直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)略談
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論文導(dǎo)讀：研究表明要解決上述難題，其中最關(guān)鍵的就是直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性，國內(nèi)外許多學(xué)者對其開展了卓有成效的研究，取得了豐富的成果，但是由于問題的復(fù)雜性，至今還沒有找到一種實(shí)用性強(qiáng)的模具和工藝設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致直齒圓柱齒輪精鍛成形技術(shù)還不能進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段。為滿足凈成形制造工藝的要求，在工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)中，應(yīng)以金屬在精鍛過程中的真實(shí)流動(dòng)規(guī)律和變形力學(xué)特征為基礎(chǔ)，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)化坯料的形狀和尺寸等工藝參數(shù)，目前這一點(diǎn)還很難做到。
關(guān)鍵詞：直齒圓柱齒輪，精密鍛造，模具設(shè)計(jì)，工藝方案
直齒圓柱齒輪精鍛成形是一種極具開發(fā)前景的新工藝、新技術(shù)，相對傳統(tǒng)切削加工方法而言，其可以顯著提高零件的內(nèi)在和表面質(zhì)量，提高材料的利用率，減少加工工時(shí)，降低能耗，同時(shí)可獲得合理的金屬流線分布，提高承載能力[1][,2]。但是由于直齒（或螺旋）圓柱齒輪的高精度要求和漸開線齒形的充填困難、變形抗力大，模具壽命低等許多因素的影響，使得這類零件的精鍛成形至今仍是塑性加工領(lǐng)域的難題。
研究表明要解決上述難題，其中最關(guān)鍵的就是直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性，國內(nèi)外許多學(xué)者對其開展了卓有成效的研究，取得了豐富的成果，但是由于問題的復(fù)雜性，至今還沒有找到一種實(shí)用性強(qiáng)的模具和工藝設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致直齒圓柱齒輪精鍛成形技術(shù)還不能進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段。
1 直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)研究
直齒圓柱齒輪幾何形狀復(fù)雜、產(chǎn)品的尺寸精度要求嚴(yán)格，因此其精鍛成形尤其是冷精鍛成形難度大，成形載荷大、產(chǎn)品質(zhì)量與模具壽命不易保證。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。研究表明合理的模具結(jié)構(gòu)和工藝方案設(shè)計(jì)是解決直齒圓柱齒輪精鍛成形難題的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究。1984 年Kondo K提出帶凸臺(tái)齒輪冷鍛的向心流動(dòng)和離心流動(dòng)條件，對平齊端面的圓柱齒輪冷鍛采取在毛坯或模具上設(shè)減壓孔的措施，來達(dá)到分流減壓的目的[3][4] 。1990 年美國Battle公司利用“推著穿過”原理進(jìn)行了擠壓圓柱齒輪成形的研究[5]。1993 年Ohgqa K 進(jìn)一步論述了分流減壓原理的適用范圍，從而使直齒圓柱齒輪分流精鍛技術(shù)更加完善[6]。Nagai Y 提出將預(yù)制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施，即通過拉延、整形、變薄拉延和壓縮這四個(gè)工步實(shí)現(xiàn)具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形[7]。
