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直齿圆柱齿轮精锻的生产性实验 |
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作者：林治平 谭险峰 闫洪 江雄心 林农 吴前进 |
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摘要：介绍利用中频感应加热，在3000kN摩擦压力机上热精锻大厚度直齿圆柱齿轮的经验，对精锻模具结构和精锻件精度进行了分析，所得结果为继续进行大厚度直齿圆柱齿轮精锻研究和小批量试生产提供了实验依据。
关键词：直齿圆柱齿轮；精锻；生产性实验
一、引言
直齿圆柱齿轮精锻生产性实验的目的在于了解物理模拟和理论分析结果是否适用于生产实践，并对工艺方案、模具结构、加热设备和锻压设备作进一步验证。例如，50年代我国曾用高速锤精锻直齿圆柱齿轮，打击速度达18～21m／s，由于冲击力大而且回程慢、闷模时间长，造成模具软化，模具寿命大大降低，因而没有得到推广应用。现在，我们提出在常规的摩擦压力机上精锻，其打击速度只有0.06～1.2m／s，这就需要通过生产性实验来了解是否能在一定条件下(指加热温度和模具结构等)使金属充满大厚度齿腔完成直齿圆柱齿轮的精锻。本文阐述作者在生产性实验中所采用的精锻工艺(包括加热和锻压设备选择)、模具结构和模具与锻件的精度，并总结出生产性实验的经验，为今后继续进行大厚度直齿圆柱齿轮精锻工艺研究和小批量试生产提供实验依据。
二、生产性实验中采用的精锻工艺
以图1所示厚度达26.5mm的拖拉机减速小齿轮(参数如表1所示)为对象，采用文献［1］模拟实验中所提出的一步冲挤成形工艺方案进行精锻。
图1减速小齿轮零件图
表1齿轮参数
| 法向模数 | m | 3.5 | 齿全高(mm) | h | 7.875 | | 齿数 | Z | 15 | 径向变位系数 | x | 0.395 | | 齿形角(°) | α | 20 | 齿厚(mm) | S | 6.504 | | 分度圆直径(mm) | d | 52.5 | 跨2齿公法线长度(mm) | W | 17.18 | | 齿顶圆系数 | ha* | 1 | | 齿隙系数 | C* | 0.25 | 精度等级 | JB179-83 | 8GL | | 齿顶高(mm) | ha | 4.883 | 基圆直径(mm) | db | 49.334 |
1.锻件图
由于采用精锻工艺要求齿面不再机加工，因此锻件的齿形按零件图设计，即齿顶圆、分度圆和齿根圆与零件图相应尺寸一致，所设计的锻件图如图2所示，图中括号内尺寸是考虑了钢的冷收缩率1.2%后的热锻件尺寸。锻件高度取为28+0.1是考虑了毛边厚1mm和下齿部端面的机加工余量0.5mm。零件图中的花键孔不锻出。冲孔连皮厚度取5mm，直径取Φ22～Φ26，拔模斜度为1°30′。锻件图中齿顶处的凸起是为保证上齿顶的完全充满而设计的。
图2锻件图
2.坯料
用Φ50的25CrMnTiB钢棒料在C615车床上车成Φ45×38的圆柱坯料。
3.加热
坯料在感应加热炉内加热到1100-1150℃后顶出(中频感应加热炉，2500Hz，160kW，配气动推杆)。由于加热时间短(在感应器内时间约1.5min，在高温区时间不到60s)，所以基本上无氧化皮。
4.精锻设备
选用摩擦压力机，其吨位选择按文献［2］意见计算，即单位压力p=8σs。参考文献［3］，25CrMnTi钢在1100℃和应变速率2～10/S下的屈服应力约为100kN/mm2，故p≌800KN/mm2。设终锻时锻件的投影面积为πr2(取r＝31mm)，则所需的压力机吨位约为
