螺旋錐齒輪雙錐輥輾壓成形模具設(shè)計(jì)

史雙喜，秦國華

（桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004）

螺旋錐齒輪雙錐輥輾壓成形模具設(shè)計(jì)

史雙喜，秦國華

（桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004）

介紹從動(dòng)螺旋錐齒輪的生產(chǎn)現(xiàn)狀及缺點(diǎn)，提出雙錐輥輾壓成形螺旋錐齒輪的工藝。以某齒輪為例，給出了輾壓工藝、毛坯設(shè)計(jì)方法、模具結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。通過試驗(yàn)鍛造出合格的鍛件，驗(yàn)證該工藝切實(shí)可行，模具設(shè)計(jì)合理可靠。

機(jī)械制造；輾壓；螺旋錐齒輪；工藝設(shè)計(jì)

1 引言

目前螺旋錐齒輪制造一般采取切削加工，該方法的缺點(diǎn)：一方面材料的利用率低、加工效率低，成本高，工藝過程復(fù)雜；另外切削加工破壞了金屬的纖維組織，因而齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度、齒面接觸疲勞強(qiáng)度與耐磨性較低，使用壽命短[1]。用精密鍛造工藝成形齒形是根除切削工藝所產(chǎn)生缺陷的最好方法[2]。

目前直徑小于200mm的直齒錐齒輪的鍛造成形得到長(zhǎng)足的發(fā)展，有取代切削加工的趨勢(shì)[3]。但從動(dòng)螺旋錐齒輪直徑較大，需特大噸位的鍛壓設(shè)備[4]。對(duì)稱雙輥軋制螺旋錐齒輪是一種局部加壓連續(xù)塑性成形技術(shù)，加工過程為局部加壓累積變形，所需設(shè)備噸位為一般鍛造的1/20～1/5，且雙輥對(duì)稱分布，軋制合力與設(shè)備中心重合。輾壓的主要特點(diǎn)是省力、節(jié)能，節(jié)材、準(zhǔn)靜壓力加工，無振動(dòng)和噪聲[5]。

本文以某汽車后橋從動(dòng)螺旋錐齒輪（圖1）為例，探討了工藝及模具設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，并通過試模驗(yàn)證了工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性及可行性。

2 輾壓工藝及預(yù)制坯

圖1 螺旋錐齒輪零件圖

雙錐輥輾壓工藝適合中心對(duì)稱的大型圓盤類零件，從齒輪的形狀以及材質(zhì)來看，零件成形工藝性好。螺旋錐齒輪模數(shù)較大，需經(jīng)大塑性變形才能成形。采用冷塑性加工，極限變形量小，需多次退火軟化，多次加工，工序多而生產(chǎn)成本高；而采用熱塑性加工，不僅高溫氧化增加齒面粗糙度，熱脹冷縮的隨機(jī)性影響產(chǎn)品尺寸精度穩(wěn)定性。因此，既要實(shí)現(xiàn)大變形成形，又要保證產(chǎn)品精度，采用熱、冷鍛結(jié)合的新工藝是合理的。具體工序?yàn)椋杭訜?00℃—輾壓—切邊—噴砂—退火軟化—磷化皂化—冷軋精整—后續(xù)機(jī)加工[6]。

根據(jù)齒輪零件繪制鍛件圖2，鍛件高度大于工件是為冷精整預(yù)留的壓縮量。據(jù)鍛件圖設(shè)計(jì)了與其輪廓相似的預(yù)制坯圖3。預(yù)制坯主要是通過軋環(huán)獲得。先由體積不變的原則計(jì)算輾壓件的體積和重量，然后以熱輾壓件的體積、坯料加熱過程中燒損率δ及輾壓件的形狀為依據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)制坯的高度H=54mm。為便于坯料在輾壓凹模中定位，坯料的外徑應(yīng)比輾壓凹模內(nèi)孔型腔尺寸小 0.3mm～0.8mm，坯料的內(nèi)徑應(yīng)比凹模模芯尺寸大0.3mm～0.8mm。

3 雙錐輥輾壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 凹模的結(jié)構(gòu)

凹模和坯料接觸，直接參與變形過程，是執(zhí)行成形加工的最重要的工作零件。凹模型腔是通過紫銅電極電火花加工，考慮電火花加工電極燒損的特點(diǎn)和凹模特殊結(jié)構(gòu)，將凹模設(shè)計(jì)成組合凹模（圖4），利于電火花加工型腔。凹模的結(jié)構(gòu)由芯模、型腔、外圈組成。

圖4 凹模結(jié)構(gòu)形式

圖2 熱輾壓件尺寸圖

圖3 預(yù)制坯結(jié)構(gòu)圖

凹模外圈設(shè)計(jì)為空心圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，用以和壓圈法蘭相配合，固定凹模。在圓臺(tái)上設(shè)計(jì)四個(gè)鍵槽，通過與鍵的配合使外圈軸向定位，不致發(fā)生扭轉(zhuǎn)。凹模型

