分流法在齒輪精密鍛造中的應19.

張 琳

（西安航空職業技術學院，陜西 西安710089）

隨著制造業的發展，齒輪精鍛技術[1-3]備受關注。而在齒輪精鍛成形中，成形載荷過大和齒形充填不理想成為主要問題[4-5]。閉式模鍛時，在模具或坯料上設置分流腔或分流通道，既可降低對下料精度的苛刻要求，又可改善材料的充填性能，降低模膛內部壓力，提高模具壽命，這種鍛造方法即為分流法。日本的Kondo 等將分流法應19.于齒輪精密鍛造，通過在非齒形輪廓的位置設置溢流口，使材料在充型的過程中始終有自由流動的空間，從而有利于材料填充型腔，并降低變形阻力和成形載荷，提高齒輪成形質量[6]。

1 分流原理及依據

模鍛時的理想變形抗力可19.下式表示：

式中ym——鍛件材料的名義流動應力；

R-相對面積縮減率。R的大小取決于原始毛坯表面積A和未充填部分的自由表面積F。即：

隨著鍛造過程的進行，自由表面積F不斷減少。由上式可知，R就會不斷增大。閉式模鍛終了時自由表面積F趨近于零，R趨近于1，此時變形抗力無限大，金屬不可能完全充滿型腔，而且變形抗力過大會導致模具發生塑性變形、磨損甚至破裂等。要解決上述問題，可以在坯料或模具上設置工藝補償空間，保持成形過程中金屬始終有一定的自由流動空間，這就是分流原理。

2 常見的分流法

分流法常見的形式[7]有孔式分流腔、孔分流法、軸分流法及約束分流法。

2.1 孔式分流腔

孔式分流腔適19.于帶有中心孔的圓盤類鍛件，其結構簡單，㈦帶倉連皮的內飛邊槽相似，位置通常設在終鍛模具沖孔凸臺的中心位置，如圖1 所示。當鍛件的孔徑小于50mm 時，分流孔設在下模；當鍛件的孔徑大于50mm 時，分流孔分設在上模和下模。重慶大學的張輝[8]為了消除檔位齒輪坯精鍛時的折疊和充不滿缺陷，在成形方案中對齒輪筋部的型腔底部設置了分流凹槽。數值模擬結果和生產試制結果表明：鍛件位置精度顯著提高，成形載荷也明顯降低。馮文杰等[9]對三輪摩托車倒檔機構中弧齒錐齒輪的傳統開式模鍛㈦分流開式模鍛工藝進行了數值模擬，通過模擬結果分析比較了分流孔直徑對成形力大小及坯料最優體積的影響。汪金保等[10]基于分流減壓和多工步成形原理，對大模數大直徑帶轂直齒輪的冷精密成形進行了數值模擬。結果表明：輪轂中分流腔能使成形載荷大幅度減小，齒形填充飽滿。

圖1 孔式分流腔

2.2 孔分流法和軸分流法

孔分流法即在坯料上留有一定直徑的中心孔，當凸模給毛坯施加壓力時，材料在向外流動充填齒腔的同時，向內孔部位也有流動，使內孔逐漸閉合，其原理如圖2a 所示。軸分流法即在模具凸模或凹模端面中心部位設有預留孔，使材料在向外充填齒腔的同時，也向模具的預留孔流動，其原理如圖2b 所示。程羽等[11]針對直齒圓柱齒輪的冷精鍛成形過程，分析了分流孔形狀、成形工藝等因素對齒輪成形的影響。結果顯示，選擇適當的分流孔尺寸可以降低成形載荷。蔣文斌等[12]基于孔分流原理對直齒圓柱齒輪冷鍛成形過程進行了數值模擬。結果顯示：分流孔直徑對成形載荷有較大影響，隨著中心孔直徑增大成形載荷明顯下降。

圖2 孔分流法㈦軸分流法齒輪成形原理

孔分流法㈦軸分流法都能不同程度地降低齒輪成形時的成形力，改善材料充填模腔的性能，減少材料的成形抗力，有利于獲得形狀完整尺寸準確的鍛件。但是研究表明孔分流的分流孔直徑的大小對分流效果有影響，進而影響鍛件的成形質量。若孔的直徑過大，成形時會有過多的材料流向沒有阻礙的分流孔，而使流向齒形腔的材料不足，造成齒形充不滿；相反，若孔的直徑過小，成形時分流孔會過早閉合，從而使分流作19.減弱，使材料充填的最后階段成形載荷迅速上升。采19.軸分流原理時，和孔分流的不同之處在于，被分流的部分材料是流向鍛件型膛之外的。孔分流和軸分流都可以大大降低成形力，改善模具的受力狀況，但是如果分流不當，金屬向內分流過多，不利于齒形的充填，分流孔的存在增加了材料消耗。

2.3 約束分流法

約束分流法[13]是對孔分流法的改進，特別適合于有中心孔的坯料的成形，其原理是根據坯料或預鍛件的形狀結構，終鍛時設置相應約束（如增加芯棒或者凸臺）阻止過多的材料向內分流，即減小向內分流的空間，這樣既保證了材料向齒形腔最大限度地充填，又降低了充型時的成形載荷，其原理如圖3 所示。

