機械制造工藝與設備

中空分流鍛造關鍵尺寸參數的理論計算及應用

夏巨諶，金俊松，鄧磊，等

摘要：目的：針對環形毛坯在齒形凹模模膛內閉式模鍛為帶有中心孔的圓柱齒輪，建立環形毛坯分流面直徑與孔徑兩個關鍵尺寸的相互關系的理論計算公式，進而求解出合理的毛坯孔徑，達到既能使凹模齒頂型腔完全充滿，又能較大幅度降低模鍛成形力，提高模具使用壽命的目的。方法：基于中空分流鍛造原理，以分流面為界，將工件分為為內外兩個環形區，采用主應力法分別建立兩個區域內的應力狀態分析模型和應力平衡微分方程，導出其求解徑向應力的表達式；利用分流面上的內、外環形區徑向應力相等的方法，進而導出中空分流鍛造關鍵尺寸參數的理論計算公式；由相關數學知識可知，所導出的理論計算公式是一個超越數學方程，很難演變為求解分流面半徑R分或孔半徑R內的函數表達式，因此，本文提出基于 MATLAB軟件平臺采用計算機編程的方法進行具體的數值求解。結果：應用所建立的理論計算公式：（1）當已知鍛件的外半徑R外、內半徑R內、高度h和摩擦系數μ時，利用該式可求出分流面半徑R分，可用于實現環形毛坯的優化設計；（2）當已知鍛件的外半徑R外、高度h、摩擦系數μ，并假設分流面為所需的尺寸，則可用該式求出孔半徑R內，用于實現鍛件的優化設計。其中，實現鍛件的優化設計作用更大，以轎車自動變速器結合齒輪為例，目前國外采用整體精鍛工藝主要是鍛出中間結合齒圈，本文研究時也是采用這一思路，但開始時采用的是常規整體閉式精鍛方法，即預鍛件設計成外輪廓與終鍛件相似的實心工件，結果出現凹模上的外圈破裂且結合齒圈磨損過快，模具使用壽命低；此外，鍛件出現折疊和充不滿。針對這些問題，假設其分流面直徑（2R分）等于凹模結合齒圈直徑，求出終鍛件的孔半徑R內，其約束條件是R內≤鍛件圖紙上所設計的孔半徑，以優化的終鍛件為基礎實現預鍛件的優化設計，其設計方法是，預鍛件外輪廓與終鍛件相似，而內孔比終鍛件的大而深。這樣設計的預鍛件在終鍛時，在凹模的結合齒圈即分流面僅受軸向壓縮變形，分流面以外的金屬向外流動使凹模內腔充滿，分流面以內的金屬向內流動使孔徑縮小而連皮增厚。工藝試驗表明，所得結合齒輪鍛件輪廓清晰、尺寸精確，模具使用壽命大為提高。結論：（1）采用塑性成形理論中的主應力法建立了環形毛坯中空分流精鍛成形為圓柱齒輪時變形體內應力狀態的分析模型，并導出了分流面直徑（2R分）和鍛件孔徑（2R內）兩個關鍵尺寸參數的理論計算公式，使得中空分流鍛造的成形過程、成形規律及尺寸參數確定，由定性分析和近似確定提升為定量分析和精準確定；（2）通過應用實例表明了所研究理論計算方法的可行性和優越性。

來源出版物：塑性工程學報, 2016, 23(3): 1-4

入選年份：2016