一種直齒圓柱齒輪精鍛模具設(shè)計(jì)

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1、一種直齒圓柱齒輪精鍛模具設(shè)計(jì)蘇芳(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院福州，350003)摘要：針對(duì)直齒圓柱齒輪冷成形難度大的問(wèn)題，列舉了一種可用于直齒圓柱齒輪的精密成型方案，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，從齒形的填充和所需變形力等方面進(jìn)行了研究。本文設(shè)計(jì)了帶浮動(dòng)凹模的模具裝置，提出了直齒圓柱齒輪精鍛模結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：直齒圓柱齒輪；精密模鍛；模具設(shè)計(jì)目前，精鍛工藝在直齒圓柱齒輪制造方面的應(yīng)用還存在不少困難，有關(guān)這方面的研究成果，尤其是在直齒圓柱齒輪精鍛模具設(shè)計(jì)方面，報(bào)道還不多見(jiàn)。盡管精鍛直齒圓柱齒輪能獲得較好的齒面，但冷鍛在模具結(jié)構(gòu)、設(shè)備噸位等

2、方面的要求很高。采用熱精鍛—冷推擠并用活動(dòng)凹模代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定凹模，利用活動(dòng)凹模的積極摩擦作用，可以保證齒腔角部填充飽滿(mǎn)。本實(shí)驗(yàn)以哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)廠微型汽車(chē)上厚度為11.25mm的減速器齒輪為例，齒輪零件圖如圖1所示，通過(guò)工業(yè)純鉛模擬鋼的鍛造過(guò)程對(duì)組合式模具對(duì)實(shí)心坯料一步?jīng)_擠成形直齒圓柱齒輪的工藝方案進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)掌握該工藝的齒腔充滿(mǎn)效果和完全充滿(mǎn)齒腔所需的變形力，作為理論研究和生產(chǎn)性試驗(yàn)的依據(jù)，來(lái)揭示齒輪精鍛時(shí)金屬的流動(dòng)規(guī)律特點(diǎn)，分析其力學(xué)性能曲線并通過(guò)觀察鍛件的流線分布來(lái)說(shuō)明該方案的可行性。一、模擬實(shí)

3、驗(yàn)裝置由于實(shí)驗(yàn)材料為工業(yè)純鉛，其變形抗力不大，故凸模、凹模、下模塊都選擇45號(hào)鋼。模具熱處理：800℃～850℃，調(diào)質(zhì)處理2～2.5小時(shí)，油冷500℃～550℃，回火處理6～6.5小時(shí)，空冷硬度HRC40～45。內(nèi)齒凹模采用線切割機(jī)床加工。同時(shí)為了節(jié)省材料和加工工時(shí)，也便于裝置的配合，將線切割凹模齒形的余料作為下模塊使用。采用有一定剛度的彈性橡膠支承浮動(dòng)凹模。由于模擬的齒形精度要求不高，凸模、凹模、下模塊采用自身導(dǎo)向。凸模、凹模、模套采用機(jī)油潤(rùn)滑。利用圖2所示組合試驗(yàn)裝置，完成齒形精鍛。圖1齒輪零件圖圖2實(shí)驗(yàn)裝

4、置1.帶內(nèi)齒的凹模2.支承橡膠墊3.凸模4.下模塊4二、坯料的計(jì)算毛坯尺寸除應(yīng)滿(mǎn)足重量要求外，還要選擇適當(dāng)?shù)闹睆?，在體積相同的情況下，毛坯的高徑比不同，金屬充滿(mǎn)型腔的效果也不同。對(duì)于直齒圓柱齒輪選取毛坯直徑與齒根圓直徑相近為宜，因此對(duì)于模擬鍛件小齒輪，根據(jù)現(xiàn)有模具情況取毛坯直徑為φ45.3mm，經(jīng)計(jì)算實(shí)心毛坯高度為20mm。為了分析精鍛齒輪的成形情況，實(shí)驗(yàn)采用帶網(wǎng)格的鉛料來(lái)成形以研究鍛件的填充情況、流線分布等。實(shí)驗(yàn)用鉛料分整體式、軸向分開(kāi)式和橫向分開(kāi)式三種類(lèi)型。用φ50mm的鉛棒在車(chē)床加工完成四塊坯料，線切割將

