基于Super Forge的直齒錐齒輪精密鍛壓模具設(shè)計(jì)

陶建明，宋愛平，易旦萍，楊 益，田德云

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

1 零件的鍛壓工藝性分析

圖1為某公司生產(chǎn)的直齒錐齒輪零件簡圖，模數(shù)m＝7.55，齒數(shù)Z＝16，壓力角α＝30°。由剖視圖可知，在錐齒輪小端齒根處有一凸臺，顯然無法用傳統(tǒng)的機(jī)加工加工出完整的齒，因此采用鍛壓成型的方法來加工。

圖1 直齒錐齒輪零件簡圖

由于生產(chǎn)批量大，綜合考慮后該零件的加工工序?yàn)椋褐婆鳌蓄l加熱到1 100℃左右—鐓粗—對鐓粗后的毛坯進(jìn)行粗鍛—用鋼絲刷去除齒面、齒槽上的氧化皮—對處理過的鍛坯進(jìn)行精鍛—切邊。

1.1 鍛壓設(shè)備及公稱壓力的選擇

鍛壓設(shè)備采用摩擦壓力機(jī)。計(jì)算時(shí)，首先求出鍛件精密成形所需的變形力F′，然后根據(jù)變形特點(diǎn)確定設(shè)備的公稱壓力F，即：

其中：S為鍛件水平投影面積；K 為輪廓系數(shù)，在1 200℃時(shí)對輪廓清晰的鍛件K＝80 k N／c m2，對輪廓具有一定圓角的鍛件K＝50 k N／c m2，對具有高肋薄壁的鍛件K＝120 k N／c m2～150 k N／c m2；q為變形系數(shù)，對于變形程度小的精壓件q＝1.6，對于變形程度稍大的鍛件q＝1.3，對于變形程度大的鍛件q＝0.9～1.1。將數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算得F＝5 105.088 k N。故精鍛時(shí)選J53－630型摩擦壓力機(jī)，其公稱壓力為6 300 k N。

1.2 鍛件圖及熱鍛件圖的確定

精鍛時(shí)取鍛件的單邊余量為2.2 mm；高度方向的公差值為3.0 mm，上偏差為＋1.5 mm，下偏差為－1.5 mm；水平方向的公差值為4.0 mm，上偏差為＋2.0 mm，下偏差為－2.0 mm；上模外模鍛斜度為3°，內(nèi)模鍛斜度為5°；下模外模鍛斜度為1°；鍛件內(nèi)圓角半徑r＝2.5 mm，外圓角半徑R＝4 mm。

最終確定的鍛件圖如圖2所示。圖中未注明模鍛斜度為1°，未注明圓角半徑為2.5 mm，允許錯差量≤1.2 mm，允許殘留飛邊量≤1.2 mm，允許表面缺陷深度≤1.0 mm。

為保證鍛件冷卻后符合鍛件圖的要求，熱鍛件圖上尺寸均在鍛件圖基礎(chǔ)上加放收縮率λ＝1.5%。

1.3 毛坯尺寸的確定

按照變形前、后體積不變的原則，坯料體積V坯由下式確定：

其中：V鍛為鍛件體積，mm3；V飛為飛邊體積，mm3；δ為燒損率；d坯為圓鋼直徑；L坯為圓鋼長度。

L坯／d坯過大鐓粗會產(chǎn)生彎曲、折疊，L坯／d坯過小下料操作困難、誤差大。通常要求L坯／d坯＝1.5～2.2。則：

圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑值后，L坯為：

其中：A坯為原材料截面積，mm2。

采用感應(yīng)電加熱時(shí)，鋼的一次燒損率δ＜0.5%。調(diào)用Solid works2010中質(zhì)量屬性命令，可得到V鍛和V飛的值，將數(shù)值代入式（2）可得到毛坯體積V坯＝455 491.652 2 mm3；由式 （3）得到毛坯 直徑 d坯＝61.55 mm～69.25 mm，圓整后取d坯＝65 mm；由式（4）得L坯＝137.27 mm，圓整后取L坯＝138 mm。最終確定，該坯料尺寸為Φ65 mm×138 mm。

圖2 鍛件圖

2 模具設(shè)計(jì)及模具工作過程

2.1 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及上述分析，結(jié)合Solid wor ks2010和Auto CAD2008，設(shè)計(jì)了模具的主要零件并生成了模具的總裝圖，如圖3所示。

