汽车差速器锥齿轮精锻成形工艺及模具的研究与开发

发布时间：2016-07-29 07:53

1  绪论

锥齿轮是机械传动的重要零件，在汽车、船舶、航空、机械设备等领域有着较为广泛的应用，它的需求量较大，生产加工方法也较多[1]。传统的加工方法是采用模锻技术得到齿轮坯件，然后切削加工得到符合要求的锥齿轮零件[2]。这种方法不仅生产效率低，而且浪费原材料，同时机加工切断锻件的金属纤维，这将降低锥齿轮的抗疲劳强度和使用寿命。因此传统的模锻制坯和切削加工已不能满足市场经济发展的要求[3,4]。随着国内齿轮精密锻造技术的发展，很多锥齿轮生产企业引进了精密锻造技术。对于汽车工业的大批量生产，采用精密锻造技术具有更大的效益和潜力[5]。 精密锻造成形技术是指零件锻造成形后，不需要再加工或者只需要少量加工即能符合产品零件要求的成形技术[6]。采用精密锻造技术生产锥齿轮，可以显著提高材料利用率和生产效率，同时使得锻件组织致密，金属纤维沿齿廓分布，抗弯曲疲劳强度要明显优于切削件，极大增强了锥齿轮的综合机械性能。精密锻造按照模具类型可分为开式模锻、闭式模锻等，开式模锻生产的锻件有横向飞边，而闭式模锻不产生横向飞边，其中可分凹模闭式模锻又称为闭塞锻造。当前，国内制造厂家普遍采用开式模锻工艺生产锥齿轮，与开式模锻相比，闭塞锻造可以使锻件在形状尺寸、表面质量等方面更加接近于成品零件。

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2  锥齿轮闭塞锻造工艺设计 

2.1  闭塞锻造的特点及原理

（1）金属材料利用率高。由于闭塞模锻生产的锻件没有较大的横向飞边，而且模具基本没有斜度，凹坑可以沿竖直方向锻出，这些特点都可以节省材料的利用率，就本课题研究的锥齿轮闭塞锻造而言，其材料利用率预计可提高至 80%左右，也就是说，由开式模锻改为无飞边的闭塞模锻，平均每生产 1 吨锻件可节约金属材料 0.2 吨左右。随着国内汽车工业的发展，采用闭塞模锻技术进行批量生产将带来较大的经济效益。（2）提高生产率。闭塞锻造是精密锻造的主要方式之一，通常可以减少模锻工步，锻件余量及公差比开式模锻要小，且不存在较大的横向飞边，这样可以有效的减少后续的机加工，降低加工成本。（3）节省加热能耗。降低加热能耗是伴随着材料利用率的提高而产生的。由开式模锻改为闭塞模锻，平均材料利用率可提高 15%，因此加热坯料的能耗同样可以节省15%左右。（4）改善零件的力学性能。由于闭塞模锻是在封闭型腔中成形，坯料受到三个方向的压力，这样可以使金属纤维沿轮廓连续分布，锻件的晶粒组织致密性好，使其强度大为提高[38]。

2.2  工艺参数的确定及相关技术介绍

行星锥齿轮的轮齿齿面、背锥面和中心孔表面是主要的工作面，其中背锥面和中心孔表面是锥齿轮的定位表面，它们的精度将影响到锥齿轮的定位精度，要求其表面粗糙度 Ra≤0.8μm，背锥面的圆跳动量要不大于 0.08mm。轮齿齿面锻造成形后可直接使用，不需要再加工，而对于球面和背锥面，由于模锻精度有限，模锻成形后不能直接使用，需要后续对其进行切削加工来保证其尺寸精度，因此要预留一定的加工余量。行星锥齿轮的零件如图 2.2 所示，相关齿形参数如表 2.1 所示。

