直齿圆柱齿轮精锻工艺的研究

直齿圆柱齿轮精锻工艺的研究

崔志利  ,朱海浪   ,许婷

第一拖拉机股份有限公司齿轮传动公司   河南洛阳  471000

摘要：无飞边模锻工艺应用越来越广泛，不仅降低了生产成本，也提高了材料利用率和生产效率，但是其模具承受荷载力过大，且寿命较低，需要通过合理设计和精锻工艺以提高生产水平。文章主要结合某直齿圆柱齿轮展开论述，讨论如何开展齿轮精锻工艺内容，通过数值模拟提出具体实行方案，以此来实现实际改进，促进生产有序进行。

关键词：无飞边模锻；直齿圆柱齿轮；精锻工艺；载荷

前言：无飞边模锻具有较多优势：材料利用率高；生产产品质量佳；精度有所保障；容易实现自动化生产，目前在不同复杂构件的生产中均有应用。在进行模锻时，由于其模具会承受较大的荷载，且磨损速度快，因此整体来看使用周期较短，不利于降低生产成本。为延长其使用寿命，一般可以从材料质量入手，结合润滑技术减少摩擦和构件结构。

1 某直齿圆柱齿轮概况

该直齿圆柱齿轮参数如下：齿数：18；法向模数：3；变位系数：0.225；精度要求：9级。一端属于轴部，外径尺寸：35mm；内径尺寸：19mm；轴部长度：10mm；另外一端属于齿轮部，齿顶圆直径：61.15mm；分度圆直径：54mm；带轴齿轮长度：20mm；轴部和齿轮部之间的过渡：圆弧过渡，尺寸：3mm。齿轮成形主要采用了温锻工艺；齿部成形采用了精锻工艺[1]。

图1 圆柱齿轮

锻造成形之后，其齿部不需要再次进行加工。其中，轴部和内径预留了一定的加工余量，以此来完成后续机加工。齿轮主要材料为20CrMnTi合金钢（主要化学成分可见表1），这种材料属于渗碳合金钢，其性能良好，且淬透性高。经过渗碳淬火之后，表面硬度高耐磨性好，心部韧性好，在低温状态下具备一定冲击韧性；正火之后，其切削性能极佳。

表1 20CrMnTi合金钢化学成分表

2 建立仿真模型

2.1 明确建立方向

在建立模型之前，相关人员需要了解锻造与材料之间的关系，以此来提高模型建立的科学性和可使用性。锻造工艺会对构件产品性能产生一定影响，例如：锻造过程中，金属会产生定向流动，从而形成一定纤维[2]。随着锻造比不断增长后，塑形以及韧性指标均会随之提升（方向为径向）；同时，力学性能指标随之下降（方向为轴向）。在建立直齿圆轮仿真模型前，需要根据其特性建立计算。首先，建立1/5模型，计算后利用SolidWorks完成三维建模模型：（1）凸模；（2）坯料；（3）凹模。建立模型后，将其导入DEFORM中。接着，在材料库选择使用材料：20CrMnTi合金钢，通过网格细化处理以及设置对称条件，将上凸模、下凸模以及凹模作为钢体。结合常剪切摩擦类型，将摩擦因数设置为0.1。与此同时，将最小网格尺寸数据作为主要参考，明确模拟步长。

图2 凸模

图3 坯料

图4 凹模

2.2 分析仿真模型

根据模型仿真进行实际分析：锻造前期阶段，坯料呈镦粗状态，与凹模并无接触。此时，其上表面和下表面位置，与凸模心部接触，实际等效应力值相应变大，最大可达到644MPa。逐步进入锻造中期时，坯料与凹模齿形之间的接触面积发生变化，成扩大趋势。在此基础上，凹模接触的齿根部等效应力值以极快的速度上升，其中最大接触等效应力值可达到902MPa。坯料心部金属会开始移动，主要沿轴向发生变化。因其变形不明显，所以齿轮心部等效应力值较小。锻造后期阶段，齿轮中间位置的成形基本已经完成。在条件影响下，金属会逐渐发生填充现象，并移动至轮齿两端位置。轮齿中间齿顶和凹模接触处会出现最大等效应力值，其数据值可达到921MPa。齿轮闭式模锻过程如下：（1）镦粗；（2）轮齿成形；（3）填充。将3个阶段进行比较，填充阶段的金属流动空间相对更小一些。该阶段的载荷可以在较短时间内达到峰值，最大为778kN。

