基于SolidWorks的锥齿轮精锻模具设计
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２００９年第３期
·工艺与装备·
文章编号：１００１—２２６５（２００９）０３—００８３—０３
基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的锥齿轮精锻模具设计术
。
张清萍，王玉增，崔焕勇，李业港
（济南大学机械工程学院，济南 ２５００２２）
摘要：针对锥齿轮的结构特点，确定了其精锻成形工艺，利用三维设计软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ完成了锥齿轮模具
万方数据
了规划方案的可信度和合理性。 ［参考文献］
［１］Ｅ．Ｆａｌｋｅｎａｕｅｒ，Ａ．Ｄｅｌｃｈａｍｂｒｅ，Ｉｎｔｅｒｇｒａｔｅｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ Ｒｅ—
ｓｏｕｒｃｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ，ＩＥＥＥ，１９９５．
［２］石淼，唐朔飞，李明树．装配序列规划研究综述［Ｊ］．计算 机研究与发展，１９９４，３１（６）３０一３４．
２．１ 锻件 根据锥齿轮零件图及冷模锻工艺的基本要求，设
计了齿轮锻件。分模面的位置选择在零件最大的外径 处。在保证有效齿长的前提下，锥齿轮的大端留有冷 锻成形工艺自然形成的过度圆角，如图１所示。
图１锥齿轮锻件图 精锻锥齿轮的模具型腔都是曲面造型，形状比较 复杂，为快速准确获得高质量的曲面形状，选用三维造 型软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ来完成模具和坯料的几何模型设 计。由于锥齿轮的理论齿廓曲线为球面渐开线，不能 展开成平面，给锥齿轮的三维造型带来极大困难。本 文从背锥理论出发，结合渐开线方程和绘图软件中的造 型命令，最大限度地实现了锥齿轮的真实三维造型，图２ 所示为锥齿轮零件的三维造型。图３所示为利用Ｓｏｌｉｄ． Ｗｏｒｋｓ软件中的分型面、分型线等命令设计的锥齿轮成 形模具，同时为锥齿轮工艺的数值模拟分析作准备。 ２．２模具结构设计 锥齿轮精锻模具的工作条件极其恶劣，因而对模 具精度、强度、刚度以及寿命提出了更高的要求。模具 的装配图如图４所示，其工作过程如下。用于普通液 压机上对工件进行闭式模锻成形。工作时将毛坯放人
［６］Ｔａｅ Ｏｋ Ｌｅｅ，Ｙｅｏｎｇｈｏ Ｋｉｍ，Ｙｅｏ Ｋｅｕｎ Ｋｉｍ，Ｔｗｏ—ｓｉｄｅｄ ａｓｓｅｍ—
ｂｌｙ ｌｉｎｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｔｏ ｍａｘｉｍｉｚｅ ｗｏｒｋ ｒｅｌａｔｅｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｌａｃｋｎｅｓｓ， Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００１（４０）：２７３—２９２．
精锻工艺及模具进行设计和分析十分必要的¨…。 三维ＣＡＤ系统有较好的造型工具，能实现“自顶
向底”和“自底向顶”等设计方法，实现装配等复杂设 计过程，使设计更加符合实际设计过程；三维造型系统 能方便地与ＣＡＥ系统相连，进行仿真分析；能提供数 控加工所需的信息，实现ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ的集 成Ｈ“。基于三维ＣＡＤ系统这些优点，本文利用Ｓｏｌｉｄ． Ｗｏｒｋｓ三维设计软件来完成锥齿轮及其模具的设计。
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．２００６，１７７：２５６—２６０．
［３］李建平，车路长．伞齿轮闭式成形工艺与模具设计［Ｊ］．模 具工业，２００７，３３（６）：５７—６２．
［４］刘善林，胡鹏浩，张勇．基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的精密头架运动模 拟［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００７（１２）：６８—７０．
（４）评估优化解决方案。
５ 结束语
虚拟装配生产线规划主要包括静态规划和仿真规 划两部分，静态规划应用优化算法分析装配顺序和装 配工艺，动态仿真规划用来分析装配生产线的动态性 能。在规划阶段，应用面向对象仿真建模方法建立生 产线模型，对生产线和装配过程进行仿真，利用仿真技 术对生产系统的运行的性能进行分析与评价，并将评 价结果反馈给工艺规划和生产规划，以便在生产系统 规划早期发现问题，从而改进和优化的设计方案，提高