腔為帶外臺(tái)階的中空?qǐng)A柱，上端加工齒型，下端圓柱上設(shè)計(jì)四個(gè)鍵槽，通過與鍵的配合使型腔軸向定位，不致發(fā)生扭轉(zhuǎn)。另外外圈內(nèi)臺(tái)階與型腔外臺(tái)階配合可以固定型腔的上下移動(dòng)。凹模的模芯上端設(shè)計(jì)為實(shí)心圓柱，外徑由齒輪的內(nèi)徑和模具間隙確定。下端設(shè)計(jì)為正方形的柱體，與墊板上的方孔配合，具有兩方面作用：①防止模芯軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；②模芯與頂桿固定，正方形的柱體與方孔配合具有推頂導(dǎo)向的作用。

3.2 模具總體結(jié)構(gòu)

輾壓模結(jié)構(gòu)如圖5所示，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）采用預(yù)應(yīng)力組合凹模。利用過盈配合將一個(gè)或多個(gè)套圈把凹模緊箍在一起，可以產(chǎn)生接觸壓應(yīng)力抵消一部分或者完全抵消模具工作時(shí)產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力，從而提高凹模的強(qiáng)度，延長(zhǎng)模具壽命；當(dāng)凹模內(nèi)壁產(chǎn)生磨損或出現(xiàn)裂紋時(shí)，僅需將內(nèi)圈拆掉更換，節(jié)省了模具材料。

圖5 螺旋錐齒輪輾壓模

（2）軋制開始，錐輥11下行，軋輥與坯料接觸，坯料開始輾壓成形，錐輥下端的凸出部分與凹模型腔構(gòu)成一個(gè)基本封閉的成形腔，在軋制過程中不會(huì)形成很大的飛邊，類似于閉式鍛造，有利于螺旋齒形的充填。軋制結(jié)束后，軋輥上行，鍛件留在下模，利用雙錐輥輾壓機(jī)的下頂料裝置（頂桿8）將鍛件頂出。

（3）墊板4通過螺釘固定在模座上，組合凹模也是通過帶同樣錐度的壓圈法蘭固定在模座上，而且壓圈法蘭與墊板之間有方鍵的配合，防止法蘭發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

4 工藝實(shí)驗(yàn)研究

制作了一副雙輥軋制模具，安裝好后結(jié)構(gòu)如圖6a所示，試驗(yàn)材料選用齒輪鋼。由于由液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給，直接讀壓力表指數(shù)就是軋制力。在4000kN雙錐輥輾壓機(jī)上溫成形外徑?246mm的汽車從動(dòng)螺旋齒輪時(shí)，壓力表的指針偏向表的中間，也就是成形力約為2000kN。軋制的螺旋錐齒輪鍛件如圖6b所示。

5 結(jié)束語

圖6 雙錐輥軋制模具

（1）所采用的雙錐輥輾壓成形工藝和鍛模結(jié)構(gòu)經(jīng)工藝驗(yàn)證，效果較好，生產(chǎn)出合格螺旋錐齒輪鍛件，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

（2）雙錐輥軸向軋機(jī)軋制回轉(zhuǎn)體工件的軋制力遠(yuǎn)小于鍛造同樣鍛件的普通設(shè)備鍛造力，使用這種機(jī)器軋制大型的從動(dòng)錐齒輪，具有設(shè)備小、投資少的優(yōu)點(diǎn)。成形外徑?246mm的螺旋齒輪的成形力約為2000kN。

（3）設(shè)計(jì)的雙錐輥輾壓成形模不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且有利于凹模的電火花加工，更換也容易。

[1] 張清萍，趙國群，欒貽國，等.直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝及三維有限元模擬[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2003，（1）:13-19.

[2] 張韶華，徐 偉.以雙錐輥軸向軋機(jī)軋制成形錐齒輪的實(shí)驗(yàn)研究[J].洛陽工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2004，14（3）:5-6.

[3] 王華君，夏巨諶，程培元，等.從動(dòng)螺旋傘齒輪精密鍛造數(shù)值仿真[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，33（9）:94-96.

[4] 張韶華，徐 偉，張 猛.雙錐輥軸向軋機(jī)軋制原理及軋制力能參數(shù)計(jì)算[J].塑性工程報(bào)，2005，12（3）:18-21.

[5] 史雙喜.基于UG的雙錐輥軋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（1）:112-114.

[6] Meng Z，Xiaoyun M，Yamin H，et al.The study of the forging process of alternator pole.Advanced Technologyof Plasticity 2002 Proceedings of the 7th International Conference on Technology of Plasticity，Yokohama，2002.

Design of the twin cone rolling die for spiral bevel gear

SHI Shuangxi，QIN Guohua

（Institute of Information Technology，Guilin University Of Electronic Technology，Guilin 541004，Guangxi China）

The production status and weakness of passive spiral bevel gears have been introduced.The twin symmetry roll axial rolling process has been proposed for passive spiral bevel gears.Taking some gear as an example,the rolling process，design method of blank,and die structure&characteristics have been given.Eligible forgings have been produced by experiment.It is proved that the process is practicable and die structure is reasonable&reliable.

Twin cone rolling；Die structure；Spiral bevel gear

TG335.19

B

1672－0121（2011)04－0085－03

廣西教育廳科研立項(xiàng)項(xiàng)目（LD10085Y）

2011－03－15

史雙喜（1983－），男，講師，碩士，從事模具CAD/CAE/CAM的教學(xué)與研究