直齿圆柱齿轮精锻工艺方案的研究

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摘要：列举了11种可用于精锻大厚度直齿圆柱齿轮的精锻工艺方案，通过模拟实验从齿形充满和所需变形力等方面进行比较，分析了各种方案的优缺点和可推广应用的条件，为直齿圆柱齿轮精锻工艺研究提供了可靠的实验根据。
关键词：直齿圆柱齿轮；精锻；工艺方案

一、引言
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直齿圆柱齿轮精锻是一种极具开发前景的新工艺、新技术，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，而且可提高齿轮强度，目前世界上加工技术发达的国家都在积极进行开发研究。本文介绍大厚度(齿厚＞20mm)直齿圆柱齿轮精锻的各种可能的工艺方案，采用实验模拟的方法对各种方案的可行性和适用性进行比较，从中找出便于在生产中推广应用的精锻工艺。本研究以拖拉机减速小齿轮(图1)为精锻对象，利用工业纯铅模拟钢的热锻，用工业纯铝模拟钢的冷锻。实验时，重点掌握各种工艺的齿腔充满效果和完全充满齿腔所需的变形力，作为理论研究和生产性实验的依据。

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图1减速小齿轮零件图(mn＝3.5，z＝15)

二、实验装置与工艺方案模拟实验
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利用图2所示组合式实验装置实现表1所列11种精锻工艺方案。使用的坯料有实心、空心和伞齿轮预成形坯料三类，伞齿轮坯料是用铅在铝合金的阴模内浇铸的，其尺寸由直齿圆柱齿轮尺寸反向推算出。使用的凹模有固定式和浮动式两种，工步数分一步成形和二步成形两类，变形方式有冲孔挤压(冲挤)、镦粗挤压(镦挤)、带芯棒镦挤、分流镦挤、调面镦挤、带毂件复合镦挤等。实验分别在600KN和2000KN液压万能试验机上进行，实验速度为1.5～2mm/min，力—行程曲线由试验机自动记录。

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图2各类组合式实验装置
2 T* `9 m3 Y( n; t1.带台肩冲头2.带内齿凹模镶块3.带外齿下模芯
9 d' T) u  b' o4 Y1 D  c5 I- I4.支承弹簧5.平冲头6.带内孔冲头7.固定有芯棒的带齿下模芯

表1精锻工艺方案
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三、实验结果与分析

表2列出了各工艺方案的实验结果。图3是一部分试样的照片。下面对这些实验结果，从齿腔的充满情况、精锻变形力的大小和工艺操作的难易三个方面进行比较：

(1)工艺方案2和8均具有齿腔充满良好而操作又很方便的优点，但前者锻靠时需要较大的变形力，会降低模具使用寿命，因此建议用于小批量生产。当生产批量较大时，可订购专用空心坯料，利用工艺方案8精锻较合适。

表2精锻工艺方案实验结果
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图3各工艺方案的试样照片
' \0 T' J, z) Q$ O(a)工艺方案1(b)工艺方案2(c)工艺方案4(铅)(d)工艺方案4(铝)(e)工艺方案5
(f)工艺方案6(铝)(g)工艺方案8(铝)(h)工艺方案8(铅)(i)工艺方案11(铅)

(2)比较方案1、2可见：与固定凹模相比，浮动凹模由于利用了齿腔上接触摩擦的有益作用(部分积极摩擦)，精锻时金属先充满下齿腔，然后通过本研究所设计的飞边槽结构保证齿腔上角部的完全充满，但浮动凹模所需的变形力比固定凹模的大。
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( J% @) I  x6 l+ Y3 s  R# T3 ]6 H(3)比较方案1、2、3与4可见：分流工艺能使变形力大大降低，但对流动性能好的铅(模拟热锻)，金属却优先流向内孔而后充满齿腔。相反，对强度高的铝(模拟冷锻)，则可在内孔未闭合下获得充满良好的齿形。因此，分流原理一般不适用于热精锻。

(4)方案9与方案3相比，即使方案9在内孔闭合后齿腔才能完全充满，消耗的材料与方案3相同，但由于变形力小，大大有利于提高模具寿命。所以，为了提高模具使用寿命应优先选用方案9。
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(5)二步成形的工艺方案4、5、6、7和11能大幅度降低变形力，但存在有第二步精锻时已成形的齿部难重新置入凹模齿腔的问题。在大批量生产条件下，这个缺点可通过设计两副精锻模来解决。
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" l# I; G8 p! C4 }0 T# g: d/ h; O(6)作者提出的调面精锻法(方案6)和小芯棒分流精锻法(方案5)均能在降低变形力条件下保证齿腔的良好充满，可以在批量试生产时应用。
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. C% ]6 b8 n; N5 ](7)由网格实验图4可见，方案7齿腔的大部分是在精锻伞齿轮时充满的，因而大大降低了终锻模的变形力，大大提高了终锻模的寿命。但是，利用该方案时，需要根据直齿的尺寸要求反向设计伞齿轮的齿腔尺寸。

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" O; @7 w" h2 M1 I4 |（a）变形前网格形状（b）变形后网格形状
- V. L0 q) E6 V; {- E* G9 k图4由伞齿轮终锻直齿轮时的网格变化

四、结论

(1)大厚度(齿厚＞20mm)直齿圆柱齿轮热精锻工艺的成败，其关键在于齿腔的完全充满。研究表明，在常规变形速度下，通过改进的模具结构(变固定为浮动)、飞边结构(横向加纵向结构)和适度增大变形力，齿腔(特别是齿腔上角部)的充满是可保证的。
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5 K/ F" m. j' R+ a/ \, ?(2)本文通过对11种精锻工艺方案的实验研究和比较，揭示了各种工艺方案(包括凹模浮动与固定、分流成形与不分流和带小芯棒分流成形、空心坯料与实心坯料、一步成形与二步成形等等)的优缺点和金属流动规律，为今后的直齿圆柱齿轮精锻工艺研究(包括理论研究、模具设计和生产性实验等)提供了可靠的实验根据。
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(3)本文根据齿形充满实验结果首次提出的小芯棒分流精锻(方案5)、调面二步成形(方案6)和伞齿冲挤成形(方案7)均能在降低精锻变形力提高模具寿命条件下，保证齿腔的完全充满，适用于批量生产。

(4)方案7是作者在分析直齿轮和伞齿轮的主要差别在于分度圆圆锥角不同的基础上提出的(前者的分度圆锥角为零，后者大于90°；或前者的厚向齿形中心线与齿轮厚度中心线平行而后者则相交成一定角度)，是一种有发展前途的方案，但需对齿形参数的变化作进一步研究。

(5)K.Kondo提出的分流成形原理能降低精锻变形力，但用于直齿圆柱齿轮的热精锻成形时，由于热金属流动性好，金属将优先和更多地流向阻力小的一侧而影响齿腔的充满。
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; K$ S- I9 T# p(6)降低精锻变形力是提高模具寿命的保证。由实验曲线可见，精锻力成倍上升是在充满齿腔上角部的锻靠阶段，因此本研究所提出的调面二步精锻的工艺方案是降低变形力、提高模具寿命有效的工艺方案。
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(7)文献［2］表明，轮毂有利于降低精锻变形力，当V2(毂部体积)／V1(齿部体积)＜1时，金属先充满毂腔，精锻力大；V2／V1＞1时，金属先充满齿腔，精锻力小。