塑膠模具：齒輪精密成形技術的研究

1、塑膠模具：齒輪精密成形技術的研究塑膠模具：齒輪精密成形技術的研究內容摘要:摘要：研究了直齒圓柱齒輪的冷精鍛過程，分析了分流孔形狀、成形工藝等因素對齒輪成形的影響。結果顯示，選擇適當?shù)姆至骺壮叽缈梢越档统尚屋d荷，但作用不很明顯。采用凹模運動方式可調的齒輪精鍛法可以同時兼顧齒輪上、下角部的成形，利于齒輪的填充，降低成形載荷。關鍵詞：直齒圓柱齒輪。摘要：研究了直齒圓柱齒輪的冷精鍛過程，分析了分流孔形狀、成形工藝等因素對齒輪成形的影響。結果顯示，選擇適當?shù)姆至骺壮叽缈梢越档统尚屋d荷，但作用不很明顯。采用凹模運動方式可調的齒輪精鍛法可以同時兼顧齒輪上、下角部的成形，利于齒輪的填充，降低成形載荷。關鍵詞：

2、直齒圓柱齒輪；冷精鍛；成形工藝中圖分類號：TG3161 引言齒輪作為傳遞運動和動力的最基本零件之一，在工程領域有著非常廣泛的應用。采用精鍛工藝生產直齒圓柱齒輪是一種極具開發(fā)前景的新工藝、新技術，相對傳統(tǒng)切削加工方法而言，它不僅可使齒輪加工的材料利用率由目前的 40%左右提高到 70%以上，而且提高齒輪強度 20%以上、生產效率 40%左右1，2。直齒圓柱齒輪精密成形盡管具有很大的市場應用前景，但由于齒形（特別是上下角隅處）充填困難，需要較大的成形力，引起凹模型腔壁壓強過大，導致凹模容易開裂，因此目前尚處于工藝探索和實驗室研究階段3，4。本文采用數(shù)值模擬結合實驗研究方法，系統(tǒng)分析了分流孔毛坯形狀

3、、工藝方案等因素對成形的影響，為最終優(yōu)化工藝實現(xiàn)冷精鍛成形奠定了基礎。2 實驗設備和實驗方法直齒圓柱齒輪的相關參數(shù)如表 1 所示，實驗模具結構見圖 1。表 1 齒輪尺寸齒輪齒數(shù)18 模數(shù)3mm 齒厚25mm 壓力角20實驗模具簡圖Fig.1 Outline of experiment apparatus3 試驗結果與分析3.1 帶分流孔毛坯對齒輪成形的影響實驗所用毛坯尺寸如圖 2。（a）孔徑 f20mm（b）孔徑 f25mm （c）孔徑 f30mm圖 2 帶分流孔毛坯圖采用圖 1 所示模具結構，毛坯材料為 15 鋼（冷態(tài)）、工作速度為 2mm/s、摩擦因子為0.3，通過 DEFORM 軟件對成

4、形過程進行數(shù)值模擬，得到表 2 所示的結果。表 2 帶分流孔毛坯的數(shù)值模擬結果分流孔徑（mm）工作載荷（kN）實際行程（mm）填充情況 205079.8*118 齒輪上角部未充滿，分流孔先閉合 25645122 填充較好，上角部有圓角，分流孔剛好閉合 304122*227充填不好，分流孔未閉合*1 分流孔提前閉合，心部金屬重疊導致網(wǎng)格發(fā)生畸變，零件為次品*2 出現(xiàn)了雙鼓現(xiàn)象，金屬重疊導致網(wǎng)格發(fā)生畸變，零件為次品從表中可以看出，在模擬過程中，分流孔徑為 20mm 的毛坯由于分流孔在齒形填充前就已經閉合，從而造成心部金屬重疊導致網(wǎng)格發(fā)生畸變，模擬過程在齒輪上角部未充滿的情況下就退出了計算，這說明分

5、流孔徑為 20mm 的毛坯沒有實現(xiàn)分流作用。而對于孔徑為 25mm 的毛坯，中心孔在毛坯進入填充階段以后才閉合，分流作用能體現(xiàn)出來。孔徑為 30mm 的毛坯由于壁厚太薄，出現(xiàn)了雙鼓現(xiàn)象，金屬重疊導致網(wǎng)格嚴重畸變，模擬過程沒能完成。a）孔徑為 f20mm（b）孔徑為 f25mm(c) 孔徑為 f30mm圖 3 等效應變圖圖 3 為等效應變分布圖，從圖中可以看出，孔徑 20mm 和 25mm 毛坯的等效應變表現(xiàn)基本相同，表層的等效應變略大于內部的，說明這兩種毛坯的金屬向內流動和向外填充齒形的趨勢較一致，而孔徑 30mm 毛坯的內孔等效應變大于外圈，說明這種毛坯向齒腔填充的效果不好。3 種毛坯鐓粗引