然科学基金项目（Ｙ２００８１７２１） 作者简介：张清萍（１９７２一），女，山东龙口人，济南大学机械工程学院副教授，博士，主要从事ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ，有限元方法及应用，金属精密塑性
成形工艺及数值模拟等研究，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｍｅ—ｚｈａｎｇｑｐ＠ｕｊｎ．ｅｄｕ．ｃｎ。
万方数据
·工艺与装备·
组合机床与自动化加工技术
［７］Ｍａｔｔｈｉａｓ Ａｍｅｎ，Ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｃｏｓｔ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｌｉｎｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ：Ａ ｓｕｒｖｅｙ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，２０００ （６８）：１—１４．
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ是一款功能强大的ＣＡＤ软件。在完成 产品三维造型的基础上，还能实现模型的动态可视化， 对模具的装配过程、拆卸过程和运行过程进行模拟。 锥齿轮精锻模具的三维造型如图５所示，通过对锥齿 轮模具进行了干涉检查和运动仿真，及早发现了设计 过程中出现的问题，并对相关零件进行了改进。最后 生成了装配体和零件的二维工程图纸。
ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐ ｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｔｅｓｓ；ｄｉｅ；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ
０ 引言
锥齿轮精锻工艺是指模锻齿轮时轮齿直接被锻 出，齿面不再进行切削加工的精密模锻工艺。锥齿轮 广泛应用于汽车、拖拉机、摩托车、坦克等的差速器中， 应用面广，需求量大。用传统机械切削方式生产锥齿 轮，速度慢、效率低、精度差。锥齿轮的热精锻成形技 术已基本成熟，但在冷锻闭式成形技术方面，还有待进 一步地改进和提高，采用冷精锻方法成形零件，可节约 原材料，提高零件的力学性能，并能获得理想尺寸精度 和表面粗糙度的制件，是一种高产、优质、低消耗的工 艺技术，其经济效益十分可观…。但也存在变形抗力 大，对模具和设备要求较高等问题。因此对锥齿轮冷
和零件的几何形状设计，并进行了模具的运行过程的模拟，同时分析了精锻模具的工作过程和特点，与
现行的加工工艺相比，既可减少原材料和能源消耗，降低制造成本，又可改善齿轮的机械性能，有实际应
用价值。
关键词：锥齿轮；精锻；模具；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ
中图分类号：ＴＧ３７６
文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｄｉｅ ｆｏｒ Ｂｅｖｅｌ Ｇｅａｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｙｕ－ｚｅｎｇ，ＣＵＩ Ｈｕａｎ—ｙｏｎｇ，ＬＩ Ｙｅ—ｇａｎｇ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｃｈｏｏｌ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｉｎａｎ，ｊｉ’ｎａｎ ２５００２２，Ｃｈｉｎａ）
能力、热处理变形量和啮合噪声等都比切削齿轮的加 工优越。齿轮材料为中高强度合金钢２０Ｃｒ，其供应 状态强度高、变形抗力大、塑性较差，存在加工硬化现 象，难以进行大变形量的冷模锻成形。但若对毛坯进 行充分软化退火处理，就可降低变形抗力和提高材料 塑性指标。精锻锥齿轮的强度和抗弯疲劳寿命提高， 热处理变形减少，生产成本降低。综上分析，决定采 用冷锻成形工艺。其工艺过程为：下料一退火叶冷锻 一精加工一检验一入库。冷锻成形前，要对坯料进行 软化处理，在各道工序之间要进行退火处理，在冷锻 前进行磷化处理。 ２ 模具设计
ｌ锥齿轮精锻成形工艺
冷精锻是随着汽车工业而迅速发展起来的一种 净成形工艺。精锻锥齿轮有连续的沿齿廓合理分布 的金属流线和致密的组织，轮齿的强度、齿面的耐磨
收稿日期：２００８—１０—２０；修回日期：２００９—０１—１３ ｔ基金项目：山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目（２００６ＢＳ０５００９）；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目（２００７ＢＳ０５０１６）；山东省自
