發(fā)布時(shí)間：2016-07-29 07:53

1  緒論

錐齒輪是機(jī)械傳動(dòng)的重要零件，在汽車(chē)、船舶、航空、機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，它的需求量較大，生產(chǎn)加工方法也較多[1]。傳統(tǒng)的加工方法是采用模鍛技術(shù)得到齒輪坯件，然后切削加工得到符合要求的錐齒輪零件[2]。這種方法不僅生產(chǎn)效率低，而且浪費(fèi)原材料，同時(shí)機(jī)加工切斷鍛件的金屬纖維，這將降低錐齒輪的抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命。因此傳統(tǒng)的模鍛制坯和切削加工已不能滿足市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求[3,4]。隨著國(guó)內(nèi)齒輪精密鍛造技術(shù)的發(fā)展，很多錐齒輪生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)了精密鍛造技術(shù)。對(duì)于汽車(chē)工業(yè)的大批量生產(chǎn)，采用精密鍛造技術(shù)具有更大的效益和潛力[5]。 精密鍛造成形技術(shù)是指零件鍛造成形后，不需要再加工或者只需要少量加工即能符合產(chǎn)品零件要求的成形技術(shù)[6]。采用精密鍛造技術(shù)生產(chǎn)錐齒輪，可以顯著提高材料利用率和生產(chǎn)效率，同時(shí)使得鍛件組織致密，金屬纖維沿齒廓分布，抗彎曲疲勞強(qiáng)度要明顯優(yōu)于切削件，極大增強(qiáng)了錐齒輪的綜合機(jī)械性能。精密鍛造按照模具類(lèi)型可分為開(kāi)式模鍛、閉式模鍛等，開(kāi)式模鍛生產(chǎn)的鍛件有橫向飛邊，而閉式模鍛不產(chǎn)生橫向飛邊，其中可分凹模閉式模鍛又稱為閉塞鍛造。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)制造廠家普遍采用開(kāi)式模鍛工藝生產(chǎn)錐齒輪，與開(kāi)式模鍛相比，閉塞鍛造可以使鍛件在形狀尺寸、表面質(zhì)量等方面更加接近于成品零件。

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2  錐齒輪閉塞鍛造工藝設(shè)計(jì) 

2.1  閉塞鍛造的特點(diǎn)及原理

（1）金屬材料利用率高。由于閉塞模鍛生產(chǎn)的鍛件沒(méi)有較大的橫向飛邊，而且模具基本沒(méi)有斜度，凹坑可以沿豎直方向鍛出，這些特點(diǎn)都可以節(jié)省材料的利用率，就本課題研究的錐齒輪閉塞鍛造而言，其材料利用率預(yù)計(jì)可提高至 80%左右，也就是說(shuō)，由開(kāi)式模鍛改為無(wú)飛邊的閉塞模鍛，平均每生產(chǎn) 1 噸鍛件可節(jié)約金屬材料 0.2 噸左右。隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，采用閉塞模鍛技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)將帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。（2）提高生產(chǎn)率。閉塞鍛造是精密鍛造的主要方式之一，通�？梢詼p少模鍛工步，鍛件余量及公差比開(kāi)式模鍛要小，且不存在較大的橫向飛邊，這樣可以有效的減少后續(xù)的機(jī)加工，降低加工成本。（3）節(jié)省加熱能耗。降低加熱能耗是伴隨著材料利用率的提高而產(chǎn)生的。由開(kāi)式模鍛改為閉塞模鍛，平均材料利用率可提高 15%，因此加熱坯料的能耗同樣可以節(jié)省15%左右。（4）改善零件的力學(xué)性能。由于閉塞模鍛是在封閉型腔中成形，坯料受到三個(gè)方向的壓力，這樣可以使金屬纖維沿輪廓連續(xù)分布，鍛件的晶粒組織致密性好，使其強(qiáng)度大為提高[38]。

2.2  工藝參數(shù)的確定及相關(guān)技術(shù)介紹

行星錐齒輪的輪齒齒面、背錐面和中心孔表面是主要的工作面，其中背錐面和中心孔表面是錐齒輪的定位表面，它們的精度將影響到錐齒輪的定位精度，要求其表面粗糙度 Ra≤0.8μm，背錐面的圓跳動(dòng)量要不大于 0.08mm。輪齒齒面鍛造成形后可直接使用，不需要再加工，而對(duì)于球面和背錐面，由于模鍛精度有限，模鍛成形后不能直接使用，需要后續(xù)對(duì)其進(jìn)行切削加工來(lái)保證其尺寸精度，因此要預(yù)留一定的加工余量。行星錐齒輪的零件如圖 2.2 所示，相關(guān)齒形參數(shù)如表 2.1 所示。

