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基本信息

項(xiàng)目名稱:
基于浮動凹模和齒腔分流原理的圓柱直齒輪冷精鍛技術(shù)
小類:
能源化工
簡介:
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(jī)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(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(shí)用化進(jìn)程。
詳細(xì)介紹:
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(jī)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(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,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(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(diǎn),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(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),然后帶動凹模一起向下運(yùn)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(jìn)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(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標(biāo)準(zhǔn)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(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,能極大的推動圓柱直齒輪冷鍛實(shí)用化的研究。

作品圖片

  • 基于浮動凹模和齒腔分流原理的圓柱直齒輪冷精鍛技術(shù)
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

作品設(shè)計(jì)目的:圓柱齒輪的冷精鍛成形時,零件具有表面質(zhì)量高,尺寸精度高等特點(diǎn),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(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,即將圓柱直齒輪的冷精鍛成形與浮動凹模及齒腔分流原理相結(jié)合,成功制備出鋼制圓柱直齒輪,實(shí)現(xiàn)圓柱直齒輪的凈近成形。 基本思路:1、利用分流原理和約束分流的方法,并采用浮動凹模結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)模具工裝;2、建立有限元模型,對圓柱直齒輪的冷精鍛成形新工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬;3、根據(jù)數(shù)值模擬和分析結(jié)果,采用閉式模鍛工藝,冷精鍛成形圓柱齒輪。 創(chuàng)新點(diǎn):將浮動凹模技術(shù)與齒腔分流法相結(jié)合,開展圓柱直齒輪的冷精鍛成形工藝研究,有效改善了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,提高產(chǎn)品精度,降低成本,極大的推動圓柱直齒輪冷鍛實(shí)用化的研究。 技術(shù)關(guān)鍵:1、精確模擬圓柱直齒輪冷精鍛成形過程,掌握冷鍛過程中金屬流動規(guī)律,制定出最佳冷精鍛成形工藝;2、設(shè)計(jì)和制造圓柱齒輪冷精鍛精密成形工裝;3、完成典型鋼制圓柱直齒輪的冷精鍛試制。 主要技術(shù)指標(biāo):1、冷精鍛成形出圓柱直齒輪,齒形單邊機(jī)加工余量不超過1mm,尺寸誤差小于0.5mm,其綜合性能指標(biāo)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn);2、材料利用率大大提高,達(dá)到70%以上;3、降低圓柱齒輪的成形載荷至少30%以上;齒輪生產(chǎn)效率提高30%—40%;4、齒輪強(qiáng)度提高20%,抗彎疲勞壽命提高20%。

科學(xué)性、先進(jìn)性

目前,國內(nèi)圓柱齒輪生產(chǎn)大多采用傳統(tǒng)的切削加工方法,對坯料的形狀精度要求較高,需要預(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(qiáng)度和使用壽命。采用熱模鍛法生產(chǎn)圓柱齒輪,需要加熱,鐓粗去除氧化皮,成形后切除飛邊等工序,材料利用率低,成形工序多,生產(chǎn)效率低。另外通過鑄造的方法加工齒輪,雖然可以獲得接近產(chǎn)品形狀和尺寸的鑄件,但由于其組織性能較差,通常只能用于性能要求較低的零件,顯然,若用于齒輪的生產(chǎn),滿足不了產(chǎn)品的性能要求。由于冷精鍛成形工藝不僅具有高精、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,所以采用冷精鍛成形工藝鍛造圓柱直齒輪,并且結(jié)合浮動凹模技術(shù)及齒腔分流原理進(jìn)行新工藝的研發(fā),該新工藝能夠有效改變摩擦條件,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,提高產(chǎn)品精度,降低成本,極大的推動圓柱直齒輪冷鍛實(shí)用化的研究。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

作品所處階段

生產(chǎn)階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

與企業(yè)雙方共享

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品、圖片、樣品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