．Ｒ４．
万方数据
图２锥齿轮零件造型
图３在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中的锥齿轮模腔造型
下凹模１３空腔内，待毛坯放置好后，上模３下行；当上
模３开始接触毛坯时，缩挤形成开始；随着上模３的继
续下压，应力圈１０由于受到压力作用，挤压下部的弹
簧并随之下移，坯料进入封闭状态的模腔内，缩挤完
成，开始镦挤成形阶段；上模３继续下移，至达到规定
计，从而实现精锻模的快速设计，为精锻工艺的数值模
拟等研究工作奠定基础。
［参考文献］
［１］朱伟成，刘春伟，徐成林，等．汽车零件精密锻造技术动向
［ｃ］．北京：航空工业出版社，１９９９．
［２］Ｍ．Ｓｋｕｎｅａ，Ｐ．Ｓｋａｋｕｎ，ｚ．Ｋｅｒａｎ，Ｌ．Ｓｉｄｊａｎｉｎ，Ｍ．Ｄ．
Ｍａｔｈ，Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎ ｃｌｏｓｅｄ ｄｉｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ｏｆ ａ ｇｅａｒ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
［３］杨培林，朱均，陈晓南．装配规划中装配体的表达及子装配 件的识别［Ｊ］．西安交通大学学报，１９９９，３３（２）４０—４３．
［４］董天阳，童若锋，张玲．多细节层次装配模型及序列规划 ［Ｊ］．计算机集成制造系统，２００４，１０（１０）：１２１２—１２１９．
［５］吴君华，夏巨堪，曹山河．ＡＬＢ问题的数学模型及其优化算 法的研究［Ｊ］．系统仿真学报，１９９９，１１（５）：３５８—３６０．
行程为止。上模回程后，下凹模１３和应力圈１０在弹
簧８的作用下恢复初始状态。成形后的锥齿轮锻件在
上顶杆１９的作用下脱模，取走锻件，至此锥齿轮精锻
成形过程完成。
１
囫
２３
１９ ４ ５ ６ ７
㈡㈣阱 铲 ７Ｌ
撅
锄
ｌ苎Ｉ ７１４ ｌｊｌ６１５１２
１１ １０，巧
’
图４锥齿轮精锻浮动模具
齿形凹模是锥齿轮精锻成形最关键的零件，它的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｂｅｖｅｌ
ｇｅａｒ．Ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｄｉｅ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ３ Ｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ．Ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｔｉｏｎ ｐ ｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅ ｉｓ ｍａｄｅ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ－ ｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｄｉｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａ－ ｇｅｓ ｉｎ ｓａｖｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｈａｖｅ
精度决定锥齿轮要从凹模的结构设计
上来保证。为了提高齿形凹模的强度，采用组合式结
构。采用浮动的上模芯和浮动的下组合模套结构，使
锻件在封闭的环形模腔中变形，锻件无飞边，径向尺寸
２００９年第３期
·工艺与装备·
精度高。由于锻件无飞边，水平投影面积（锻造面积） 小，所需的锻造力小，降低了压力机吨位。由于采用浮 动模结构，浮动模形成的凹腔较深，确保上下模导向准 确。此模具利用弹簧实现压边，实现闭式模锻。 ３精锻模具３Ｄ模型
图５锥齿轮精锻模具的三维造型
４ 结束语
采用精锻工艺生产齿轮，既可减少原材料和能源
消耗，降低制造成本，又可改善齿轮的机械性能。根据
锥齿轮精锻成形工艺，设计了锻件的合理形状。利用
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维设计软件完成了锥齿轮工件及精锻模
具的三维实体建模，通过对模具运动过程的模拟，能够
及早发现设计问题，有利于快速发现问题改进结构设
［５］叶修梓，陈超祥．ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ高级教程［Ｍ］．北京：机械工
业出版社，２００７．
（编辑李秀敏）
（上接第８２页） （２）根据工艺规程、生产计划，生成信息／控制类对
象，以有效地执行装配线的动态运行策略，保证装配线 按照预定的方案运作；