3  锥齿轮闭塞锻造模具设计 ................. 14 

3.1  行星锥齿轮的建模介绍 ...................... 14
3.2  模具结构设计 ................. 17 
3.3  凹模的设计 .................. 18
3.4  凸模的设计 ................ 21 
3.5  合模机构的设计 .............. 22
4  锥齿轮闭塞锻造数值模拟 ................ 26 
4.1  有限元理论简介 .......... 26 
4.2 Deform 软件介绍 ............... 26
4.3 DEFORM 数值模拟流程........................ 27 
4.4  有限元模型的建立及有关模拟问题的处理 ........................ 27
5  模具的加工 ................. 37 
5.1  热锻用模具材料及热处理 ... 37 
5.2  模具的加工方法 ...... 37 
5.3  本章小结 ...... 39

5  模具的加工 

5.1  热锻用模具材料及热处理

本课题采用的热锻温度为 1100℃，模锻时高温坯料与模具发生摩擦导致模具型腔温度被加热到 300～500℃，模具型腔容易发生磨损失效。同时模具承受较大的冲击载荷，在连续反复受热、冷却的工作环境下，极易导致型腔表面出现热疲劳裂纹。因此要求选用模具材料具有良好的性能，包括以下几点：（1）在高温条件下，具有较高的强度、硬度、抗冲击性及良好的耐磨性；（2）具有良好的耐热疲劳性能；（3）具有较好的耐回火性，使模具在受热时不致回火而硬度下降；（4）具有较好的淬透性能；5）具有良好的导热性和抗氧化性 本课题的主要工作模具包括上、下冲头和上、下凹模等，采用的模具材料为模具钢H13。它具有良好的热稳定性、红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能。通过对模具淬火、回火处理，可以有效地改善模具材料的高温性能，提高红硬性、抗回火软化的能力及抗冲击韧性等。 模具钢的热处理包括：退火、淬火和回火处理。退火处理主要是为了降低硬度，便于切削加工，同时改善材料的晶粒组织；淬火可以显著提高模具钢的强度和硬度；回火是消除淬火时产生的残余内应力，调整模具钢硬度，使其获得较好的力学性能。 本课题采用模具钢 H13 经高温淬火，其表面硬度可达到 HRC60 左右，再经回火处理，其表面硬度可达到 HRC48～52，屈服强度为 1460MPa，能够满足闭塞热锻对模具强度的要求。 

5.2  模具的加工方法

在模具制造中，上、下凹模型腔的加工最为关键，目前主要的加工方法包括：电火花加工和高速切削加工。 电火花加工是在一定的绝缘工作液中，通过工具电极和工件间的脉冲电源在放电时对工件表面产生腐蚀作用来实现对工件的加工。电火花工艺可加工多种高熔点、高强度的金属材料，被广泛用于各种模具型腔的加工及穿孔加工等，但由于存在放电间隙，，其加工精度往往不高。

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6  结论

采用精密模锻的方法生产锥齿轮，具有高精度、高效率、低成本、适合批量生产等优点，有着较大的经济效益和广阔的发展前景。随着当代工业的快速发展，对其表面质量、尺寸精度要求进一步提高，提高企业生产效率、产品质量、降低成本，成为增强产品竞争力的主要途径。 本文主要针对厂家现有锻造工艺及模具进行改进，使锻件不产生较大的横向飞边，进一步提高锻件质量，从而增强产品的竞争力。通过模具结构的设计改进，实现摩擦压力机上的闭塞锻造；应用 DEFORM-3D 对锻造过程进行数值模拟，使得工艺及模具设计更为合理；最后介绍了模具的加工方法。全文总结如下：（1）本文主要研究在摩擦压力机上，通过模具结构的设计改进，实现闭塞锻造。为此设计了圆柱弹簧合模机构，将压力机的主运动分解为合模运动和成形运动，从而实现该闭塞锻造，研究表明该方案是可行的。（2）根据锥齿轮齿形的基本参数建立渐开线齿廓曲线方程，在 UG 中通过表达式，便可准确的生成齿形曲线并建立锥齿轮的三维模型，这样可以最大程度的减少设计误差，从而保证模具设计及锻造模拟结果的准确性。

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参考文献（略）

本文编号：78055