圖3 直齒錐齒輪精鍛模具裝配圖

為了提高上模5、下模11等工作零件間的導(dǎo)向精度和抵消部分因局部彎曲成形時(shí)產(chǎn)生的側(cè)壓力，上、下模座間采用了導(dǎo)柱7、導(dǎo)套2模架連接。上模5通過托圈4用內(nèi)六角螺釘與上模座1相連，為改善下模工作時(shí)的受力狀況，采用組合下模的結(jié)構(gòu)，即下模11與應(yīng)力圈10組合通過壓圈6固定在下模座8內(nèi)，下模與應(yīng)力圈平齊，以保證足夠的承擊面。為防止鍛壓結(jié)束后鍛件粘在下模上，設(shè)置了一個頂料裝置12。

2.2 模具工作過程

將制坯得到的棒料經(jīng)熱處理后放于下模上，并依靠底面和成形側(cè)刃定位。開啟壓力機(jī)，滑塊下移，帶動上模座向下移動，上、下模及頂桿共同對坯料施加壓力；隨著壓力機(jī)滑塊的下移，在上、下模和頂桿的共同作用下，逐漸將坯料擠壓、成形出來；隨著壓力機(jī)滑塊的再次下移，通過上、下模同時(shí)對坯料實(shí)施校正，完成鍛件的擠壓、成形和校正工序。隨著壓力機(jī)滑塊的上升，通過頂桿將已成形的鍛件頂出下模型腔，完成鍛件的卸料。

3 有限元模擬結(jié)果與分析

將模型導(dǎo)入Super For ge中，對鍛壓過程進(jìn)行模擬仿真。圖4～圖6為仿真過程中鍛件的接觸應(yīng)力、應(yīng)變抗力和溫度變化圖。

圖4 鍛件的接觸應(yīng)力變化圖

圖5 鍛件的應(yīng)變抗力變化圖

圖6 鍛件的溫度變化圖

從圖4可以看出，鍛件在不同進(jìn)度時(shí)，最大應(yīng)力主要集中于頂部中間位置和底部。鍛件在整個過程中的平均接觸應(yīng)力為1 150 MPa左右，這為選擇合適的模具材料提供有利幫助。

從圖5可以看出，鍛件在不同進(jìn)度時(shí)，最大應(yīng)變抗力主要集中于頂部中間和四周齒面位置處。當(dāng)?shù)竭_(dá)100%時(shí)，鍛件在整個過程中的最大應(yīng)變抗力達(dá)472 MPa，這為選擇合適的鍛件材料提供有利幫助。

從圖6中可以看出，鍛件在不同進(jìn)度時(shí)，最大溫度主要集中于頂部中間位置和齒槽凹坑的地方。鍛件在整個過程中達(dá)到的最高溫度為1 497 K，最低溫度為1 273 K，這與實(shí)際情況較吻合。

4 結(jié)語

通過Super Forge軟件模擬分析了錐齒輪在鍛壓過程中接觸應(yīng)力、應(yīng)變抗力和溫度變化等的情況。結(jié)合模擬結(jié)果可有效地指導(dǎo)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及鍛件工藝參數(shù)的設(shè)定，有效減少了實(shí)際生產(chǎn)過程中模具的試驗(yàn)次數(shù)，提高了模具壽命，減少了原材料的浪費(fèi)和產(chǎn)品的開發(fā)周期。這對于提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低模具制造成本也有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 程里.模鍛實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 張海渠.模鍛工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］ 劉靜安，盛春磊.鋁合金鍛壓生產(chǎn)技術(shù)及鍛件的開發(fā)與應(yīng)用［J］.有色金屬加工，2012，41（1）：1－5.

［4］ 馬秀英，溫新林.20Cr鋼模鍛卸扣的鍛熱淬火［J］.熱處理，2011，26（3）：73－74.

［5］ 熊曉光，郭惠，康孝偉.感應(yīng)加熱在鍛壓工業(yè)中的應(yīng)用［J］.裝備維修技術(shù)，2011（3）：25－28.

［6］ 劉新宇.用 MSC.Super Forge對錐形板鐓粗工藝的數(shù)值模擬［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（8）：65－70.

［7］ 侯琳.鍛造模具設(shè)計(jì)仿真模塊——MSC.Super Forge［J］.CAD／CAM 與制造業(yè)信息化，2006（Z1）：54－55.