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3.5mm.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115～315mm,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°)
Table1Data 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115～315mm?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315m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
脱模进行对比分析，得出以下结论：
(1)圆柱斜齿轮采用浮动凹模工艺可有效改变摩擦力方向，降低成形载荷，与传统工艺相比，螺旋角为22。和32。的两种斜齿轮，成形力分别下降约30和25。
(2)通过数值模拟和铅试样实验，揭示了脱模过程中斜齿轮锻件沿着齿形螺旋方向做刚性旋转运动的现象，在一定程度上避免了脱模时凹模齿腔对锻件齿形产生的破坏性变形。
(3)影响圆柱斜齿轮成形的因素较多，其中比较显著的是螺旋角和摩擦因数，总的来说，锻件精度随着螺旋角和摩擦因数的增大而有所降低。因此，在保证使用要求的前提下，需对锻件进行一定的表面处理以保证其精度。
二、伞齿轮的锻造
1．1伞齿轮的热锻成型
伞齿轮，即锥形齿轮，锥齿轮，用于相交轴间的传动。单向传动比可达到6，最大到8或者以上，传动效率一般为0.94～0.98。
1）直齿和斜齿锥齿轮设计、制造及安装均较简单,但噪声较大,用于低速传动(<5m/s);直齿锥齿轮传动传递功率可到370千瓦。斜齿锥齿轮传动运转平稳，齿轮承载能力较高，但制造较难，应用较少。
2）曲线齿锥齿轮具有传动平稳、噪声小及承载能力大等特点,用于高速重载的场合。曲线齿锥齿轮传动运转平稳，功率可达700千瓦，圆周速度可到40米/秒以上。
热锻是将锻坯加热到一定温度后进行的锻造成形工序，加热及加热温度范围的控制是确保锻造生产顺利进行和提高锻件质量的重要工艺过程。锻造加热的目的在于使金属锻坯软化，当金属变形温度升高至再结晶温度以上时，由于再结晶速度高于变形过程中金属硬化速度，可消除硬化影响获得再结晶组织，可利用较小外力使金属产生较大的塑性变形且不致破裂。例如，在1150oC静拉伸试验时，碳钢的强度极限仅为常温时的1/20；而合金结构钢的强度极限则为常温时的1/30。锻造温度范围是指金属开始锻造温度和终结锻造温度间的一段温度间隔,为了防止过热、过烧需要正确确定始锻温度和终锻温度。。制定加热温度的基本方法是以钢的铁碳平衡图为基础，参考材料的塑性抗力图和再结晶图来综合决定。了解金属加热的基本原理，以及各种加热方法和设备的适用性。火焰加热主要有燃油、煤气加热，氧化脱碳、烧损较为严重；电加热是利用电能转化为热能，以辐射和对流的方式对坯料进行加热的方法，即利用加热元件产生的电阻热来间接加热金属坯料。其中，主要有感应电加热、接触电加热、电阻炉及盐浴炉加热等。电加热可避免氧化脱碳和烧损等加热缺陷。氧化和脱碳、过热和过烧以及产生内部裂纹等加热缺陷的危害及防止措施。
1.2伞形齿轮锻造工艺
直齿锥齿轮的锻造生产工艺有两火两锻和一火两锻的压力机开式模锻工艺、摆动辗压机开式模冷锻工艺、复动模锻造工艺、粉末冶金烧结体锻造工艺和球墨铸铁铸锻联合工艺等。
1.2.1摩擦压力帆开式模锻造
用摩擦压力机进行开式模锻造时，一次锻打不能使每个齿形的型腔完全充满，即成品率很低，因而必须切除飞边后再次锻造，所以齿轮的开式模锻必然要经过预锻、终锻及随后的两次切飞边才能完全成形。若预锻采用温锻，即(85o±lO)℃的加热温度较低，会因工件小、表面积大、散热快而导致温降速度快。当工件经预锻和切飞边后温度已降到很低，并且不能
保证每个预锻切飞边后的工件温度一致，因而锻造力渡动很大。而且锻件冷收培量、设备与工装模具的弹性变形量都随机变化，既影响锻件的尺寸和形状精度，又改变了锻件的一致性。所以，不宜在预锻切飞边后利用余温紧接着进行终锻，而是采用冷却、清理后再加热到(850±lo)℃进行终锻。
锻造工艺流程为：