（３）设置仿真模型中不同对象的参数和运行策略， 借助仿真实验结果，进行动态性能评价。重点考虑动 态环境中的不确定因素对实际装配线的整体性能的影 响；
·工艺与装备·
文章编号：１００１—２２６５（２００９）０３—００８３—０３
基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的锥齿轮精锻模具设计术
。
张清萍，王玉增，崔焕勇，李业港
（济南大学机械工程学院，济南 ２５００２２）
摘要：针对锥齿轮的结构特点，确定了其精锻成形工艺，利用三维设计软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ完成了锥齿轮模具
万方数据
了规划方案的可信度和合理性。 ［参考文献］
［１］Ｅ．Ｆａｌｋｅｎａｕｅｒ，Ａ．Ｄｅｌｃｈａｍｂｒｅ，Ｉｎｔｅｒｇｒａｔｅｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ Ｒｅ—
ｓｏｕｒｃｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ，ＩＥＥＥ，１９９５．
［２］石淼，唐朔飞，李明树．装配序列规划研究综述［Ｊ］．计算 机研究与发展，１９９４，３１（６）３０一３４．
２．１ 锻件 根据锥齿轮零件图及冷模锻工艺的基本要求，设
计了齿轮锻件。分模面的位置选择在零件最大的外径 处。在保证有效齿长的前提下，锥齿轮的大端留有冷 锻成形工艺自然形成的过度圆角，如图１所示。
图１锥齿轮锻件图 精锻锥齿轮的模具型腔都是曲面造型，形状比较 复杂，为快速准确获得高质量的曲面形状，选用三维造 型软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ来完成模具和坯料的几何模型设 计。由于锥齿轮的理论齿廓曲线为球面渐开线，不能 展开成平面，给锥齿轮的三维造型带来极大困难。本 文从背锥理论出发，结合渐开线方程和绘图软件中的造 型命令，最大限度地实现了锥齿轮的真实三维造型，图２ 所示为锥齿轮零件的三维造型。图３所示为利用Ｓｏｌｉｄ． Ｗｏｒｋｓ软件中的分型面、分型线等命令设计的锥齿轮成 形模具，同时为锥齿轮工艺的数值模拟分析作准备。 ２．２模具结构设计 锥齿轮精锻模具的工作条件极其恶劣，因而对模 具精度、强度、刚度以及寿命提出了更高的要求。模具 的装配图如图４所示，其工作过程如下。用于普通液 压机上对工件进行闭式模锻成形。工作时将毛坯放人
［６］Ｔａｅ Ｏｋ Ｌｅｅ，Ｙｅｏｎｇｈｏ Ｋｉｍ，Ｙｅｏ Ｋｅｕｎ Ｋｉｍ，Ｔｗｏ—ｓｉｄｅｄ ａｓｓｅｍ—
ｂｌｙ ｌｉｎｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｔｏ ｍａｘｉｍｉｚｅ ｗｏｒｋ ｒｅｌａｔｅｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｌａｃｋｎｅｓｓ， Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００１（４０）：２７３—２９２．
精锻工艺及模具进行设计和分析十分必要的¨…。 三维ＣＡＤ系统有较好的造型工具，能实现“自顶
向底”和“自底向顶”等设计方法，实现装配等复杂设 计过程，使设计更加符合实际设计过程；三维造型系统 能方便地与ＣＡＥ系统相连，进行仿真分析；能提供数 控加工所需的信息，实现ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ的集 成Ｈ“。基于三维ＣＡＤ系统这些优点，本文利用Ｓｏｌｉｄ． Ｗｏｒｋｓ三维设计软件来完成锥齿轮及其模具的设计。
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．２００６，１７７：２５６—２６０．
［３］李建平，车路长．伞齿轮闭式成形工艺与模具设计［Ｊ］．模 具工业，２００７，３３（６）：５７—６２．
［４］刘善林，胡鹏浩，张勇．基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的精密头架运动模 拟［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００７（１２）：６８—７０．
（４）评估优化解决方案。
５ 结束语
虚拟装配生产线规划主要包括静态规划和仿真规 划两部分，静态规划应用优化算法分析装配顺序和装 配工艺，动态仿真规划用来分析装配生产线的动态性 能。在规划阶段，应用面向对象仿真建模方法建立生 产线模型，对生产线和装配过程进行仿真，利用仿真技 术对生产系统的运行的性能进行分析与评价，并将评 价结果反馈给工艺规划和生产规划，以便在生产系统 规划早期发现问题，从而改进和优化的设计方案，提高
然科学基金项目（Ｙ２００８１７２１） 作者简介：张清萍（１９７２一），女，山东龙口人，济南大学机械工程学院副教授，博士，主要从事ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ，有限元方法及应用，金属精密塑性