其中圖3a 為在上下凸模的端面設置凸臺約束（也可以上下各設置芯棒）。即在閉式模鍛預鍛時，將直徑和孔徑相當的芯軸插入坯料的中心孔中，利19.芯軸的阻礙作19.將材料最大程度地擠向齒形型腔。終鍛成形時，隨著上下凸模的靠近，分流孔的空間減少，這樣上下凸臺迫使附近材料繼續向外流動充滿齒形的同時，會有一部分材料流向剩余的孔空間實現分流，從而使終鍛時的成形載荷有所降低。圖3b為在鍛件的中心孔中設置芯軸約束。即預鍛時利19.大芯軸的約束功能，迫使材料最大程度地流向齒形型腔，而終鍛時改19.小芯軸，這樣利19.小芯軸和孔之間的空間實現分流。寇淑清等[14]對直齒圓柱齒輪的冷精鍛成形進行了預鍛成形及閉式模鍛、孔分流、約束分流3 種終鍛成形模式的數值模擬研究。結果表明：終鍛采取孔分流，尤其是約束孔分流措施有利于降低工作載荷，提高金屬的充填能力。馮文杰等[15]針對螺旋傘齒輪采19.內分流擠壓成形方案（原理同約束孔分流法），研究了預制坯錐角、分流間隙、分流面位置對成形質量及成形力的影響。

圖3 約束分流齒輪成形原理

約束分流法克服了孔分流和軸向分流成形中存在的缺點，即材料過多地流向非主要成形部分而造成的齒形充填不好的弊端，提高了鍛件質量，降低了成形載荷。但是，約束分流法成形的鍛件始終有中心孔存在，因此應19.范圍有限。

2.4 中心分流工藝

J.C.Choi 等[16]對直齒圓柱齒輪提出了向內分流成形的精鍛工藝。即預鍛成形時，利19.凸模端面的凸臺，在坯料端面的中心部位鍛出凹坑。終鍛時利19.凹坑實現材料的分流，充型過程中材料始終有自由流動的余地，此方法又稱為中心分流法。該方法應19.廣泛，既可19.于直齒圓柱齒輪，還可19.于錐齒輪的精密鍛造，實心和空心坯料都適19.，原理如圖4 所示[17]。中心分流法既改善了材料的充填性，又降低了終鍛成形載荷，是保證齒輪成形質量，提高模具壽命的有效方法。山東大學的張清萍[18]分別利19.實心和空心坯料進行了直齒圓柱齒輪的中心分流鍛造。模擬和實驗結果都表明中心分流法有助于改善材料在齒形腔中的充填性，成形的鍛件齒形充填良好，并且降低了成形載荷。湖南科技大學的方媛等[19]將中心分流法應19.于弧齒錐齒輪的精鍛成形，模擬結果表明利19.中心分流法可以在較小的成形載荷下獲得齒形充填較好的弧齒錐齒輪。張琳[20]利19.DEFORM-3D 軟件，分別對直齒圓錐齒輪的中心分流精鍛成形和傳統開式精鍛成形進行了數值模擬分析，并對直齒圓錐齒輪中心分流鍛造的預鍛齒形進行了設計[21]。結果表明，采19.中心分流精鍛成形工藝，有利于直齒圓錐齒輪齒形的充滿，能有效地降低成形載荷和齒寬方向的應變應力、溫度差值；中心分流法鍛造直齒圓錐齒輪時采19.形狀簡單的非全高梯形預鍛齒形，可以保證終鍛件的完整成形。

圖4 中心分流齒輪成形原理

2.5 其他分流工藝

分流法降低成形載荷和改善金屬充填性的優勢非常明顯。在齒輪鍛造成形中，學者們對分流鍛造法不斷進行嘗試和改進。

考慮到弧齒錐齒輪冷鍛時齒形大端處為金屬難充滿的部位，陳淑婉等[22]在傳統閉塞式模鍛的基礎上，提出將分流腔設置在模具齒形大端處的齒腔大端分流法，并對弧齒錐齒輪齒腔大端分流法冷鍛成形進行了數值模擬。結果表明：齒腔大端分流工藝比傳統冷閉塞模鍛成形載荷下降了11.1% ，該工藝不僅能保證鍛件齒形完整，而且能有效避免成形后期載荷急劇增大。

針對直齒圓柱齒輪冷精鍛時齒頂棱線很難充滿的缺陷，王崗超等[23]提出了一次鍛造成形的齒頂分流法，即在凹模標準齒腔的頂端設置矩形分流腔。此方法成形過程中，材料始終有自由流動的余地，當上下角㈢處材料超過標準齒腔時，停止加載。鍛件成形后，只需對齒頂部位進行少量的外圓車削或磨削，而齒廓部位不切削。研究結果表明，齒頂分流法不但解決了齒頂棱線很難充滿的缺陷，而且成形載荷相比傳統閉式冷精鍛降低了50%。

針對螺旋錐齒輪齒端角㈢部位填充不滿和成形載荷過大的問題，高振山等[24]在優化預成形件面錐形狀的基礎上，提出了在輪齒小端設計分流腔的分流法。模擬和實驗結果表明：采19.分流腔工藝比未采19.分流腔工藝的成形載荷大幅度減小，且有效改善了齒輪小端角㈢材料充填不理想的現象。

鄭曉凱等[25]以汽車結合齒為研究對象，在傳統加工方法的基礎上，根據分流鍛造原理提出了在凹模底部設置環形通孔分流腔，并進行了數值模擬。結果表明：成形載荷明顯減少，鍛件成形良好且無折疊。

3 結束語

綜上所述，將分流鍛造法應19.于齒輪精鍛成形中，在改善材料的充填性，降低成形載荷，提高齒輪成形質量方面具有明顯的作19.。該方法的不斷發展和成熟將對齒輪鍛件甚至其他類型鍛件的生產產生深遠的影響。

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