使用說明:下料→晶粒細(xì)化處理→酸洗→磷化皂化處理→浮動凹模工藝精鍛成形→后續(xù)機(jī)加工→終檢。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢:將浮動凹模技術(shù)與齒腔分流法相結(jié)合,開展圓柱直齒輪的冷精鍛成形工藝研究,能夠極大的降低成形載荷,減少模具摩擦,提高產(chǎn)品精度,降低成本,極大的推動圓柱直齒輪冷鍛實(shí)用化的研究。 作品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明:齒輪是廣泛應(yīng)用于傳遞精確運(yùn)動和動力的精密零件,在汽車、機(jī)床、飛機(jī)、摩托車上得到廣泛的運(yùn)用,同時相應(yīng)專用的液壓機(jī)也是必不可少的配套設(shè)備,所以它的用量巨大,市場潛力大。 市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測:目前國內(nèi)齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值在2009年就已超過1260億人民幣,其中車輛齒輪所占比例高達(dá)2/3。汽車工業(yè)的帶動是齒輪模具發(fā)展的重要支撐。 1)采用冷鍛新技術(shù)來加工齒輪,材料利用率提高了25%,假設(shè)每年某單位使用鍛件20000噸,全年將節(jié)約鋼材5000噸左右。 2)采用冷鍛新工藝生產(chǎn)齒輪,減少了坯料的加熱工序,每公斤鍛件可以節(jié)省至少1度電。同時創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

同類課題研究水平概述

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的努力研究,有關(guān)直、傘齒輪精鍛成形理論及其工藝已較成熟,并在實(shí)際生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用。而對圓柱直齒輪精鍛的研究主要集中在經(jīng)典理論分析(包括滑移線法、主應(yīng)力法、上限法、上限元法等)以及實(shí)驗(yàn)研究兩個方面,并且這些研究工作在實(shí)際生產(chǎn)中未能得到推廣應(yīng)用,還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。究其原因,正是由于對圓柱直齒輪精鍛技術(shù)的研究做的還不夠,例如單純用常規(guī)實(shí)驗(yàn)無法了解精鍛過程各變形瞬間的變形流動規(guī)律以及各種工藝參數(shù)對鍛件質(zhì)量、模具壽命的影響,因而無法優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)化坯料的形狀和尺寸。目前,圓柱直齒輪精鍛的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究主要集中在以下4個方面:(1)變形規(guī)律的研究;(2)工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì);(3)鍛件質(zhì)量和精度控制研究;(4)數(shù)值模擬研究。 1987 年英國伯明翰大學(xué) Tuncer C 等提出了浮動凹模精鍛空心件思想,設(shè)計(jì)了各種模具。伊朗Tarbiat Modarres大學(xué)的M.H.Sadeghi與英國伯明翰大學(xué)的 T.A.Dean 用浮動凹模原理模具對直齒輪和斜齒輪作了系統(tǒng)的研究,包括模具結(jié)構(gòu)形式選擇,齒輪尺寸精度的影響因素,齒輪塑性成形力的預(yù)測及其與摩擦系數(shù)、齒輪模數(shù)、寬度關(guān)系,脫模力與摩擦系數(shù)、成形力、成形溫度、壓力角、齒數(shù)的關(guān)系。Nagai Y 提出將預(yù)制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施,即通過拉延、整形、變薄拉延和壓縮四個工步實(shí)現(xiàn)具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形。Kondo K提出了齒輪分流減壓鍛造法。Knoerr M在1992年模擬了圓環(huán)狀齒輪坯的三工位熱鍛過程,預(yù)測了該成形過程中可能出現(xiàn)的折疊缺陷,并根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)成形參數(shù),獲得了無缺陷的零件。山東大學(xué)張清萍等人對兩步成形直齒圓柱齒輪冷精鍛工藝設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究,分別采用修正模數(shù)法和變位法對終鍛和預(yù)鍛模具的齒形進(jìn)行設(shè)計(jì)??v觀關(guān)于圓柱直齒輪冷鍛的文獻(xiàn), 直齒圓柱齒輪冷鍛成形還存在兩個主要問題: 一是盡管在冷鍛過程中采取了某些分流減壓措施, 使變形力有所下降, 但由于金屬材料的全部變形都是在冷態(tài)下進(jìn)行, 所需的變形力仍太大, 模具壽命低; 二是由于采用了分流減壓措施, 使工件含有較多的敷料,成形后的齒輪鍛件無法順利脫模,而且不利于節(jié)材。而節(jié)能減排、綠色環(huán)保是21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢,以近形或凈近形為目標(biāo)的齒輪精鍛成形工藝顯然已經(jīng)成為齒輪加工技術(shù)的發(fā)展方向。
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