基本信息

項目名稱:
基于浮動凹模和齒腔分流原理的圓柱直齒輪冷精鍛技術
小類:
能源化工
簡介:
圓柱齒輪是汽車自動變速器上的重要零件,其形狀復雜,材質、尺寸精度、表面質量及綜合機械性能均要求很高。針對圓柱直齒輪冷鍛的困難性,提出了齒腔分流工藝,并結合浮動凹模技術,通過數值模擬與物理實驗相結合的方法,成功制備出鋼制圓柱直齒輪,并且成形過程大大的降低了工作載荷,提高了材料利用率,推動了圓柱直齒輪冷精鍛工藝的實用化進程。
詳細介紹:
圓柱齒輪是汽車自動變速器上的重要零件,其形狀復雜,材質、尺寸精度、表面質量及綜合機械性能均要求很高。我國現階段圓柱齒輪的生產主要還是切削加工齒形,這種加工方法對坯料的形狀精度要求較高,需要對坯料進行一定的預處理,而且材料利用率低,生產效率低,產品成本高,同時由于金屬纖維被切斷從而降低了齒輪強度和使用壽命,因此,采用切削加工,耗工費時,浪費能源,污染環境,已不能適應大批量生產的需要。冷精鍛成形是近年來迅速發展起來的一種精密塑性成形新工藝。該工藝不僅具有高精、高效、優質低耗等優點,而且可以顯著提高了產品質量,降低生產成本,提高產品的市場競爭能力。圓柱齒輪的冷精鍛是在冷鍛基礎上發展起來的,因成形時不需要加熱坯料,成形零件具有表面質量高,尺寸精度高等特點,但成形時材料的溫度低,變形抗力高,流動性差,致使鍛造載荷陡增,齒形充滿困難,模具變形磨損嚴重,壽命低,阻礙了冷鍛工藝的推廣。由此,研究組提出了圓柱齒輪的冷精鍛成形新工藝,即采用分流原理和約束分流的方法,并結合浮動凹模結構,實現圓柱直齒輪的凈近成形工藝。圖1為設計的模具有限元模型。 圖1 有限元模型 根據浮動凹模技術和齒腔分流法設計的生產用模具工裝如圖2所示,鍛件放入模膛內,上模座帶動上凸模下行,利用凸、凹模自身導向進行定位,上凸模先利用模套導入凹模內,然后帶動凹模一起向下運動完成冷鍛成形。之后上模座上行,張開一定高度后在凹模上放入環形件,然后模座下行,通過環形件繼續下壓浮動凹模,同時將鍛件頂出凹模型腔。上模座再次上行到一定位置,取下環形件和鍛件之后上模座再上行,通過拉桿將凹模復位。之后進行下一次鍛造成形。整個鍛造過程中,下凸模的齒形部位始終保持在凹模型腔內,凹模沿導柱下滑,這種結構能夠有效地利用軸向摩擦力,以利于上、下角落的充填, 1上模座 2上墊板 3上墊片 4法蘭5上凸模 6 模套7壓簧 8定位銷 9下模座 10下墊板11壓板 12下凸模 13浮動凹模 14坯料 15拉桿 圖2 生產用模具簡圖 齒腔分流法是在凹模標準齒腔的頂端設置分流型腔。如圖3所示,只要齒形最難充填的上下角隅及齒頂棱線部分的充填超過標準齒腔時,即可停止加載。鍛件只需要經過少量的外緣車削或者磨削,不需要加工齒面,就可以得到精度很高的齒輪零件。而且能夠有效避開冷鍛最后階段的載荷急劇上升。 圖3 齒腔分流凹模齒形輪廓線 對圓柱直齒輪鍛件成形過程進行建模及計算機仿真,并設計模具工裝,如圖4所示,進行物理實驗,成功試制出鋼制圓柱直齒輪,得到的鍛件如圖5,齒形成形完好,經過少量的外緣車削或磨削能夠得到合格的齒輪零件。并且驗證,齒腔分流法與傳統封閉式冷鍛相比,載荷下降了50%。 圖4實驗模具實物圖 圖5 實驗鍛件圖 通過數值模擬及物理實驗驗證,此新工藝可有效改變摩擦條件,改善坯料在模具型腔的充填情況,減小模具表面的接觸壓力,降低成形載荷,減少模具摩擦, 提高了產品精度,降低了成本,能極大的推動圓柱直齒輪冷鍛實用化的研究。