60 年代，國內(nèi)有人對直齒圓柱齒輪精鍛工藝做過探索，用高速錘精鍛直齒圓柱齒輪,由于鍛件精度低、模具壽命低等原因而未能應(yīng)用。英國Birmingham大學(xué)對直齒圓柱齒輪精鍛進(jìn)行了廣泛研究[8 ] [9 ] [10 ],于1987 年提出了用空心鍛坯精鍛直齒圓柱齒輪的浮動(dòng)凹模原理，降低了直齒圓柱齒輪精鍛的材料、鍛壓能量、鍛壓力消耗，且齒形易于充滿[11],但這種模具不適用于較大鍛造力的情況，模具壽命低；1988 年，在上述工作的基礎(chǔ)上把厚壁管截成的環(huán)形坯料熱鍛成具有大中心孔的直齒圓柱齒輪，齒面上留有0.6mm以上的切削余量[12] ,這一工藝僅適用于極少數(shù)具有大中心孔的直齒圓柱齒輪，而且未解決成形齒輪精度低和模具壽命低的問題，齒面仍需切削加工。1991 年林治平等根據(jù)文獻(xiàn)[11] [12]制作了簡易模具，在液壓機(jī)上壓鉛和鋁分別模擬直齒圓柱齒輪的熱鍛和冷鍛，得出了型腔充填情況及成形力的一些有益結(jié)論[13]，但是變形材料、溫度、模具結(jié)構(gòu)、工作連續(xù)性和設(shè)備等方面都與生產(chǎn)實(shí)際相差較大；近年來，他總結(jié)了直齒圓柱齒輪精鍛的多種工藝方案，設(shè)計(jì)了專用組合模，并進(jìn)行了相應(yīng)的工藝實(shí)驗(yàn)[14]，但上述研究均是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，尚未應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。Drecun V M 等開發(fā)了一套參數(shù)化的直齒圓柱齒輪精鍛模CAD 軟件。青島科技大學(xué)的田福祥對直齒圓柱齒輪熱精鍛進(jìn)行了深入研究，發(fā)明了直齒圓柱齒輪熱精鍛和冷推擠聯(lián)合成形工藝，研制了用于生產(chǎn)的模具，精度達(dá)到9級，齒面無須切削加工即可使用[15] [16]；提出了漸開線齒廓線膨脹定理和推論，并論述了直齒圓柱齒輪精鍛模具齒形參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及慣用公式[17]。田福祥等研究開發(fā)了帶有強(qiáng)力脫模裝置的內(nèi)齒輪熱精鍛模具和工藝，徹底解決了熱精鍛時(shí)成形難和脫模難的問題，并成功的應(yīng)用于生產(chǎn),取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[18]。
吉林大學(xué)的寇淑清等用三維大變形彈塑性有限元法對齒輪冷精鍛成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對以閉式模鍛為預(yù)鍛和以閉式模鍛、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形模式的變形流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值分析結(jié)果及工藝實(shí)驗(yàn)表明在終鍛中采取分流，尤其是約束孔分流措施對于降低工作載荷和提高角隅充填能力等方面十分有效[19][20]。山東大學(xué)的張清萍等利用正交試驗(yàn)法與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的方法,解決了預(yù)鍛模具型腔優(yōu)化設(shè)計(jì)問題[21]。安徽科技學(xué)院的陳豐等利用自制的浮動(dòng)模具研究了直齒圓柱齒輪精鍛成形的力能參數(shù)、齒輪參數(shù)和沖壓成型相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，認(rèn)為精鍛成形的力能參數(shù)受到齒輪參數(shù)的影響，這一結(jié)論為齒輪精鍛成形的實(shí)用化提供了可靠的參考依據(jù)[22]。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。西安交通大學(xué)的程羽等對采用浮動(dòng)凹模進(jìn)行精鍛成形的工藝進(jìn)行了研究，指出單純的浮動(dòng)凹模對于成形作用不大，采用浮動(dòng)凹模浮動(dòng)模式可調(diào)的精鍛方法可以提高成形的質(zhì)量，但沒有給出模具的具體結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方式[23]。
2直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)方面存在的主要問題
直齒圓柱齒輪幾何形狀復(fù)雜、產(chǎn)品的尺寸精度、表面質(zhì)量、組織性能、力學(xué)性能要求嚴(yán)格。多年來，盡管國內(nèi)外許多學(xué)者研究其精鍛工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也取得了一些成果，但與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用還有一定距離。今后，需要解決的工藝和模具方面的主要問題如下：
�。�1）工藝優(yōu)化、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。齒輪精鍛是一種凈成形或近凈成形制造工藝。為滿足凈成形制造工藝的要求，在工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)中，應(yīng)以金屬在精鍛過程中的真實(shí)流動(dòng)規(guī)律和變形力學(xué)特征為基礎(chǔ)，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)化坯料的形狀和尺寸等工藝參數(shù)，目前這一點(diǎn)還很難做到。
