径（mm）工作载荷（kN）实际行程（mm）填充情况20 5079.8*118齿轮上角部未充满，分流孔先闭合25645122填充较好，上角部有圆角，分流孔刚好闭合30 4122*227充填不好，分流孔未闭合
*1分流孔提前闭合，心部金属重叠导致网格发生畸变，零件为次品
*2出现了双鼓现象，金属重叠导致网格发生畸变，零件为次品从表中可以看出，在模拟过程中，分流孔径为20mm的毛坯由于分流孔在齿形填充前就已经闭合，从而造成心部金属重叠导致网格发生畸变，模拟过程在齿轮上角部未充满的情况下就退出了计算，这说明分流孔径为20mm的毛坯没有实现分流作用。而对于孔径为25mm的毛坯，中心孔在毛坯进入填充阶段以后才闭合，分流作用能体现出来。孔径为30mm的毛坯由于壁厚太薄，出现了双鼓现象，金属重叠导致网格严重畸变，模拟过程没能完成。

a）孔径为f20mm（b）孔径为f25mm

(c) 孔径为f30mm
图3等效应变图图3为等效应变分布图，从图中可以看出，孔径20mm和25mm毛坯的等效应变表现基本相同，表层的等效应变略大于内部的，说明这两种毛坯的金属向内流动和向外填充齿形的趋势较一致，而孔径30mm毛坯的内孔等效应变大于外圈，说明这种毛坯向齿腔填充的效果不好。3种毛坯镦粗引起的内孔收缩不一样，在齿形还没有较好填充时内孔为f20mm毛坯的孔径基本闭合，内孔为f30mm的毛坯内孔收缩快于外圈填充，而孔径25mm的毛坯则是内孔收缩和齿形填充较好地同步进行。

不同孔径毛坯的力—行程曲线如图4所示。

图4 力-行程曲线从图4可以看出，3条曲线的走势基本相同，在刚开始阶段上升得比较快，行程大于3mm以后曲线比较平缓，工作载荷高于3000kN以后曲线就开始急剧上升。但是细节上各有不同：孔径为f20mm的毛坯由于内孔收缩较快，所以载荷在较小行程时就急剧上升；而孔径为f30mm的毛坯则是由于内孔收缩较慢，载荷迟迟没有进入陡升阶段。孔径为f25mm的毛坯曲线刚好介于其他两条曲线之中。在曲线的最后阶段，由于孔径为f20mm的毛坯内孔提前闭合和孔径为f30mm的毛坯壁厚太薄出现双鼓现象使得模拟未能完成，而造成曲线不完整。孔径为f25mm毛坯的内孔收缩和齿形填充较为协调一致，齿形填充完全时内孔刚好闭合，使得模拟得以完成；同时力-行程曲线在陡升的最后阶段还开始变得平缓，分流作用得到了体现，但作用不很明显，相对无分流孔成形，载荷仅降低了2％。

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