锻造齿轮

锻造齿轮

一、圆柱齿轮锻造

1、圆柱齿轮的滚扎成型

1.1齿轮滚扎成型原理

齿轮轧制成形目前主要分为热轧和冷轧。热轧齿轮一般将安装在轧机上的齿坯感应快速加热到l00O℃，此时金属流动性好，容易成形，而且轧制速度快，热量还来不及向齿坯内部传导，齿坯内部则保持较低温度和较高的硬度和刚度，使齿坯处于外柔内刚的理想状态，然后利用与所需齿轮的配对齿轮对齿坯进行，齿轮滚轧成形工艺就是一种高效率生产高强度，高精度齿轮的方法。

齿轮滚轧成形是以齿轮展成法为基础，使坯料产生塑性变形而生产齿轮的方法。热轧齿轮的力小，而且金属纤维沿轮廓变化，有利于提高齿轮强度。冷轧与热轧齿轮原理相同，只是冷轧是在室温下进行，因此，冷轧成形力较大，但冷轧成形齿轮精度高。它多用于模数的传动齿轮和细齿零件。轧制成形的齿轮根据生产条件的不同，精度也会有所变化。工艺与切屑工艺相比，最明显的优势就是生产效率高，材料利用率高，齿轮强度高。于荣贵，D．Schmoeckl 等人指出热轧成形齿轮的精度可以达到IT6～IT8。洛阳东方红拖拉机厂指出热轧成形的齿轮精度与冷轧相比较大，用热轧成形齿轮余留O．1--49．25mm加工余量，进行冷挤精加工提高齿轮精度。并用实验证明冷挤精加工工艺将热锻齿轮精度提高l-2个精度等级‘26H381。

1.2齿轮滚扎过程中参数计算

直齿圆锥齿轮摆辗成形的辗压力随摆头倾角、下模进给速度、摩擦系数以及摆辗阶段等因素的变化而变化。通过有限元模拟分析,对最大辗压力与下模进给速度和摩擦系数的关系进行了研究,得出了有关规律:在摆角γ取2°时,进给速度从1.5增加到3.5 mm.s-1时,辗压力增加106%~176%;摩擦系数从0.12增加到0.50时,辗压力增加23%~64%。研究结果对优化工艺参数、摆辗设备的结构设计和模具强度设计具有指导意义。

摆辗成形过程中, 坯料和模具受力的大小和受力区域都在随摆头的转动而变化。影响摆辗力的因素主要有摆头倾角、下模进给速度和摩擦系数等。在本文模拟分析中, 将机器的摆头角定为2°, 只改变摩擦系数和下模进给速度[5-6]。金属在冷塑性成形的情况下, 坯料与模具之间的摩擦系数变化范围大致为011～014 ; 下模的进给速度为115 ～315 mm, 速度过大将严重影响模具寿命, 过小会使生产效率过低。本文对这两组参数适当组合利用DEFORM23D 软件模拟得出在不同参数下的最大辗压力, 表1 列出了摆角γ在2°时, 进给速度υ、摩擦系数μ与最大辗压力p 的关系。山西永鑫生锻造可按图纸尺寸、化学成分、技术要求锻造、机加工、热处理、同步完成。

1.3数值模拟及结果分析

表1 最大辗压力p ( kN) 数值表(γ= 2°)

Table 1 Data of p ( kN) (γ= 2°)

根据表1 绘制最大辗压力与进给速度曲线和最

大辗压力与摩擦系数的曲线, 如图3 、图4 所示。

从根据图3 可知, 4 条曲线很相似, 可以将它们拟合成一个函数:p = ( A0 + A1υ+ A2υ2 + A3υ3 + A4υ4 ) ×103 (2)式中, p 为最大辗压力( kN) ; υ为下模进给速度(mm ?s - 1 ) ;A0 , A1 , A2 , A3 , A4 为常数, 随摩擦系数μ的变化而变化。同样, 从图4 可知,5 条曲线很相似, 可以将它们拟合成另一个函数:p = ( B0 + B1μ+ B2μ2 ) ×103 (3)式中, p 为最大辗压力( kN) ; μ为摩擦系数; B0 ,B1 , B2 为常数, 随速度υ的变化而变化。在实际生产实践中, 由上面分析并拟合公式(2) 及(3) , 可以根据摆辗工艺参数的变化计算出辗压力的变化范围, 选择最佳的参数配合, 从而减小辗压力。通过对轿车直齿圆锥齿轮冷摆辗成形中的下模进给速度和摩擦系数对最大辗压力的影响进行了有限元分析, 得出了如下规律:

(1) 进给速度在115～315 mm ?s - 1 范围内, 随着进给速度的增大, 最大辗压力上升, 而且曲线斜率也不断上升, 意味着上升的速度不断加快; 不同摩擦状态下的曲线呈现平行曲线状, 且摩擦力越大, 曲线越高; 进给速度从115 增至315 m时,辗压力增加106 %～176 %。

(2) 摩擦系数在0112～015 范围内时, 随着摩擦系数的增大, 最大辗压力上升, 但曲线的斜率在不断下降, 意味着上升的速度不断减慢; 不同的进给速度下的曲线呈现平行曲线状, 且进给速度越大,曲线越高; 摩擦系数从0112 增加到0150 时, 辗压力增加23 %～64 %。

2、圆柱齿轮的凹模成型

2.1齿轮凹模成型成型原理

直齿圆柱齿轮挤压凹模，其特征是凹模入口直径大于成型齿轮分度圆直径、小于成型齿轮齿顶圆直径；凹模成形段末端的齿间间隙几何形状及尺寸与成型齿轮平面投影的齿廓一致；凹模成形段任意横断面，除齿廓顶部圆弧至齿间侧壁之切点外，齿间其余部分几何形状尺寸均与凹模成形段末端相应部位一致，周节所对之中心角相同。本发明金属成型所需的挤压力小，齿形部分容易充满，凹模渐开线不易磨损，使用寿命长。其特征是：ａ、所述凹模入口直径大于成型齿轮分度圆直径、小于成型齿轮齿顶圆直径；ｂ、所述凹模成形段未端（Ｂ－Ｃ断面）的齿间间隙几何形状及尺寸与成型齿轮平面投影的齿廓一致；ｃ、所述凹模成形段任意横断面（Ｄ－Ｅ断面），除齿廓顶部圆弧ｒ至齿间侧壁之切点（８）外，齿间其余部分几何形状尺寸均与凹模成形段未端（Ｂ－Ｃ断面）相应部位一致，周节所对之中心角相同。

2.2齿轮凹模成型过程中参数计算

采用浮动凹模冷挤压成形工艺,对螺旋角不同的同一型号圆柱斜齿轮进行了数值模拟与实验研究。分析了成形过程中金属的流动特点、成形载荷,并与传统工艺进行了比较。通过不同螺旋角斜齿轮的对比,探索了影响脱模后锻件精度的因素[7]。结果表明：对圆柱斜齿轮采用浮动凹模冷挤压成形可有效降低成形载荷,且在脱模过程中齿轮锻件沿着齿形螺旋方向做刚性旋转运动,脱模后锻件可保持较高精度。研究成果为圆柱斜齿轮精锻成形工艺的深入研究提供了参考。方便和减少齿根干涉，取其为平行于y轴的直线。

8．2 渐开线段坐标计算

参看图2。设渐开线段齿形被任意向径1"i所截，其交点则为渐开线与1-i的公共点。根据渐开线参数方程可联立为：当r 设定后，可根据具体齿轮，求而得其余诸参数根据任意半径圆周上的岱厚公式：

S =r-2r*(inv b 一inv a)

对变位齿轮，可用

S=(2+2*tg a )in 代入(3)式即可。

故右半侧齿形的坐标为。若继续设定fi，则可得出一系列与淅开线交点的坐标值。圆，用该圆弧线段取代渐开线。设圆的一般方程为，x+Yz+2Dx+2Ey+F=0则其圆心坐标为； 0(一D、一E)其圆弧半径为

3．3非渐开线戡坐标计算

(1)齿根圆弧圆心坐标(0点)取渐开线上相邻三点做

X =X B+ RR式中；基圆上交点处x坐标值齿根圆弧半径。

(2 )齿根圆弧起点坐标(c点)

(3)齿根圆弧终点坐标(a点)

利用其对称性，可求出单齿左侧各点坐标值。

3．其余各齿坐标计算

其余各齿中的诸点坐标，可方便地利用坐标转换公式求得。

2.3数值模拟及结果分析

通过数值模拟与实验相结合的方法，对两种不同螺旋角的圆柱斜齿轮浮动凹模冷挤压成形及