6、起的內孔收縮不一樣，在齒形還沒有較好填充時內孔為 f20mm 毛坯的孔徑基本閉合，內孔為 f30mm 的毛坯內孔收縮快于外圈填充，而孔徑 25mm 的毛坯則是內孔收縮和齒形填充較好地同步進行。不同孔徑毛坯的力行程曲線如圖 4 所示。圖 4 力-行程曲線從圖 4 可以看出，3 條曲線的走勢基本相同，在剛開始階段上升得比較快，行程大于 3mm以后曲線比較平緩，工作載荷高于 3000kN 以后曲線就開始急劇上升。但是細節(jié)上各有不同：孔徑為 f20mm 的毛坯由于內孔收縮較快，所以載荷在較小行程時就急劇上升；而孔徑為 f30mm 的毛坯則是由于內孔收縮較慢，載荷遲遲沒有進入陡升階段?？讖綖?f25mm

7、 的毛坯曲線剛好介于其他兩條曲線之中。在曲線的最后階段，由于孔徑為 f20mm 的毛坯內孔提前閉合和孔徑為 f30mm 的毛坯壁厚太薄出現(xiàn)雙鼓現(xiàn)象使得模擬未能完成，而造成曲線不完整?？讖綖?f25mm 毛坯的內孔收縮和齒形填充較為協(xié)調一致，齒形填充完全時內孔剛好閉合，使得模擬得以完成；同時力-行程曲線在陡升的最后階段還開始變得平緩，分流作用得到了體現(xiàn)，但作用不很明顯，相對無分流孔成形，載荷僅降低了 2。采用紫銅毛坯制成帶 25mm 分流孔的毛坯，對成形過程進行工藝試驗，毛坯表面采用動物油脂潤滑，當工作載荷達到 2800kN 時得到了如圖 5 所示的齒輪樣件。圖 5 孔徑為 f25mm 的樣件樣

8、件中心孔剛好閉合；齒形填充情況具有采用普通強制浮動凹模進行精鍛成形的典型特征，齒輪毛坯的下角部充填非常完全，而且在凹模的強制帶動下還形成了很大的毛刺；中部填充也較好，但邊角部稍圓渾；齒坯的上角部圓角較大。上述特征和數(shù)值模擬結果吻合，說明數(shù)值模擬的結果比較可靠。3.2 浮動凹?？烧{模具成形采用浮動凹模時，由于摩擦力的作用，齒坯充填不均勻，一邊充填作用則較好；而另一邊充填作用較弱。因此可以使浮動凹模在整個精鍛過程中是可調的，開始時先下移，到一定程度后再上移，使齒坯的上下角部齒形都有機會得到良好的充填。而且由于齒形充填均勻，將導致成形載荷的降低，減少無用功。模具結構如圖 6 示，材料為 15 鋼（冷

9、態(tài)），工作速度為 2mm/s，摩擦因子為 0.3。毛坯仍采用帶 25 分流方案，模擬其成形過程。當工作載荷為 5691kN、行程為 15mm 時得到填充完好的工件。圖 6 試驗模具簡圖從圖 7 可以看出，整條曲線只在打靠階段才陡升，上升趨勢較平緩。齒輪成形載荷也有所降低，比強制浮動凹模結構的成形載荷約降低 12.8。圖 7 力-行程曲線試驗條件如 2.1 節(jié)所述，但采用凹模運動方式可調，先下移 8.6mm，再上移 0.6mm，加載至2800kN 獲得的紫銅齒輪件如圖 8。圖 8 工藝試驗得到的齒輪樣件從齒輪樣件可以看出：整個齒輪齒形填充非常完好。而采用單純浮動凹模，在 2800kN 時，都無法

10、得到如此清晰的齒輪件（見圖 5）,上角部齒形遠未充滿。4 結 論1）選擇適當?shù)姆至骺壮叽缈梢越档统尚屋d荷，但作用不很明顯，載荷比實心毛坯降低約2左右。2）采用浮動凹模浮動模式可調的齒輪精鍛法，齒形的充填過程比較均勻，因而能在較低載荷下獲得充填完全的齒輪，不失為一種較好的齒輪精鍛方法。參考文獻1.林治平，陶澤球等. 直齒圓柱齒輪精鍛工藝方案的研究，鍛壓技術，1999,(2):92.K Kondo, K Ohga. Precision cold die forging of a ring gear by divided flowmethod, Int. J. Mach. Tools.Manu. fact., 1995,35 (8): 11053.N R Chitkara, M A Bhuttr. Near-net shape forging of spur gear forms: ananalysis and some experiments, Int. J. Mech. Sci., 1996,39(8-9): 8914.陳澤中,包忠詡等.直齒圓柱齒輪精鍛技術的研究進展. 金屬成形工藝，1999,17(5): 15.K Kondo, T Jitsunari, K