引言
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~rD* Y. 锥
齿轮精锻工艺是指模锻齿轮时轮齿直接被锻出,齿面不再进行切削加工的精密模锻工艺。锥齿轮广泛应用于汽车、拖拉机、摩托车、坦克等的差速器中,应用面广,需求量大。用传统机械切削方式生产锥齿轮,速度慢、效率低、
精度差。锥齿轮的热精锻成形技术已基本成熟,但在冷锻闭式成形技术方面,还有待进一步地改进和提高,采用冷精锻方法成形零件,可节约原材料,提高零件的力学性能,并能获得理想尺寸精度和表面粗糙度的制件,是一种高产、优质、低消耗的工艺技术,其经济效益十分可观?。但也存在变形抗力大,对
模具和设备要求较高等问题。因此对锥齿轮冷精锻工艺及模具进行设计和分析十分必要的。
Z q)A"'Y \BA_PyS?W+ 三维
CAD系统有较好的造型工具,能实现"自顶向底"和"自底向顶"等设计方法,实现装配等复杂设计过程,使设计更加符合实际设计过程;三维造型系统能方便地与CAE系统相连,进行仿真分析;能提供
数控加工所需的信息,实现CAD/CAE/CAPP/
CAM的集成。基于三维CAD系统这些优点,本文利用
SolidWorks三维设计软件来完成锥齿轮及其模具的设计。
H4U;~)i '" 6VfF)* l 锥齿轮精锻成形工艺
LF8B5<[O d{Z 冷精锻是随着汽车工业而迅速发展起来的一种净成形工艺。精锻锥齿轮有连续的沿齿廓合理分布的金属流线和致密的组织,轮齿的强度、齿面的耐磨能力、
热处理变形量和啮合噪声等都比切削齿轮的加工优越。齿轮材料为中高强度合金钢20Cr,其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差,存在加工硬化现象,难以进行大变形量的冷模锻成形。但若对毛坯进行充分软化退火处理,就可降低变形抗力和提高材料塑性指标。精锻锥齿轮的强度和抗弯疲劳寿命提高,热处理变形减少,生产成本降低。综上分析,决定采用冷锻成形工艺。其工艺过程为:下料一退火叶冷锻一精加工一检验一入库。冷锻成形前,要对坯料进行软化处理,在各道工序之间要进行退火处理,在冷锻前进行磷化处理。
6xwC1V?:0t Z(#a-_g 2 模具设计
ry:tL0;;e# 1mf_1spB 2.1 锻件
`KZ}smMA (5SI!1N 根据锥齿轮零件图及冷模锻工艺的基本要求,设计了齿轮锻件。分模面的位置选择在零件最大的外径处。在保证有效齿长的前提下,锥齿轮的大端留有冷锻成形工艺自然形成的过度圆角,如图1所示。
?U&onGy Li}yK[\] @E1N9 S?> 3.soCyxmc 精锻锥齿轮的模具型腔都是曲面造型,形状比较复杂,为快速准确获得高质量的曲面形状,选用三维造型软件SolidWorks来完成模具和坯料的几何模型设计。由于锥齿轮的理论齿廓曲线为球面渐开线,不能展开成平面,给锥齿轮的三维造型带来极大困难。本文从背锥理论出发,结合渐开线方程和
绘图软件中的造型命令,最大限度地实现了锥齿轮的真实三维造型,图2所示为锥齿轮零件的三维造型。图3所示为利用SolidWorks软件中的分型面、分型线等命令设计的锥齿轮成形模具,同时为锥齿轮工艺的数值模拟分析作准备。
Zu!3RN[lp? 6;ICX2Wq' 2.2 模具结构设计
>[[< 5$,T 9K)2OX;$w 锥齿轮精锻模具的工作条件极其恶劣,因而对模具精度、强度、刚度以及寿命提出了更高的要求。模具的装配图如图4所示,其工作过程如下。用于普通液压机上对工件进行闭式模锻成形。工作时将毛坯放入
]:F]VRPT zZkwfF cdk;HK_Ve. <w[)T`4N 下凹模13空腔内,待毛坯放置好后,上模3下行;当上模3开始接触毛坯时,缩挤形成开始;随着上模3的继续下压,应力圈10由于受到压力作用,挤压下部的弹簧并随之下移,坯料进入封闭状态的模腔内,缩挤完成,开始镦挤成形阶段;上模3继续下移,至达到规定行程为止。上模回程后,下凹模13和应力圈10在弹簧8的作用下恢复初始状态。成形后的锥齿轮锻件在上顶杆19的作用下脱模,取走锻件,至此锥齿轮精锻成形过程完成。
CpA=DnZ o +&/ N-t ${e{# 'M&`l%dIPf 齿形凹模是锥齿轮精锻成形最关键的零件,它的精度决定锥齿轮锻件的精度。齿形凹模的强度和寿命不仅要从所用材料上来考虑,更要从凹模的结构设计上来保证。为了提高齿形凹模的强度,采用组合式结构。采用浮动的上模芯和浮动的下组合模套结构,使锻件在封闭的环形模腔中变形,锻件无飞边,径向尺寸精度高。由于锻件无飞边,水平投影面积(锻造面积)小,所需的锻造力小,降低了压力机吨位。由于采用浮动模结构,浮动模形成的凹腔较深,确保上下模导向准确。此模具利用弹簧实现压边,实现闭式模锻。
pDW .Pav *T 6<'a 3 精锻模具3D模型
o;}o"-s HyZh27PE SolidWorks是一款功能强大的CAD软件。在完成产品三维造型的基础上,还能实现模型的动态可视化,对模具的装配过程、拆卸过程和运行过程进行模拟。锥齿轮精锻模具的三维造型如图5所示,通过对锥齿轮模具进行了干涉检查和运动仿真,及早发现了设计过程中出现的问题,并对相关零件进行了改进。最后生成了装配体和零件的二维工程图纸。
t~e.LxN l]GLkE B\BP:;" 5E4np`J 4 结束语
L\!Pa+Iod Y'58.8hl 采用精锻工艺生产齿轮,既可减少原材料和能源消耗,降低制造成本,又可改善齿轮的机械性能。根据锥齿轮精锻成形工艺,设计了锻件的合理形状。利用SolidWorks三维设计软件完成了锥齿轮工件及精锻模具的三维实体建模,通过对模具运动过程的模拟,能够及早发现设计问题,有利于快速发现问题改进结构设计,从而实现精锻模的快速设计,为精锻工艺的数值模拟等研究工作奠定基础。