P＝πr2.p＝3019×800＝2400kN
因此，可以选用300t双盘式摩擦压力机精锻。实验时，将加热坯料置于固定在压力机上的精锻模内经1～2次打击成形，然后由摩擦压力机的下顶杆把锻件顶出。
5.模具润滑和锻后处理
凹模用盐水润滑和冷却以减少污染和适当加大凹模齿腔对锻坯所施加的向下的摩擦力。锻好的精锻齿轮取出后迅速埋进砂内冷却，以免齿部变形和齿面氧化。
三、精锻模结构
直齿圆柱齿轮精锻模是采用带有水冷装置的组合式浮动凹模结构，如图3所示。
图3直齿圆柱齿轮精锻模
1.组合式凹模
组合式凹模由三个预应力圈组成。带齿腔的内圈是保证齿形精度的主要零件，要求高精度、高强度，在设计中选用W18Cr4V钢，热处理硬度为HRC58～62。凹模齿形用数控线切割加工，钼丝直径为0.17mm。为节省材料和加工工时，将切割凹模齿形的余料作为顶料齿轮使用。两层预应力圈5和6对齿形凹模7施加径向和切向压应力，以便与精锻时所引起的切向和径向拉应力相抵消。本模具采用内预紧圈6的预紧量为齿形凹模外径的0.5%～0.55%，外预紧圈的预紧量为内预紧圈外径的0.3%～0.4%。
2.凹模的浮动与导向
凹模的上下浮动靠装在下模座内的4根弹簧保证。弹簧是根据支承凹模的重量和锻模打靠时所需的压缩量设计选用的。刚度太大会增加锻造力。压缩量不足会使锻模无法打靠，甚至破坏模具。凹模浮动时靠凹模套圈2和模芯15导向。
3.凸模结构与导向
根据若干次物理模拟和生产性实验的经验，在凸模台肩上设计了一种新型飞边槽，其特点是，在常规横向飞边槽的基础上，在正对凹模齿顶处开设一个宽度约为三分之一齿高的环形槽，用以保证锻件齿顶上端的充满。实验表明，若仅有横向飞边槽，由于其阻力不足以充满齿顶上端部，即使出现横向飞边，该处仍不能完全充满。凸模与凹模的定位靠凸模固定板9与凹模套圈2导向。
4.水冷、排气和锻件的顶出
为了提高模具寿命，在凹模中圈和外圈交界处设置了循环冷却水槽。在顶料齿轮8上钻有直径1～1.2mm的排气孔，下模垫板3上开有排气、排水槽，保证精锻时能充分去气、去污，使金属充满齿腔。锻件的顶出机构必需确保摩擦压力机回程时能将精锻件顶离齿形凹模，否则带齿锻件很难取出。
5.模具工作程序
精锻前首先用夹板和夹紧螺栓将定位好的上下模分别夹紧在床身和上滑块，然后调整好顶料装置的顶出行程，接通冷却水，用石墨水剂喷涂上模面，用盐水喷涂凹模面。精锻时，把热坯料置入凹模(靠齿根圆定位)，上模下行，首先进行冲孔挤压并带动浮动凹模下移，最后锻靠使金属完全充满齿腔并形成飞边。由上述精锻工艺和模具结构锻出的直齿圆柱齿轮如图4所示。
图4精锻的齿轮
四、精度分析
精锻齿轮的精度是用来保证传递运动的准确性，传动的平稳性，一定的传动侧隙(齿轮啮合时非工作齿面间应具有的间隙)和载荷分布的均匀性。根据零件图的技术要求，对影响上述4项要求的公法线长度变动进行了检测。测量是在南昌齿轮厂齿轮研究所进行，用公法线千分尺测定公法线长度变动，如图5所示。齿形凹模的精度是在精锻10个锻件后测量的，用铋(含量为99%以上)58%和锡(含量为99.9%以上)42%的低熔点合金浇注出齿形，然后按测定齿轮精度的方法测定。测量结果及其分析如下。
图5公法线长度测定
1.精锻齿轮精度
按图纸技术要求(JB179—83，8GL)查得跨两齿公法线长度(用W齿表示)为W齿＝17.18-0.128-0.285而精锻10件后测出的W为W齿＝17.474mm。显然，精锻的齿轮精度没达到要求。造成此现象的主要原因是，线切割加工时是按W齿＝17.18编程的，所以凹模齿腔的W凹应为W齿与钼丝直径d和两倍放电间隙δ0之和的两倍，即
