文/張紅穎·天津重型裝備工程研究有限公司

齒輪是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的重要元件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、交通運(yùn)輸、冶金和航空航天等領(lǐng)域，其質(zhì)量主要取決于齒輪坯的質(zhì)量。齒輪坯的生產(chǎn)過程多采用模鍛制造預(yù)成形（或預(yù)鍛）→終鍛成形工序，預(yù)成形鍛件形狀與終鍛成形鍛件形狀接近?，F(xiàn)代制造工藝特點(diǎn)與發(fā)展態(tài)勢決定了各行業(yè)對齒輪坯鍛件工藝技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益水平的要求越來越高，模鍛制造齒輪坯時(shí)除了要保證鍛件成形質(zhì)量，還要減少生產(chǎn)工序，提高制造效率，降低產(chǎn)品成本。本文以本廠內(nèi)某一齒輪坯鍛件（圖1）為研究對象，從減少模鍛工序角度出發(fā)研究了圓餅形坯料一步模鍛成形齒輪坯鍛件工藝方案，通過數(shù)值模擬分析了坯料高徑比對成形鍛件質(zhì)量和成形載荷的影響，并在此基礎(chǔ)上獲得了可行的坯料尺寸，此方案通過了生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。

圖1 齒輪坯鍛件圖

工藝分析

根據(jù)齒輪坯鍛件的結(jié)構(gòu)，擬采用開式模鍛成形，坯料采用圓餅狀鋼坯，鍛件分模面選擇在輪緣高度的中心位置處。齒輪坯上、下部分輪轂尺寸不同，上部直徑較小且高度較高，模鍛過程中金屬填充較困難，因而將其設(shè)計(jì)在上模內(nèi)成形，連皮厚度為8.5mm，其成形方案的示意圖如圖2所示。

成形工藝數(shù)值模擬

坯料尺寸參數(shù)是影響金屬在模內(nèi)流動(dòng)規(guī)律、鍛件成形質(zhì)量和成形載荷的主要因素。對于圓餅形坯料，尺寸參數(shù)不同體現(xiàn)在高徑比不同上，本文按照圓餅狀坯料一步模鍛工藝方案予以建模，對表1所示三種不同高徑比的坯料模鍛成形進(jìn)行了模擬研究，其他模擬條件均相同。設(shè)定下模固定不動(dòng)，坯料放置在下模上，上模向下運(yùn)動(dòng)直至合模，坯料在壓力作用下逐漸充填型腔完成模鍛成形過程。

坯料高徑比不同，將引起鍛件成形質(zhì)量和成形載荷的變化，因而本文著重從這兩個(gè)方面分析了上述因素作用下的模擬結(jié)果。

圖2 模鍛成形方案示意圖

表1 坯料尺寸參數(shù)

⑴鍛件成形質(zhì)量對比。

坯料1的高徑比較大，從其成形模擬結(jié)果中的金屬流動(dòng)情況（圖3(a）～(b））可以看出：成形初始階段，坯料軸向首先產(chǎn)生了比較大的壓縮變形，類似局部鐓粗，坯料直徑逐漸增大，金屬向外側(cè)流動(dòng)，外邊緣產(chǎn)生鼓形；上模具繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，輪轂部分逐漸充滿，外緣金屬與輪緣部分模具型腔接觸后，由于坯料外緣金屬鼓形逐漸增大，在此處模腔內(nèi)角部分發(fā)生了折疊，如圖3(a）所示。

坯料3的高徑比較小，從其成形模擬結(jié)果中的金屬流動(dòng)情況（圖4(a）～(b））可以看出，坯料在模具作用下產(chǎn)生壓縮變形，金屬材料沿徑向流動(dòng)，邊緣金屬快速流動(dòng)到飛邊槽內(nèi)，金屬材料過多流出模具型腔，造成輪緣部分填充不足，形成缺陷。

從對坯料2的模鍛成形模擬結(jié)果（圖5（a）～（b））可以看出，金屬流動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)因軸向壓縮量大，外邊緣鼓形變形大引起的折疊。同時(shí)也沒有出現(xiàn)金屬材料過早流入飛邊槽，部分型腔充填不足的情況，坯料2成形的鍛件能夠很好的充滿上、下模之間，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 坯料1模鍛成形過程

圖4 坯料3模鍛成形過程

坯料高徑比影響模鍛成形過程中金屬在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)情況，并最終決定能否獲得滿足尺寸和表面質(zhì)量要求的鍛件，想要實(shí)現(xiàn)一步模鍛成形齒輪坯，合理的坯料高徑比是前提條件，通過多次模擬不同高徑比的坯料的模鍛成形過程，得出坯料高徑比在0.32～0.45范圍內(nèi)可以獲得充型良好、無折疊的鍛件。

圖5 坯料2模鍛成形過程

⑵成形載荷對比。

模鍛過程中的成形載荷量是工藝設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)，較高的成形載荷易導(dǎo)致鍛模塑性變形及斷裂，顯著影響模具壽命。三種坯料模鍛成形過程的成形載荷—時(shí)間曲線如圖6所示，在變形過程中載荷量的變化規(guī)律是相同的，根據(jù)成形載荷曲線可以分成兩個(gè)階段：成形初始階段坯料在模具作用下首先進(jìn)行類似局部鐓粗的變形，坯料外緣面是自由面，因而此階段成形載荷量較小，曲線斜率也較?。慌髁贤饩壝媾c模具型腔接觸后直至最終模具合模，成形載荷量急劇增大直至模鍛行程結(jié)束達(dá)到最大值。

圖6 成形載荷—時(shí)間曲線

從三種高徑比的坯料模鍛成形過程的成形載荷對比可以看出，高徑比越大成形過程中坯料的變形程度越大，成形載荷最大值越大，所以在合理的坯料尺寸范圍內(nèi)，可選擇較小的坯料高徑比以減小成形載荷。

生產(chǎn)試驗(yàn)

根據(jù)上述數(shù)值模擬優(yōu)化，最終選擇坯料尺寸為φ150mm×54mm，在此基礎(chǔ)上制定了齒輪坯一步成形模鍛工藝方案，并進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，最終模鍛成形的齒輪坯鍛件如圖7所示。鍛件尺寸符合設(shè)計(jì)要求，表面質(zhì)量較好，驗(yàn)證了此坯料尺寸下一步模鍛成形方案的合理性。

圖7 齒輪坯鍛件

結(jié)論

為了減少模鍛工序，對某齒輪坯鍛件的一步模鍛成形方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了坯料高徑比對鍛件成形質(zhì)量和成形載荷的影響規(guī)律并得到了可行的坯料尺寸，研究內(nèi)容得到了實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。

⑴通過模擬分析坯料尺寸（高徑比）對一步模鍛成形的齒輪坯尺寸和表面質(zhì)量的影響規(guī)律，獲得了合理坯料的高徑比范圍。

⑵高徑比越大，成形過程中坯料的變形程度越大，成形載荷量越大，可以在⑴獲得的坯料尺寸范圍內(nèi)，選擇較小的坯料高徑比以減小成形載荷。

⑶對本文提出的坯料尺寸參數(shù)下的一步模鍛過程進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，成形效果良好。