成形工艺及数值模拟等研究，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｍｅ—ｚｈａｎｇｑｐ＠ｕｊｎ．ｅｄｕ．ｃｎ。
万方数据
·工艺与装备·
组合机床与自动化加工技术
［７］Ｍａｔｔｈｉａｓ Ａｍｅｎ，Ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｃｏｓｔ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｌｉｎｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ：Ａ ｓｕｒｖｅｙ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，２０００ （６８）：１—１４．
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ是一款功能强大的ＣＡＤ软件。在完成 产品三维造型的基础上，还能实现模型的动态可视化， 对模具的装配过程、拆卸过程和运行过程进行模拟。 锥齿轮精锻模具的三维造型如图５所示，通过对锥齿 轮模具进行了干涉检查和运动仿真，及早发现了设计 过程中出现的问题，并对相关零件进行了改进。最后 生成了装配体和零件的二维工程图纸。
ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐ ｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｔｅｓｓ；ｄｉｅ；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ
０ 引言
锥齿轮精锻工艺是指模锻齿轮时轮齿直接被锻 出，齿面不再进行切削加工的精密模锻工艺。锥齿轮 广泛应用于汽车、拖拉机、摩托车、坦克等的差速器中， 应用面广，需求量大。用传统机械切削方式生产锥齿 轮，速度慢、效率低、精度差。锥齿轮的热精锻成形技 术已基本成熟，但在冷锻闭式成形技术方面，还有待进 一步地改进和提高，采用冷精锻方法成形零件，可节约 原材料，提高零件的力学性能，并能获得理想尺寸精度 和表面粗糙度的制件，是一种高产、优质、低消耗的工 艺技术，其经济效益十分可观…。但也存在变形抗力 大，对模具和设备要求较高等问题。因此对锥齿轮冷
和零件的几何形状设计，并进行了模具的运行过程的模拟，同时分析了精锻模具的工作过程和特点，与
现行的加工工艺相比，既可减少原材料和能源消耗，降低制造成本，又可改善齿轮的机械性能，有实际应
用价值。
关键词：锥齿轮；精锻；模具；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ
中图分类号：ＴＧ３７６
文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｄｉｅ ｆｏｒ Ｂｅｖｅｌ Ｇｅａｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｙｕ－ｚｅｎｇ，ＣＵＩ Ｈｕａｎ—ｙｏｎｇ，ＬＩ Ｙｅ—ｇａｎｇ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｃｈｏｏｌ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｉｎａｎ，ｊｉ’ｎａｎ ２５００２２，Ｃｈｉｎａ）
能力、热处理变形量和啮合噪声等都比切削齿轮的加 工优越。齿轮材料为中高强度合金钢２０Ｃｒ，其供应 状态强度高、变形抗力大、塑性较差，存在加工硬化现 象，难以进行大变形量的冷模锻成形。但若对毛坯进 行充分软化退火处理，就可降低变形抗力和提高材料 塑性指标。精锻锥齿轮的强度和抗弯疲劳寿命提高， 热处理变形减少，生产成本降低。综上分析，决定采 用冷锻成形工艺。其工艺过程为：下料一退火叶冷锻 一精加工一检验一入库。冷锻成形前，要对坯料进行 软化处理，在各道工序之间要进行退火处理，在冷锻 前进行磷化处理。 ２ 模具设计
ｌ锥齿轮精锻成形工艺
冷精锻是随着汽车工业而迅速发展起来的一种 净成形工艺。精锻锥齿轮有连续的沿齿廓合理分布 的金属流线和致密的组织，轮齿的强度、齿面的耐磨
收稿日期：２００８—１０—２０；修回日期：２００９—０１—１３ ｔ基金项目：山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目（２００６ＢＳ０５００９）；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目（２００７ＢＳ０５０１６）；山东省自
．Ｒ４．
万方数据
图２锥齿轮零件造型