W凹＝17.18+(d钼+2δ0)×2＝17.18+(0.17+2×0.01)×2＝17.56mm
因此，只要编程时考虑线切割钼丝直径及其工作时的放电间隙等各种因素的影响，就有可能锻出低精度(8级以下)要求的齿轮件。
2.凹模齿形精度
如上所述，锻打前的W凹为17.56mm，经锻打10个锻件后测出的数值为：W10凹＝17.609，故凹模的磨损量为：
ΔW凹＝W10凹-W凹＝0.048mm
该值说明，此次实验时凹模齿腔的磨损量还过大些。但是，通过更换凹模材料和改变热处理规范有可能使其磨损量大大下降。
3.测定结果分析
由测出的W`齿和W10凹可见，锻齿在跨两齿公法线长度方向的收缩量为：
δ齿＝W10凹-W`齿＝0.135mm
而按钢的收缩率1.2～1.5%，则凹模17.609的收缩量为：
17.609×(1.2～1.5)%＝0.211～0.264mm
但实际上δ齿仅有0.135mm，说明锻打时凹模还有弹性胀大，或锻件顶出凹模后也有弹性回复。
4.对提高凹模精度的建议
由于公法线长度与模数m成正比，即
W＝mcosα.〔π(k－0.5)+2invα〕＋2xmsinα
式中m—被测齿轮的模数，m＝3.5
α—分度圆压力角，α＝20°
Z—被测齿轮的齿数，Z＝15
x—变位系数数，x＝0.395
k—跨齿数，k＝(Z／9+0.5)＝2
所以，改变凹模齿形的模数m即可得到合格的锻件。m值可按下式计算：
式中δ`—钢的冷缩率，一般为1.2%～1.5%
δW—公法线长公差
h*a—齿顶圆系数
五、结论
通过生产性实验可得以下结论：
(1)所采用的精锻工艺方案是可行的，所设计的浮动凹模和凸模上的新型飞边结构能保证齿形的完全充满。此时，金属在浮动凹模积极摩擦力作用下先充满下齿腔角部，然后在新型飞边结构作用下完全充满齿腔上角部。
(2)摩擦压力机可以取代高速锤精锻直齿圆柱齿轮，其吨位可按文〔2〕的公式P＝Fp＝8σsF进行计算(F为接触面投影面积)。
(3)要采用少无氧化加热。加热温度要严格控制在1100～1150℃范围内，以1100℃为最佳。大于1150℃，金属易氧化，而且由于流动性太好易挤入顶料块与凹模的间隙形成纵向毛刺，既增大了顶出力，又加大模具磨损。小于1100℃，齿部充满效果不好，也增大了精锻力。
(4)用数控线切割加工成本低，只要按本文所提出的方法，编程时考虑钼丝直径、放电间隙和热胀冷缩等因素的影响，改变凹模的模数，就有可能锻出8级精度要求的齿轮。
(5)要适应批量实验和生产的要求，还需要对本模具结构作以下改进：本模具闭合高度过大，既不便装卸和固紧，也降低了打击力，建议将上下模的导向和凹模的浮动机构移到凹模套圈之外，或利用导柱导套导向；摩擦压力机自身所带的杠杆式顶出机构的顶出力太小，建议改为独立的液压顶出以增大顶出力。
参考文献
［1］林治平等.直齿圆柱齿轮精锻的工艺方案研究.塑性工程学报，1999，6(1).
［2］林治平等.直齿圆柱齿轮精锻的上限分析，第九届闽赣皖鲁湘五省锻压年会宣读文，1993.
［3］П И 波卢欣等著，林治平译.金属与合金的塑性变形抗力.北京：机械工业出版社，1984.(end)
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(4/24/2007) |
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