下料一加热(850±10)℃一镦粗一预锻一切飞边一空冷、喷砂清理后加热到(850±10)℃一终锻一切飞边一空冷、检验一入库。
上述工艺俗称两火两锻工艺，长期生产使用证明工艺稳定但由于多一次加热，增加了工序和加热设备，生产成本较高。为此又研发了热锻成形温锻精整的一火两锻工艺，工艺流程为：下料一加热至(950±10)℃一镦粗一预锻一切飞边一清理(钢丝刷或铜丝刷刷去氧化皮)，待降温至800℃一终锻一切飞边一空冷、检验一入库。
一火两锻工艺终锻工步的工件温度取决于预锻切飞边后的余热，所以初始加热温度高于两火两锻工艺初始加热温度100℃．而终锻温度定在800℃。150℃的温度问隔能够满足前后工步的温降需要。
预锻前的镦粗有两个作用：一是去除加热过程中形成的氧化皮；二是获得预锻时对中放置所需要的尺寸形状。本工艺比两火两锻工艺少一次加热，降低了设备投资额度和生产成本，已被国内多个生产厂家所采用。但由于该工艺是温锻精整，其氧化与冷却收缩量的波动等因素将影响齿轮精度的进一步提高，齿面粗糙度大为此又研发了温锻成形冷锻精整新工艺。
其工艺流程为：
下料一加热(850±10)℃一镦粗一预锻一切飞边一料箱内堆冷至室温一喷砂清理一磷化皂化一切飞边一检验一入库。温锻成形玲锻精整工艺需要加大终锻压力机吨位，增加磷化皂化工步。但它消除了终锻温度的波动和高温氧化对产品的影响因素，进一步提高了锻造直齿锥齿轮的精度，降低了齿面粗糙度。
1.2.2粉束冶金烧结体锻造工艺
粉末冶金烧结体锻造直齿锥齿轮的特点是可以通过设定金属粉末材料的种类和改变配粉比例来优化工件的力学性能，以粉末称重而严格控制预制坯的质量，压制出高精度的烧结体预制坯，进行封闭模无飞边模锻，节约材料，实现最大程度的近似净形加工。工艺流程为：配粉一称重一压制预制坯一烧结一冷却至室温一无氧化加热(900±5)℃一锻造一冷却一检验一入库。
铁基粉末烧结体锻件易切削加工，不需要正火热处理。但由于烧结体经锻造后仍为多孔体，冲击韧度低，限制了粉末制品的应用范围。提高粉锻件冲击韧度的途径即为提高粉锻件的相对密度。实验表明，摆动辗压锻造能更有效地提高粉锻件的相对密度，因此可以进行温摆动辗压粉末烧结体锻造直齿锥齿轮生产，扩大粉锻制品的应用范围。
伞齿轮的闭塞锻造技术
1.3伞齿轮闭塞锻造技术
冷闭塞锻造技术是国际上近年发展起来的新型精密塑性加工技术,以其精密、优质、高效、低消耗、低成本、大批量的技术特点,成为未来复杂零件加工技术发展的重要方向[9]。齿轮冷闭塞锻造成形可从根本上改变传统的锻造工艺作为齿坯加工技术的粗放性质,齿形无须进行切削加工而直接使用。具有节材、节能、高效率、低成本等显著优势,产品尺寸精度高、表面质量好、组织致密均匀、金属流线连续合理分布、抗蚀能力与耐磨性强、弯曲强度及疲劳寿命高。差速器伞齿轮包括半轴齿轮与行星齿轮,二者互相啮合、配对使用。差速器伞齿轮作为轿车的重要传动部件,形状较为复杂,尺寸精度、表面质量及综合机械性能均要求很高,其冷闭塞锻造成形过程复杂,变形量大,模具设计与力能参数选择存在较大难度,产品质量尤其是齿形精度难以保障。
1．4闭塞锻造原理
闭塞锻造成形技术,是采用复动式凸模在一个方向或多个方向施加不同的压力,使毛坯产生多向流动,在一道变形工序中获得较大的变形量和复杂的型面。成形过程中先将上下成形模具闭合并施加一定的工作载荷压紧,毛坯在封闭的模腔内产生一定的变形,再由复动式凸模由一个或两个方向施加塞挤压力,使毛坯产生多向流动,从而在一道变形工序中完成齿轮零件的冷精密塑性成形。闭塞锻造成形过程中,锻造总载荷等于合模力与塞挤力之和。
(1)差速器伞齿轮是轿车的重要传动部件,尺寸精度、表面质量及综合机械性能要求高,采用常规塑性成形技术很难达到产品质量要求。采用冷闭塞锻造技术成形轿车差速器伞齿轮,具有精密、优质、高效、低消耗、低成本、大批量等生产特点,是复杂齿形零件精密成形的重要发展方向。
(2)轿车差速器伞齿轮冷闭塞锻造工艺试验表明,采用专用液压模架正确分配合模力与塞挤力、对模具型腔精细加工与处理、合理设计凹模齿形型腔以及对坯料进行充分的软化处理,是降低成形载荷、保证锻件齿形充满程度与齿形精度的有效措施。
(3)对于精密复杂零件冷闭塞锻造成形进行数值模拟分析,使变形瞬间状态及力学量场可视化,给出型腔充填规律,并反映成形过程中的内部缺陷与型角隅充填性,为实际成形中的模具设计提供了有效依据。