摘要：研究了直齿圆柱齿轮的冷精锻过程，分析了分流孔形状、成形工艺等因素对齿轮成形的影响。结果显示，选择适当的分流孔尺寸可以降低成形载荷，但作用不很明显。采用凹模运动方式可调的齿轮精锻法可以同时兼顾齿轮上、下角部的成形，利于齿轮的填充，降低成形载荷。
关键词：直齿圆柱齿轮；冷精锻；成形工艺
中图分类号：TG316
1 引言
齿轮作为传递运动和动力的最基本零件之一，在工程领域有着非常广泛的应用。采用精锻工艺生产直齿圆柱齿轮是一种极具开发前景的新工艺、新技术，相对传统切削加工方法而言，它不仅可使齿轮加工的材料利用率由目前的40%左右提高到70%以上，而且提高齿轮强度20%以上、生产效率40%左右〔1，2〕。
直齿圆柱齿轮精密成形尽管具有很大的市场应用前景，但由于齿形（特别是上下角隅处）充填困难，需要较大的成形力，引起凹模型腔壁压强过大，导致凹模容易开裂，因此目前尚处于工艺探索和实验室研究阶段［3，4］。本文采用数值模拟结合实验研究方法，系统分析了分流孔毛坯形状、工艺方案等因素对成形的影响，为最终优化工艺实现冷精锻成形奠定了基础。
2 实验设备和实验方法
直齿圆柱齿轮的相关参数如表1所示，实验模具结构见图1。表1 齿轮尺寸
实验模具简图
Fig.1 Outline of experiment apparatus
3 试验结果与分析
3.1带分流孔毛坯对齿轮成形的影响
实验所用毛坯尺寸如图2。
（a）孔径f20mm（b）孔径f25mm （c）孔径f30mm
图2 带分流孔毛坯图
采用图1所示模具结构，毛坯材料为15钢（冷态）、工作速度为2mm/s、摩擦因子为0.3，通过DEFORM软件对成形过程进行数值模拟，得到表2所示的结果。表2 带分流孔毛坯的数值模拟结果
| 分流孔径（mm） | 工作载荷（kN） | 实际行程（mm） | 填充情况 | | 20 | 5079.8*1 | 18 | 齿轮上角部未充满，分流孔先闭合 | | 25 | 6451 | 22 | 填充较好，上角部有圆角，分流孔刚好闭合 | | 30 | 4122*2 | 27 | 充填不好，分流孔未闭合 |
*1分流孔提前闭合，心部金属重叠导致网格发生畸变，零件为次品
*2出现了双鼓现象，金属重叠导致网格发生畸变，零件为次品从表中可以看出，在模拟过程中，分流孔径为20mm的毛坯由于分流孔在齿形填充前就已经闭合，从而造成心部金属重叠导致网格发生畸变，模拟过程在齿轮上角部未充满的情况下就退出了计算，这说明分流孔径为20mm的毛坯没有实现分流作用。而对于孔径为25mm的毛坯，中心孔在毛坯进入填充阶段以后才闭合，分流作用能体现出来。孔径为30mm的毛坯由于壁厚太薄，出现了双鼓现象，金属重叠导致网格严重畸变，模拟过程没能完成。
a）孔径为f20mm（b）孔径为f25mm
(c) 孔径为f30mm
图3等效应变图
图3为等效应变分布图，从图中可以看出，孔径20mm和25mm毛坯的等效应变表现基本相同，表层的等效应变略大于内部的，说明这两种毛坯的金属向内流动和向外填充齿形的趋势较一致，而孔径30mm毛坯的内孔等效应变大于外圈，说明这种毛坯向齿腔填充的效果不好。3种毛坯镦粗引起的内孔收缩不一样，在齿形还没有较好填充时内孔为f20mm毛坯的孔径基本闭合，内孔为f30mm的毛坯内孔收缩快于外圈填充，而孔径25mm的毛坯则是内孔收缩和齿形填充较好地同步进行。
不同孔径毛坯的力—行程曲线如图4所示。
图4 力-行程曲线
从图4可以看出，3条曲线的走势基本相同，在刚开始阶段上升得比较快，行程大于3mm以后曲线比较平缓，工作载荷高于3000kN以后曲线就开始急剧上升。但是细节上各有不同：孔径为f20mm的毛坯由于内孔收缩较快，所以载荷在较小行程时就急剧上升；而孔径为f30mm的毛坯则是由于内孔收缩较慢，载荷迟迟没有进入陡升阶段。孔径为f25mm的毛坯曲线刚好介于其他两条曲线之中。在曲线的最后阶段，由于孔径为f20mm的毛坯内孔提前闭合和孔径为f30mm的毛坯壁厚太薄出现双鼓现象使得模拟未能完成，而造成曲线不完整。孔径为f25mm毛坯的内孔收缩和齿形填充较为协调一致，齿形填充完全时内孔刚好闭合，使得模拟得以完成；同时力-行程曲线在陡升的最后阶段还开始变得平缓，分流作用得到了体现，但作用不很明显，相对无分流孔成形，载荷仅降低了2％。