图３在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中的锥齿轮模腔造型
下凹模１３空腔内，待毛坯放置好后，上模３下行；当上
模３开始接触毛坯时，缩挤形成开始；随着上模３的继
续下压，应力圈１０由于受到压力作用，挤压下部的弹
簧并随之下移，坯料进入封闭状态的模腔内，缩挤完
成，开始镦挤成形阶段；上模３继续下移，至达到规定
计，从而实现精锻模的快速设计，为精锻工艺的数值模
拟等研究工作奠定基础。
［参考文献］
［１］朱伟成，刘春伟，徐成林，等．汽车零件精密锻造技术动向
［ｃ］．北京：航空工业出版社，１９９９．
［２］Ｍ．Ｓｋｕｎｅａ，Ｐ．Ｓｋａｋｕｎ，ｚ．Ｋｅｒａｎ，Ｌ．Ｓｉｄｊａｎｉｎ，Ｍ．Ｄ．
Ｍａｔｈ，Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎ ｃｌｏｓｅｄ ｄｉｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ｏｆ ａ ｇｅａｒ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
［３］杨培林，朱均，陈晓南．装配规划中装配体的表达及子装配 件的识别［Ｊ］．西安交通大学学报，１９９９，３３（２）４０—４３．
［４］董天阳，童若锋，张玲．多细节层次装配模型及序列规划 ［Ｊ］．计算机集成制造系统，２００４，１０（１０）：１２１２—１２１９．
［５］吴君华，夏巨堪，曹山河．ＡＬＢ问题的数学模型及其优化算 法的研究［Ｊ］．系统仿真学报，１９９９，１１（５）：３５８—３６０．
行程为止。上模回程后，下凹模１３和应力圈１０在弹
簧８的作用下恢复初始状态。成形后的锥齿轮锻件在
上顶杆１９的作用下脱模，取走锻件，至此锥齿轮精锻
成形过程完成。
１
囫
２３
１９ ４ ５ ６ ７
㈡㈣阱 铲 ７Ｌ
撅
锄
ｌ苎Ｉ ７１４ ｌｊｌ６１５１２
１１ １０，巧
’
图４锥齿轮精锻浮动模具
齿形凹模是锥齿轮精锻成形最关键的零件，它的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｂｅｖｅｌ
ｇｅａｒ．Ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｄｉｅ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ３ Ｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ．Ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｔｉｏｎ ｐ ｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅ ｉｓ ｍａｄｅ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ－ ｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｄｉｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａ－ ｇｅｓ ｉｎ ｓａｖｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｈａｖｅ
精度决定锥齿轮要从凹模的结构设计
上来保证。为了提高齿形凹模的强度，采用组合式结
构。采用浮动的上模芯和浮动的下组合模套结构，使
锻件在封闭的环形模腔中变形，锻件无飞边，径向尺寸
２００９年第３期
·工艺与装备·
精度高。由于锻件无飞边，水平投影面积（锻造面积） 小，所需的锻造力小，降低了压力机吨位。由于采用浮 动模结构，浮动模形成的凹腔较深，确保上下模导向准 确。此模具利用弹簧实现压边，实现闭式模锻。 ３精锻模具３Ｄ模型
图５锥齿轮精锻模具的三维造型
４ 结束语
采用精锻工艺生产齿轮，既可减少原材料和能源
消耗，降低制造成本，又可改善齿轮的机械性能。根据
锥齿轮精锻成形工艺，设计了锻件的合理形状。利用
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维设计软件完成了锥齿轮工件及精锻模
具的三维实体建模，通过对模具运动过程的模拟，能够
及早发现设计问题，有利于快速发现问题改进结构设
［５］叶修梓，陈超祥．ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ高级教程［Ｍ］．北京：机械工
业出版社，２００７．
（编辑李秀敏）
（上接第８２页） （２）根据工艺规程、生产计划，生成信息／控制类对
象，以有效地执行装配线的动态运行策略，保证装配线 按照预定的方案运作；
（３）设置仿真模型中不同对象的参数和运行策略， 借助仿真实验结果，进行动态性能评价。重点考虑动 态环境中的不确定因素对实际装配线的整体性能的影 响；