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座人齿轮精密成形技术的研究

发布时间:2021-10-22 10:47:02 阅读: 来源:分散机厂家

齿轮精密成形技术的研究

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,但作用反应了材料对力的作用的承受能力不很明显。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2年前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、工艺应冷静分析存在的增速放缓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,心部金属重叠导致格发生畸变,零件为次品

*2出现了双鼓现象,金属重叠导致格发生畸变,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%。

采用紫铜毛坯制成带 25mm分流孔的毛坯,对成形过程进行工艺试验,毛坯表面采用动物油脂润滑,当工作载荷达到2800kN时得到了如图5所示的齿轮样件。

图5 孔径为f25mm的样件

样件中心孔刚好闭合;齿形填充情况具有采用普通强制浮动凹模进行精锻成形的典型特征,齿轮毛坯的下角部充填非常完全,而且在凹模的强制带动下还形成了很大的毛刺;中部填充也较好,但边角部稍圆浑;齿坯的上角部圆角较大。

上述特征和数值模拟结果吻合,说明数值模拟的结果比较可靠。

3.2 浮动凹模可调模具成形

采用浮动凹模时,由于摩擦力的作用,齿坯充填不均匀,一边充填作用则较好;而另一边充填作用较弱。因此可以使浮动凹模在整个精锻过程中是可调的,开始时先下移,到一定程度后再上移,使齿坯的上下角部齿形都有机会得到良好的充填。而且由于齿形充填均匀,将导致成形载荷的降低,减少无用功。

模具结构如图6示,材料为15钢(冷态),工作速度为2mm/s,摩擦因子为0.3。毛坯仍采用带 25分流方案,模拟其成形过程。当工作载荷为5691kN、行程为15mm时得到填充完好的工件。

图6 试验模具简图

从图7可以看出,整条曲线只在打靠阶段才陡升,上升趋势较平缓。齿轮成形载荷也有所降低,比强制浮动凹模结构的成形载荷约降低12.8%。

图7 力-行程曲线

试验条件如2.1节所述,但采用凹模运动方式可调,先下移8.6mm,再上移0.6mm,加载至2800kN获得的紫铜齿轮件如图8。

图8 工艺试验得到的齿轮样件

从齿轮样件可以看出:整个齿轮齿形填充非常完好。而采用单纯浮动凹模,在2800kN时,都无法得到如此清晰的齿轮件(见图5),上角部齿形远未充满。

4 结 论

1)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,载荷比实心毛坯降低约2%左右。

2)采用浮动凹模浮动模式可调的齿轮精锻法,齿形的充填过程比较均匀,因而能在较低载荷下获得充填完全的齿轮,不失为一种较好的齿轮精锻方法。

参考文献

1.林治平,陶泽球等. 直齿圆柱齿轮精锻工艺方案的研究,锻压技术,1999,(2):9

2.K Kondo, K Ohga. Precision cold die forging of a ring gear by divided flow method, Int. J. Mach. nu. fact., 1995,35 (8): 1105

3.N R Chitkara, M A Bhuttr. Near-net shape forging of spur gear forms: an analysis and some experiments, Int. J. Mech. Sci., 1996,39(): 891

4.陈泽中,包忠诩等.直齿圆柱齿轮精锻技术的研究进展. 金属成形工艺,1999,而它采取的就是我们的冲击实验机17(5): 1

5.K Kondo, T Jitsunari, K Ohga. Investigations on cold die forging a gear utilizing divided flow (first report, examination of applicable condition for a gear), Bulletin of JSME, 1985.28(244): 2442(end)

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