（2）齒輪鍛件出模問題。直齒圓柱齒輪精鍛沒有拔模斜度,出模困難,需要較大的頂出力才能將鍛件從模具中頂出。因此,對模具結(jié)構(gòu)和鍛造設(shè)備有較高的要求。如何解決好鍛件出模,是一個(gè)必須重點(diǎn)解決的問題。
�。�3）潤滑問題。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。在精鍛中選用的潤滑劑,在鍛造溫度范圍內(nèi)應(yīng)該具有良好的潤滑性能,使鍛件與模具隔離,避免金屬變形時(shí)直接與模具接觸,使金屬流動(dòng)阻力最�。痪哂辛己玫慕^熱和脫模性能，從而減少鍛件熱量傳導(dǎo)到模具上，延長模具壽命。另外，潤滑劑應(yīng)具有良好的高溫濕潤性能和成膜性能，在模具型腔中均勻分布，形成潤滑膜，并且成形后在模具型腔中不應(yīng)留有殘?jiān)?或者留有極少的殘?jiān)�，容易清除�?br>
�。�4）模具壽命問題。模具壽命問題是關(guān)系到直齒圓柱齒輪精鍛工藝能否應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的關(guān)鍵因素。然而，影響模具壽命的因素很多。如何有效地改善模具的受力狀況、減少磨損、提高壽命，是一個(gè)擺在研究者面前的不能回避的問題。
6直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)研究的發(fā)展趨勢
直齒圓柱齒輪精鍛研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展,但還有許多方面需要進(jìn)一步研究和探索，今后直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)方面將從以下幾個(gè)方面發(fā)展:
(1) 充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究塑性成形過程的金屬流動(dòng)規(guī)律。目前關(guān)于直齒圓柱齒輪精鍛方面的理論研究僅能得出變形金屬的部分特征，而不能研究在整個(gè)塑性變形過程中金屬的流動(dòng)規(guī)律和所具有的變形力學(xué)特征，即不能得出應(yīng)力場、應(yīng)變速率場和溫度場，只能粗糙的分析金屬的整體流動(dòng)。今后應(yīng)充分利用高新計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合塑性或彈塑性有限元方法,模擬直齒圓柱齒輪整個(gè)鍛壓變形過程的金屬流動(dòng)，找出變形坯料自由表面和內(nèi)部的金屬流動(dòng)及應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，以期通過控制材料的流動(dòng)達(dá)到零件的精確成形。
(2) 優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和工藝，控制精鍛齒輪的質(zhì)量和精度。質(zhì)量和精度控制是直齒圓柱齒輪精鍛研究的重點(diǎn)內(nèi)容，目前關(guān)于這方面的研究還比較少，今后要進(jìn)一步優(yōu)化模具結(jié)構(gòu),選用優(yōu)質(zhì)模具材料，提高模具加工精度和使用壽命，使用合適的鍛壓設(shè)備；研究精確下料的新途徑，提高毛坯的下料精度和表面質(zhì)量；采用少無氧化加熱，盡量減少毛坯的氧化燒損，并盡量減少熱鍛件與空氣的接觸時(shí)間，控制熱鍛件表面的脫碳層厚度；嚴(yán)格控制模具溫度、鍛造溫度和潤滑條件等工藝因素，減少因模具和鍛件溫度波動(dòng)而造成的鍛件尺寸誤差。
(3) 實(shí)現(xiàn)模具和工藝設(shè)計(jì)的CAD/ CAE/ CAM 一體化，建立相應(yīng)的專家系統(tǒng)。今后工藝和模具設(shè)計(jì)應(yīng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合起來。使直齒圓柱齒輪精鍛研究向著CAD/ CAE/CAM 一體化方向發(fā)展，建立直齒圓柱齒輪工藝和模具設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)，即把專家的知識(shí)經(jīng)識(shí)別、概念化和形式化處理，匯集成知識(shí)庫，來解決直齒圓柱齒輪精鍛成形的CAD和CAE問題。這對促進(jìn)直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)的提高及向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化具有重要的意義。
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