2.2.1 浮动凹模工艺

该种工艺流程下，锻件变形前期，坯料与上凸模会发生较为明显的接触，在此种情况下，载荷数值迅速增大，达到147kN。其中，坯料和上凸模、下凸模发生接触时，等效应力值也会随之增涨。上凸模与凹模下行之后，金属会向凹模模腔进行完整填充，促使齿部逐渐完成成形目的。与凹模接触面积增加后，整体载荷值呈现上升状态，数值上升较为稳定；齿根等效应力值相对来说更大一些。进入锻造后期阶段，齿面填充处于完成状态，会与凹模完全接触。此时载荷值可达到705kN，等效应力值变大。对比原工艺，最大等效应力值和不同阶段的载荷参数相对变小：模具载荷参数至少下降了10%，主要原因为该种类型的凹模结构可以促进两者之间发行摩擦力转变，也即阻力转为动力，这不仅会促进金属持续保持流动状态，也会实现降低载荷值的目标。除此之外，最终锻件齿面等效应力值分布呈均匀态势，代表着该种结构促使齿部下方得到充分填充。凹模速度与材料流速相比较，可分为以下3种情况：（1）前者比后者大时，坯料会相对于凹模，进行向上运动。此时所产生的摩擦力有助于其成形；（2）前者与后者速度相等时，无摩擦力；前者比后者小时，摩擦力呈现向上趋势，会阻碍其成形。由此可知，利用浮动凹模工艺会实现降载目标，并确保凹模速度比材料流速大。基于此，促进模具延长使用寿命，从而降低生产成本。

2.2.2 孔分流工艺

进入环形坯料镦粗阶段时，凸模与坯料之间发生接触，载荷值会随之产生一定变化，一般呈上升状态，数值可至122kN。等效应力值更大的情况：（1）坯料心部和上表面接触；（2）坯料心部和下表面接触。构件变形影响下，载荷值不断增加[3]。坯料中的部分金属径向流动填充逐渐形成齿形；其他金属流向主要向中间流动，从而达到降低载荷的效果。最大载荷值为589kN，比原工艺降低了25%左右的数值。综上所述，孔分流工艺也可以运用于改良工艺中，以降低载荷延长模具实际使用周期，为生产提供更加长效可靠的工艺基础。

图5 仿真分析模型图

3 模拟试验

结合构建的仿真模型进行工艺试验，在压力机上完成直齿圆柱齿轮试生产过程。浮动凹模模锻工艺主要材料为柱形坯料；孔分流模锻工艺主要材料为环形坯料，这种材料有中心孔。加工之前，需要通过润滑处理保证运行正常。生产后的直齿圆柱齿轮半成品如下：（1）齿形填充较为完整；（2）表面光洁干净；（3）质量良好；（4）无不良缺陷，如断裂等。后期可再次利用机加工获取成品齿轮。工艺试验数据（见表1）可知，2种工艺与仿真试验的误差值均小于10%。由此可见，误差值较小，此次仿真试验的结果可以作为参考。

表1模拟试验数据

4 在线检测精锻直齿圆柱齿轮

在完成相关工艺后，需要对其进行严格检测，以确定是否可以投入实际生产。

4.1.1 安装装置

在底座安装2个构件：（1）机器人；（2）直齿齿轮定位夹具。激光测头连接在机器人前端处，并利用螺栓对其进行固定。使用数据线连接计算机，主要用来实时接收检测系统的数据信息。

4.1.2 检测齿轮

将齿轮放在定位夹具上，之后利用激光测头发射器，向被测齿轮齿面发射激光束[4]。收集激光测头内部的数据采集卡信息，作为计算参数使用。

4.1.3 显示结果

检测结果包含法截面齿面点数据等，相关人员可以使用信号接收器接收信号；其次，借助内置数据采集卡，检测最终结果；最后，利用数据线，传输信息至计算机，显示最终检测结果。

4.1.4 判断结果

如果将弦齿厚和锻造闭模高度数值不同状态下（热态和冷态）的数值相乘，其线膨胀系数最终数值一致，则代表齿轮运行尺寸处于合格状态，可以投入具体生产中。反之，则必须停止生产，并找出实际原因进行调整，达到生产要求后才可继续使用。

5 结论

利用DEFORM软件，完成仿真模拟。模拟分析结果：齿轮成形全过程包含镦粗、轮齿成形以及填充。其中，填充阶段的金属流动空间相对更小，因此其载荷可以在较短时间内达到最大值：778kN。改良后的工艺，其最大等效应力值均小于原工艺。浮动凹模模锻工艺和孔分流模锻工艺均可实现降低载荷的目标，有利于提高生产效率和生产效益。根据试验结果和研究内容，相关人员可作借鉴改良工艺，以延长直齿圆柱齿轮使用寿命，促进生产稳步开展。

参考文献：

[1]洪新阳,王士灿,周昊奕,等.20CrMnTi倒挡中间齿轮精锻成形工艺模拟与优化[J].浙江水利水电学院学报,2019,31(04):67-73.

[2]刘永康.齿轮齿部特征的锻造与机加工制造工艺对其性能影响的机理分析[J].锻造与冲压,2022,000(11):50-54.

[3]卜军伟,蔡云.基于DEFORM的直齿圆柱齿轮精锻工艺[J].锻压技术,2021,46(11):43-48.

[4]王银根，高泊依，郭志强等.圆柱直齿齿轮精锻工艺和实践[J].农业装备与车辆工程，2018,207（10）:47-52