5、一塊坯料沿直徑分成兩半。為觀察金屬變形流動(dòng)情況，在其中坯料的一個(gè)橫斷面和軸向分開(kāi)式其中一半的切面上畫(huà)3×3mm的正方形網(wǎng)格。如圖3所示。圖3實(shí)驗(yàn)用坯料三、設(shè)備的選擇變形力的計(jì)算：當(dāng)鍛件一次打擊成形時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)確定：p=(35~55)kF總(kN)(1)式中k——材料系數(shù)。F總——鍛件總投影面積系數(shù)（35～55）是綜合考慮材料變形抗力、變形溫度、變形速度、摩擦以及應(yīng)力狀態(tài)等因素而選取的，對(duì)于變形困難，要求生產(chǎn)力高的應(yīng)取上限。所以有：p=40×0.35×3.14×(7.52/2)2=543kN所以，實(shí)驗(yàn)中

6、要用600kN材料試驗(yàn)機(jī)。四、確定壓入量壓入量大小對(duì)于采用閉式模鍛擠出的齒輪精度有直接影響。如果余量太小，齒形填充不滿(mǎn)；如果余量太大則會(huì)增大脹模力，影響擠后齒輪精度和模具壽命。所以應(yīng)當(dāng)進(jìn)行計(jì)算確定，才能滿(mǎn)足齒輪成形要求，又能避免精鍛模早期磨損超差失效，以利于提高模具壽命。根據(jù)模具型腔及周邊結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算在該套模具上推劑量為7.5mm。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析模擬實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了四組，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。4表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果序號(hào)坯料類(lèi)型壓力（kN）行程(mm)成形情況1φ45.3×20mm整體式5127.5齒頂未充滿(mǎn)；下突緣未充

7、滿(mǎn)；出現(xiàn)嚴(yán)重折疊2φ45.3×20mm軸向分開(kāi)式4507.2齒頂未充滿(mǎn)；下突緣未充滿(mǎn)；出現(xiàn)折疊，但較上一次輕微3φ45.3×20mm橫向分開(kāi)式5077齒頂基本充滿(mǎn)；下突緣基本充滿(mǎn)；出現(xiàn)輕微折疊4φ45.3×20mm整體式5007.5齒頂基本充滿(mǎn)；下凸緣基本充滿(mǎn)；出現(xiàn)輕微折疊1.變形階段性分析圖4金屬流線圖4為金屬流線、圖5為第三組模擬實(shí)驗(yàn)變形力與行程的關(guān)系曲線。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直齒圓柱齒輪坯料在擠壓時(shí)金屬的流動(dòng)大致可分為三個(gè)階段：Ⅰ.剛剛開(kāi)始擠壓時(shí)，因坯料與凹模內(nèi)徑之間有微小的間隙，所以金屬變形相當(dāng)于鐓粗，不

8、過(guò)該階段變形量相當(dāng)小，保持時(shí)間相當(dāng)短，如圖5中A段曲線所示。Ⅱ.當(dāng)坯料繼續(xù)變形壓入量繼續(xù)增加時(shí)，曲線隨壓入量的增加逐漸緩步上升，坯料流入凹模齒腔體積和凸、凹模凹腔體積不斷增加，此階段屬于初步填充齒形和填充突緣階段，該階段內(nèi)金屬在型腔里向凹模齒腔流動(dòng)和凸凹模凹腔型腔流動(dòng)，如圖5中B段曲線所示。Ⅲ.當(dāng)壓下量達(dá)到一定值時(shí)，坯料壓入量非常小，而變形力卻急劇上升。這是由于坯料填充凹模齒腔的齒頂部