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圓柱齒輪是汽車自動(dòng)變速器上的重要零件，其形狀復(fù)雜，材質(zhì)、尺寸精度、表面質(zhì)量及綜合機(jī)械性能均要求很高。針對(duì)圓柱直齒輪冷鍛的困難性，提出了齒腔分流工藝，并結(jié)合浮動(dòng)凹模技術(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，成功制備出鋼制圓柱直齒輪，并且成形過(guò)程大大的降低了工作載荷，提高了材料利用率，推動(dòng)了圓柱直齒輪冷精鍛工藝的實(shí)用化進(jìn)程。

圓柱齒輪是汽車自動(dòng)變速器上的重要零件，其形狀復(fù)雜，材質(zhì)、尺寸精度、表面質(zhì)量及綜合機(jī)械性能均要求很高。我國(guó)現(xiàn)階段圓柱齒輪的生產(chǎn)主要還是切削加工齒形，這種加工方法對(duì)坯料的形狀精度要求較高，需要對(duì)坯料進(jìn)行一定的預(yù)處理，而且材料利用率低，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品成本高，同時(shí)由于金屬纖維被切斷從而降低了齒輪強(qiáng)度和使用壽命，因此，采用切削加工，耗工費(fèi)時(shí)，浪費(fèi)能源，污染環(huán)境，已不能適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需要。冷精鍛成形是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種精密塑性成形新工藝。該工藝不僅具有高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗等優(yōu)點(diǎn)，而且可以顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。圓柱齒輪的冷精鍛是在冷鍛基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因成形時(shí)不需要加熱坯料，成形零件具有表面質(zhì)量高，尺寸精度高等特點(diǎn)，但成形時(shí)材料的溫度低，變形抗力高，流動(dòng)性差，致使鍛造載荷陡增，齒形充滿困難，模具變形磨損嚴(yán)重，壽命低，阻礙了冷鍛工藝的推廣。由此，研究組提出了圓柱齒輪的冷精鍛成形新工藝，即采用分流原理和約束分流的方法，并結(jié)合浮動(dòng)凹模結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)圓柱直齒輪的凈近成形工藝。圖1為設(shè)計(jì)的模具有限元模型。
圖1 有限元模型
根據(jù)浮動(dòng)凹模技術(shù)和齒腔分流法設(shè)計(jì)的生產(chǎn)用模具工裝如圖2所示，鍛件放入模膛內(nèi)，上模座帶動(dòng)上凸模下行，利用凸、凹模自身導(dǎo)向進(jìn)行定位，上凸模先利用模套導(dǎo)入凹模內(nèi)，然后帶動(dòng)凹模一起向下運(yùn)動(dòng)完成冷鍛成形。之后上模座上行，張開一定高度后在凹模上放入環(huán)形件，然后模座下行，通過(guò)環(huán)形件繼續(xù)下壓浮動(dòng)凹模，同時(shí)將鍛件頂出凹模型腔。上模座再次上行到一定位置，取下環(huán)形件和鍛件之后上模座再上行，通過(guò)拉桿將凹模復(fù)位。之后進(jìn)行下一次鍛造成形。整個(gè)鍛造過(guò)程中，下凸模的齒形部位始終保持在凹模型腔內(nèi)，凹模沿導(dǎo)柱下滑，這種結(jié)構(gòu)能夠有效地利用軸向摩擦力，以利于上、下角落的充填，
1上模座 2上墊板 3上墊片 4法蘭5上凸模 6 模套7壓簧 8定位銷 9下模座 10下墊板11壓板 12下凸模 13浮動(dòng)凹模 14坯料 15拉桿
圖2 生產(chǎn)用模具簡(jiǎn)圖
齒腔分流法是在凹模標(biāo)準(zhǔn)齒腔的頂端設(shè)置分流型腔。如圖3所示，只要齒形最難充填的上下角隅及齒頂棱線部分的充填超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)齒腔時(shí)，即可停止加載。鍛件只需要經(jīng)過(guò)少量的外緣車削或者磨削，不需要加工齒面，就可以得到精度很高的齒輪零件。而且能夠有效避開冷鍛最后階段的載荷急劇上升。 圖3 齒腔分流凹模齒形輪廓線
對(duì)圓柱直齒輪鍛件成形過(guò)程進(jìn)行建模及計(jì)算機(jī)仿真，并設(shè)計(jì)模具工裝，如圖4所示，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，成功試制出鋼制圓柱直齒輪，得到的鍛件如圖5，齒形成形完好，經(jīng)過(guò)少量的外緣車削或磨削能夠得到合格的齒輪零件。并且驗(yàn)證，齒腔分流法與傳統(tǒng)封閉式冷鍛相比，載荷下降了50%。
圖4實(shí)驗(yàn)?zāi)＞邔?shí)物圖
圖5 實(shí)驗(yàn)鍛件圖
通過(guò)數(shù)值模擬及物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此新工藝可有效改變摩擦條件，改善坯料在模具型腔的充填情況，減小模具表面的接觸壓力，降低成形載荷，減少模具摩擦， 提高了產(chǎn)品精度，降低了成本，能極大的推動(dòng)圓柱直齒輪冷鍛實(shí)用化的研究。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎(jiǎng)
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