《许锋薛克敏基于均衡思想的大模数高凸台圆柱直齿轮精锻成形研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《许锋薛克敏基于均衡思想的大模数高凸台圆柱直齿轮精锻成形研究（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、许锋 薛克敏 李萍等：基于均衡思想的大模数高凸台圆柱直齿轮冷锻成形研究基于均衡思想的大模数高凸台圆柱直齿轮冷锻成形研究合肥工业大学 许锋 薛克敏 李萍 王清瑞摘要本文在浮动凹模和梯形槽分流方法的基础上，基于均衡思想，以有限元模拟为工具，对大模数高凸台圆柱直齿轮模具结构进行改进，通过在下模上增设一直径15mm的半球台，对流入下凸台的金属进行约束，从而较好的解决了上下凸台成形不均衡的问题，通过物理实验验证了仿真分析的结果。关键词：高凸台；圆柱直齿轮；均衡思想；冷锻Research on cold forging of spur gears with big modulus and high bos
2、s based on uniform thinkingAbstractThe die of spur gears with big modulus and high boss is improved based on uniform thinking and active die-trapeziform groove divided flow method, by the finite element simulation in the article.A hemisphere with 15mm-diameter ,which was lacated on the bottom die,ca
3、n solve non-balance forming of top boss and bottom boss ,by constraining the metal flowing into bottom boss.The results of simulation and analysis are verified by the experiment.Keywords: high boss; spur gear; uniform thinking; cold forging1 引言大模数高凸台直齿圆柱齿轮是工业中不可缺少的特殊形状齿轮，尤其在微型汽车传动装置中作用显著，本文所研究的圆柱直齿轮
4、模数m=3mm，齿数z=25，压力角=20,存在上下两个凸台，且凸台不对称，这对成形中金属填充要求很高，同时齿轮模数越大，齿轮的抗弯能力就越强，齿形的精锻成形难度也越大，图1为其零件图和锻件图。均衡成形指材料在流动充填过程中，在不同的成形阶段，充填程度相同或者近似相同，避免一部分先充满，另一部分后充满，从而达到显著降低成形力、提高模具使用寿命的目的1。本文基于均衡思想，以数值模拟和物理实验为基础，对大模数高凸台圆柱直齿轮精锻成形过程开展研究，为该类零件的生产实践提供参考。a） 零件图 b）锻件图图1 大模数高凸台圆柱直齿轮零件、锻件图2 基于均衡思想的大模数高凸台圆柱直齿轮精锻成形工艺分析浮动
5、凹模和分流法在改善齿腔充填和降低成形力方面已显示出优越性2-5。本文结合该锻件及金属充填型腔的特点，凹模采用浮动结构，同时利用梯形槽进行约束分流6-7，即在凸台的根部与齿形之间的部位开一环形的梯形槽。其作用是在变形的初始阶段形成分流面，先使一部分金属流向齿腔，保证能有足够的金属充满齿腔。成形时，在齿形部位，金属首先充满齿形中间部位，然后流向两端，最后充满角隅处；在凸台处，先成形上凸台，下凸台充填阶段滞后于齿腔和上凸台成形阶段。成形最后阶段主要是充填下模凹腔。在最后成形阶段，变形力急剧上升，成形压力较大。基于均衡成形思想，本文提出在原模具机构的基础上，在下模块上加一直径为15mm的半圆球形状的凸
6、台,利用梯形槽分流和圆冠形凸台约束作用相结合，加快了下凸台的成形，使之与上凸台基本可以同步成形，改善了原模具成形的不足之处。3 大模数高凸台圆柱直齿轮有限元模拟分析研究圆柱直齿轮模具结构对金属流动规律的影响时，为简化研究对象，忽略工具的弹性变形，材料符合刚粘塑性硬化模型，模拟材料工业纯铅，毛坯与模具的摩擦方式为剪切摩擦模型，摩擦系数定义为0.12；为保证成形良好和坯料的定位、充填，坯料外径应接近齿根圆，为了节省模拟的计算时间，考虑到齿轮零件的近似对称性，取变形体的1/5作为有限元的模拟对象。3.1有限元模型的建立在三维造型软件UG中，建立如图2有限元模型，图2a是采用浮动凹模和梯形槽分流模具结
