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圓柱齒輪是汽車自動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)量及綜合機械性能均要求很高。針對圓柱直齒輪冷鍛的困難性，提出了齒腔分流工藝，并結(jié)合浮動凹模技術(shù)，通過數(shù)值模擬與物理實驗相結(jié)合的方法，成功制備出鋼制圓柱直齒輪，并且成形過程大大的降低了工作載荷，提高了材料利用率，推動了圓柱直齒輪冷精鍛工藝的實用化進程。

圓柱齒輪是汽車自動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)量及綜合機械性能均要求很高。我國現(xiàn)階段圓柱齒輪的生產(chǎn)主要還是切削加工齒形，這種加工方法對坯料的形狀精度要求較高，需要對坯料進行一定的預(yù)處理，而且材料利用率低，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品成本高，同時由于金屬纖維被切斷從而降低了齒輪強度和使用壽命，因此，采用切削加工，耗工費時，浪費能源，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迅速發(fā)展起來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，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)品的市場競爭能力。圓柱齒輪的冷精鍛是在冷鍛基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因成形時不需要加熱坯料，成形零件具有表面質(zhì)量高，尺寸精度高等特點，但成形時材料的溫度低，變形抗力高，流動性差，致使鍛造載荷陡增，齒形充滿困難，模具變形磨損嚴重，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)合浮動凹模結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)圓柱直齒輪的凈近成形工藝。圖1為設(shè)計的模具有限元模型。
圖1 有限元模型
根據(jù)浮動凹模技術(shù)和齒腔分流法設(shè)計的生產(chǎn)用模具工裝如圖2所示，鍛件放入模膛內(nèi)，上模座帶動上凸模下行，利用凸、凹模自身導(dǎo)向進行定位，上凸模先利用模套導(dǎo)入凹模內(nèi)，然后帶動凹模一起向下運動完成冷鍛成形。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，通過環(huán)形件繼續(xù)下壓浮動凹模，同時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，通過拉桿將凹模復(fù)位。之后進行下一次鍛造成形。整個鍛造過程中，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浮動凹模 14坯料 15拉桿
圖2 生產(chǎn)用模具簡圖
齒腔分流法是在凹模標準齒腔的頂端設(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標準齒腔時，即可停止加載。鍛件只需要經(jīng)過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
對圓柱直齒輪鍛件成形過程進行建模及計算機仿真，并設(shè)計模具工裝，如圖4所示，進行物理實驗，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)過少量的外緣車削或磨削能夠得到合格的齒輪零件。并且驗證，齒腔分流法與傳統(tǒng)封閉式冷鍛相比，載荷下降了50%。
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圖5 實驗鍛件圖
通過數(shù)值模擬及物理實驗驗證，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，能極大的推動圓柱直齒輪冷鍛實用化的研究。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎
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