3  錐齒輪閉塞鍛造模具設(shè)計(jì) ................. 14 

3.1  行星錐齒輪的建模介紹 ...................... 14
3.2  模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................. 17 
3.3  凹模的設(shè)計(jì) .................. 18
3.4  凸模的設(shè)計(jì) ................ 21 
3.5  合模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .............. 22
4  錐齒輪閉塞鍛造數(shù)值模擬 ................ 26 
4.1  有限元理論簡(jiǎn)介 .......... 26 
4.2 Deform 軟件介紹 ............... 26
4.3 DEFORM 數(shù)值模擬流程........................ 27 
4.4  有限元模型的建立及有關(guān)模擬問(wèn)題的處理 ........................ 27
5  模具的加工 ................. 37 
5.1  熱鍛用模具材料及熱處理 ... 37 
5.2  模具的加工方法 ...... 37 
5.3  本章小結(jié) ...... 39

5  模具的加工 

5.1  熱鍛用模具材料及熱處理

本課題采用的熱鍛溫度為 1100℃，模鍛時(shí)高溫坯料與模具發(fā)生摩擦導(dǎo)致模具型腔溫度被加熱到 300～500℃，模具型腔容易發(fā)生磨損失效。同時(shí)模具承受較大的沖擊載荷，在連續(xù)反復(fù)受熱、冷卻的工作環(huán)境下，極易導(dǎo)致型腔表面出現(xiàn)熱疲勞裂紋。因此要求選用模具材料具有良好的性能，包括以下幾點(diǎn)：（1）在高溫條件下，具有較高的強(qiáng)度、硬度、抗沖擊性及良好的耐磨性；（2）具有良好的耐熱疲勞性能；（3）具有較好的耐回火性，使模具在受熱時(shí)不致回火而硬度下降；（4）具有較好的淬透性能；5）具有良好的導(dǎo)熱性和抗氧化性 本課題的主要工作模具包括上、下沖頭和上、下凹模等，采用的模具材料為模具鋼H13。它具有良好的熱穩(wěn)定性、紅硬性、較高的韌性和抗熱疲勞性能。通過(guò)對(duì)模具淬火、回火處理，可以有效地改善模具材料的高溫性能，提高紅硬性、抗回火軟化的能力及抗沖擊韌性等。 模具鋼的熱處理包括：退火、淬火和回火處理。退火處理主要是為了降低硬度，便于切削加工，同時(shí)改善材料的晶粒組織；淬火可以顯著提高模具鋼的強(qiáng)度和硬度；回火是消除淬火時(shí)產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，調(diào)整模具鋼硬度，使其獲得較好的力學(xué)性能。 本課題采用模具鋼 H13 經(jīng)高溫淬火，其表面硬度可達(dá)到 HRC60 左右，再經(jīng)回火處理，其表面硬度可達(dá)到 HRC48～52，屈服強(qiáng)度為 1460MPa，能夠滿足閉塞熱鍛對(duì)模具強(qiáng)度的要求。 

5.2  模具的加工方法

在模具制造中，上、下凹模型腔的加工最為關(guān)鍵，目前主要的加工方法包括：電火花加工和高速切削加工。 電火花加工是在一定的絕緣工作液中，通過(guò)工具電極和工件間的脈沖電源在放電時(shí)對(duì)工件表面產(chǎn)生腐蝕作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。電火花工藝可加工多種高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的金屬材料，被廣泛用于各種模具型腔的加工及穿孔加工等，但由于存在放電間隙，，其加工精度往往不高。

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6  結(jié)論

采用精密模鍛的方法生產(chǎn)錐齒輪，具有高精度、高效率、低成本、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，有著較大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展前景。隨著當(dāng)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)其表面質(zhì)量、尺寸精度要求進(jìn)一步提高，提高企業(yè)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，成為增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的主要途徑。 本文主要針對(duì)廠家現(xiàn)有鍛造工藝及模具進(jìn)行改進(jìn)，使鍛件不產(chǎn)生較大的橫向飛邊，進(jìn)一步提高鍛件質(zhì)量，從而增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)摩擦壓力機(jī)上的閉塞鍛造；應(yīng)用 DEFORM-3D 對(duì)鍛造過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，使得工藝及模具設(shè)計(jì)更為合理；最后介紹了模具的加工方法。全文總結(jié)如下：（1）本文主要研究在摩擦壓力機(jī)上，通過(guò)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)閉塞鍛造。為此設(shè)計(jì)了圓柱彈簧合模機(jī)構(gòu)，將壓力機(jī)的主運(yùn)動(dòng)分解為合模運(yùn)動(dòng)和成形運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)該閉塞鍛造，研究表明該方案是可行的。（2）根據(jù)錐齒輪齒形的基本參數(shù)建立漸開(kāi)線齒廓曲線方程，在 UG 中通過(guò)表達(dá)式，便可準(zhǔn)確的生成齒形曲線并建立錐齒輪的三維模型，這樣可以最大程度的減少設(shè)計(jì)誤差，從而保證模具設(shè)計(jì)及鍛造模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：78055