采用紫铜毛坯制成带 25mm分流孔的毛坯，对成形过程进行工艺试验，毛坯表面采用动物油脂润滑，当工作载荷达到2800kN时得到了如图5所示的齿轮样件。
图5 孔径为f25mm的样件
样件中心孔刚好闭合；齿形填充情况具有采用普通强制浮动凹模进行精锻成形的典型特征，齿轮毛坯的下角部充填非常完全，而且在凹模的强制带动下还形成了很大的毛刺；中部填充也较好，但边角部稍圆浑；齿坯的上角部圆角较大。
上述特征和数值模拟结果吻合，说明数值模拟的结果比较可靠。
3.2 浮动凹模可调模具成形
采用浮动凹模时，由于摩擦力的作用，齿坯充填不均匀，一边充填作用则较好；而另一边充填作用较弱。因此可以使浮动凹模在整个精锻过程中是可调的，开始时先下移，到一定程度后再上移，使齿坯的上下角部齿形都有机会得到良好的充填。而且由于齿形充填均匀，将导致成形载荷的降低，减少无用功。
模具结构如图6示，材料为15钢（冷态），工作速度为2mm/s，摩擦因子为0.3。毛坯仍采用带 25分流方案，模拟其成形过程。当工作载荷为5691kN、行程为15mm时得到填充完好的工件。
图6 试验模具简图
从图7可以看出，整条曲线只在打靠阶段才陡升，上升趋势较平缓。齿轮成形载荷也有所降低，比强制浮动凹模结构的成形载荷约降低12.8％。
图7 力-行程曲线
试验条件如2.1节所述，但采用凹模运动方式可调，先下移8.6mm，再上移0.6mm，加载至2800kN获得的紫铜齿轮件如图8。
图8 工艺试验得到的齿轮样件
从齿轮样件可以看出：整个齿轮齿形填充非常完好。而采用单纯浮动凹模，在2800kN时，都无法得到如此清晰的齿轮件（见图5）,上角部齿形远未充满。
4 结 论
1）选择适当的分流孔尺寸可以降低成形载荷，但作用不很明显，载荷比实心毛坯降低约2％左右。
2）采用浮动凹模浮动模式可调的齿轮精锻法，齿形的充填过程比较均匀，因而能在较低载荷下获得充填完全的齿轮，不失为一种较好的齿轮精锻方法。
参考文献
1.林治平，陶泽球等. 直齿圆柱齿轮精锻工艺方案的研究，锻压技术，1999,(2):9
2.K Kondo, K Ohga. Precision cold die forging of a ring gear by divided flow method, Int. J. Mach. Tools.Manu. fact., 1995,35 (8): 1105
3.N R Chitkara, M A Bhuttr. Near-net shape forging of spur gear forms: an analysis and some experiments, Int. J. Mech. Sci., 1996,39(8-9): 891
4.陈泽中,包忠诩等.直齿圆柱齿轮精锻技术的研究进展. 金属成形工艺，1999,17(5): 1
5.K Kondo, T Jitsunari, K Ohga. Investigations on cold die forging a gear utilizing divided flow (first report, examination of applicable condition for a gear), Bulletin of JSME, 1985.28(244): 2442(end)
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