7、构的有限元模型，图2b是在基于均衡思想改进后模具结构的有限元模型。 a) 原模具结构 b) 改进后模具结构图2 有限元模拟模型3.2 有限元模拟模拟结果分析图3是等效应变分布图，从图中可以看出当压下量为80时，采用改进结构后的模具，齿形充填程度较好，一方面下凸台填充程度较好，使得上下凸台成形接近同步，而且齿部上下端面和中间部位也接近同步。这是因为在下模块所加的球冠形凸台对金属起到约束导流的作用，它对坯料产生的向外的张力迫使原来向下流动的金属向四周和梯形槽流动，不仅加速了金属的流动，加快了下凸台的成形，使其与上凸台基本可以同步成形，而且更有利于梯形槽分流，使得多余金属流向齿腔，加速齿腔的成形，也
8、提前了上下端面成形。当压下量为100%时，可以看出采用改进结构后的模具结构得到的锻件也明显优于原来模具得到的锻件，齿轮各个部分填充得都很饱满，改善了原来齿腔和下凸台角隅处不能完全填充的不足。这是因为球冠形凸台对坯料产生的向外张力迫使金属向四周和角隅处流动，从而达到良好的填充效果。图4是等效应力分布图，其分布规律和应变场规律基本一致。从图中可以看出模具结构改进后的方案中，应力最大部位在下凸台和齿顶处，且在齿顶处分布比较均匀，也证明了，改进后的方案使得各个阶段成形程度有所提前，也即更容易成形。图5是两种方案模拟所得压力行程载荷曲线，可以看到，改进后方案压力行程载荷曲线比原方案最终载荷降低将近15。
9、由此可见采用改进方案对成形载荷要求明显下降，这一结论对成形大尺寸齿轮零件具有重要价值，采用改进的模具结构在成形此类大尺寸齿轮零件时会较大幅度地减小成形力，降低对设备的要求。b) 改进方案80压下量等效应变分布图a) 原方案80压下量等效应变分布图 d) 改进方案100压下量等效应变分布图c) 原方案100压下量等效应变分布图图3 等效应变分布图b)改进方案80%压下量等效应力分布图a) 原方案80压下量等效应力分布图d) 改进方案100%压下量等效应力分布图c) 原方案100压下量等效应力分布图图4 等效应力分布图1原方案2改进后方案二图5两种方案压力行程载荷曲线4 实验分析为了进行原模具结构
10、成形方案和改进模具结构成形方案的对比，并研究金属的流动特点，验证有限元数值模拟结果，进行了实验研究。在设计实验模具时，在保证能够实现成形方案的前提下，简化了模具结构，通过在凹模下垫橡胶，来实现浮动凹模，实验时，为了减小摩擦和便于成形后取件，采用水基石墨进行润滑。实验结果如图6所示。原模具和改进模具结构一成形齿轮上俯视图原模具和改进模具结构一成形齿轮下俯视图图6 成形结果图从图中可以看到，最终两种成形方案的齿形部位填充情况都良好，尤其是采用改进模具结构得到的锻件齿形角隅部位充填得非常饱满。采用原模具结构凸台部位，尤其是下凸台部位没有充满，而采用改进模具结构成形的齿轮下凸台充填情况要明显优于原来模
11、具结构成形5 结论1、通过应力、应变场分布可以看出，基于均衡成形思想，改进的模具结构，更有利于成形，可使成形载荷降低15%，同时解决了上下角隅充填不满、尤其下凸台成形滞后的问题。2、通过物理实验可以看出，利用改进后的方案成形的齿轮各部分都较均衡，验证了数值模拟的正确性，为实际生产提供参考。参考文献1 席庆坡.直齿圆柱齿轮冷精锻成形数值模拟及齿形修形研究D.郑州机械研究所20032 Abdul N A, Dean T A. An analysis of the forging of spur gear forms. Int. J. Mach. Tool Des. Res,1986 26(2):113-1233 Choi J C. A study on the forging of spur gears. Int. J. Mach.Sci.,1996 38(12):1331-13474 陈泽中，林治平等.直齿圆柱齿轮精锻技术的研究进展J.金属成形工艺，1999（17）：1-35 冯宝伟，胡亚民.国内外精密塑性成形技术的新动向J.金属成形工艺，1999，17（2）：7-96 仇明侠,张治民,张宝红.齿轮温挤精密成形工艺数值模拟J.锻压技术,2005,30(3):53-55.7 张丽辉,薛克敏.大模数高凸台圆柱直齿轮净成形试验研究J.锻压技术,2007,32(3):30-33.23
