大模數大規格直齒圓柱齒輪精密成形工藝開發

文／李養娟·陜西法士特齒輪有限責任公司

隨著汽車行業的飛速發展，齒輪精密成形已經是鍛造行業發展的必然趨勢。齒部鍛造成形可使齒部金屬流線完整連續，齒部強度優于機加工，同時節省工藝用料，降低生產成本。對于大模數大規格的齒輪，由于其齒部角隅充滿性差、出模困難、模具壽命低等問題，目前基本上先鍛成齒坯，再通過機加工完成齒部加工。本文針對某重型汽車上一種常用的大規格大模數直齒圓柱齒輪零件，進行精密成形工藝開發，最終實現外直齒精密成形。圖1 為大模數大規格圓柱齒輪零件產品圖，表1 為零件齒部參數。

表1 某重型汽車齒輪零件齒輪參數

圖1 某重型汽車齒輪零件圖

鍛件圖及設備選型

鍛件圖

從上述零件圖可以看出，此零件最大外圓為φ248mm，齒寬為58mm，模數為5.22mm，齒數為46 個，是典型的大規格大模數類齒輪零件。為保證成品率，在設計時齒部按單邊1mm 留余量，其余均按單邊1.3mm 留余量。同時考慮到出模問題，外圓處出模角取0.5°，鍛件如圖2 所示。

圖2 鍛件毛坯圖

生產設備選型

成形力的計算公式為P=(50 ～70)F，其中，F為鍛件投影面積(cm2)，P 為變形力(kN)，由于該鍛件較為復雜，選擇系數為70，計算P約為3.44×106kN。根據實踐經驗，設備公稱力應比變形力大1.2 倍左右，計算設備公稱力為4128t，最終選擇6300t 熱模鍛壓力機生產。

模具設計與Deform-3D 模擬

設計思路

由于鍛坯重量約14kg，且齒數多，如果預鍛帶齒，預鍛齒坯很難被快速準確地放置在終鍛型腔中，導致齒部降溫過快，終鍛時齒部充滿性差。所以本次設計預鍛工藝只是簡單分料，并未設計齒形。預鍛到終鍛是靠齒根圓定位的，終鍛采用浮動結構，大頂桿中心頂出，也可以采用環頂，保證在頂出時鍛坯平穩出模。具體模具結構如圖3 所示。

圖3 模具結構示意圖

Deform-3D 成形模擬

由于鍛件齒寬大，齒部用料多，在分料時外輪廓處需要的料較多，所以設計預鍛工藝時，應盡量減少中間處坯料體積。預鍛到終鍛是通過齒根圓定位的，具體如圖4 所示。通過多次Deform-3D 模擬，最終確定成形方案，從模擬結果看出，打擊力為4896t 時，鍛件齒部完全充滿，具體成形效果見圖5。

圖4 預鍛到終鍛模擬狀態圖

圖5 打擊力和充滿性模擬結果

現場實際生產情況及結果分析

現場生產選擇石墨潤滑，鍛造溫度1200℃，在6300t 熱模鍛壓力機上生產。圖6 為現場預鍛鍛坯，圖7 為終鍛鍛坯。鍛造過程中，預鍛到終鍛靠齒根圓定位，定位穩定，采用中心頂出，頂出平穩。最終生產情況與模擬情況基本相同，鍛件齒部充滿良好，整體齒寬下部分充滿性優于上部分，由于齒部有0.5°出模角，所以齒寬上部分的加工余量大于下部分，可有效降低廢品率。

圖6 預鍛鍛坯

圖7 冷鍛件

結論

本次針對大模數大規格外直齒圓柱齒輪進行精密成形工藝開發，通過模具結構、毛坯留余量、設備選型、Deform-3D模擬以及生產驗證五個方面進行分析，最終得出以下結論：

⑴對于大模數大規格外直齒圓柱齒輪鍛件，預鍛不建議設計出齒形。預鍛帶齒不僅增加模具成本，且齒部降溫過快，不易快速放入終鍛型腔，導致齒部充滿性差。所以簡化預鍛工藝設計，直接靠齒根圓定位即可。

⑵由于齒寬較大，且齒部貼模面積大，所以應采用靠近外圓處的環形頂出或者中心大頂桿頂出，可保證頂出時鍛件平穩出模。

⑶由于齒部結構較為復雜，選擇鍛造成形設備時，應比變形力大些，至少大1.2 倍，盡可能的保證設備能力足夠，避免設備超載，導致設備損壞。

⑷生產過程中應控制好料溫在1200℃左右，不宜過低，料溫偏低會明顯影響齒部充滿，導致廢品率高。

⑸齒模受力偏大，應合理選擇模具材料，避免鍛打過程中齒模因開裂導致失效。