作品圖片

  • 基于浮動凹模和齒腔分流原理的圓柱直齒輪冷精鍛技術
  • 基于浮動凹模和齒腔分流原理的圓柱直齒輪冷精鍛技術
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  • 基于浮動凹模和齒腔分流原理的圓柱直齒輪冷精鍛技術
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作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

作品設計目的:圓柱齒輪的冷精鍛成形時,零件具有表面質量高,尺寸精度高等特點,但成形時材料的溫度低,變形抗力高,流動性差,致使鍛造載荷陡增,齒形充滿困難,模具變形磨損嚴重,壽命低,阻礙了冷鍛工藝的推廣。由此,研究組提出了圓柱齒輪的冷精鍛成形新工藝,即將圓柱直齒輪的冷精鍛成形與浮動凹模及齒腔分流原理相結合,成功制備出鋼制圓柱直齒輪,實現圓柱直齒輪的凈近成形。 基本思路:1、利用分流原理和約束分流的方法,并采用浮動凹模結構,設計模具工裝;2、建立有限元模型,對圓柱直齒輪的冷精鍛成形新工藝過程進行數值模擬;3、根據數值模擬和分析結果,采用閉式模鍛工藝,冷精鍛成形圓柱齒輪。 創新點:將浮動凹模技術與齒腔分流法相結合,開展圓柱直齒輪的冷精鍛成形工藝研究,有效改善了坯料在模具型腔的充填情況,減小模具表面的接觸壓力,降低成形載荷,減少模具摩擦,提高產品精度,降低成本,極大的推動圓柱直齒輪冷鍛實用化的研究。 技術關鍵:1、精確模擬圓柱直齒輪冷精鍛成形過程,掌握冷鍛過程中金屬流動規律,制定出最佳冷精鍛成形工藝;2、設計和制造圓柱齒輪冷精鍛精密成形工裝;3、完成典型鋼制圓柱直齒輪的冷精鍛試制。 主要技術指標:1、冷精鍛成形出圓柱直齒輪,齒形單邊機加工余量不超過1mm,尺寸誤差小于0.5mm,其綜合性能指標符合現行國家標準;2、材料利用率大大提高,達到70%以上;3、降低圓柱齒輪的成形載荷至少30%以上;齒輪生產效率提高30%—40%;4、齒輪強度提高20%,抗彎疲勞壽命提高20%。

科學性、先進性

目前,國內圓柱齒輪生產大多采用傳統的切削加工方法,對坯料的形狀精度要求較高,需要預處理,而且材料利用率低,生產效率低,產品成本高,同時由于金屬纖維被切斷從而降低了齒輪強度和使用壽命。采用熱模鍛法生產圓柱齒輪,需要加熱,鐓粗去除氧化皮,成形后切除飛邊等工序,材料利用率低,成形工序多,生產效率低。另外通過鑄造的方法加工齒輪,雖然可以獲得接近產品形狀和尺寸的鑄件,但由于其組織性能較差,通常只能用于性能要求較低的零件,顯然,若用于齒輪的生產,滿足不了產品的性能要求。由于冷精鍛成形工藝不僅具有高精、高效、優質低耗等優點,而且可以顯著提高產品質量,降低生產成本,提高產品的市場競爭能力,所以采用冷精鍛成形工藝鍛造圓柱直齒輪,并且結合浮動凹模技術及齒腔分流原理進行新工藝的研發,該新工藝能夠有效改變摩擦條件,改善坯料在模具型腔的充填情況,減小模具表面的接觸壓力,降低成形載荷,減少模具摩擦,提高產品精度,降低成本,極大的推動圓柱直齒輪冷鍛實用化的研究。

獲獎情況及鑒定結果

作品所處階段

生產階段

技術轉讓方式

與企業雙方共享

作品可展示的形式

實物、產品、圖片、樣品

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

使用說明:下料→晶粒細化處理→酸洗→磷化皂化處理→浮動凹模工藝精鍛成形→后續機加工→終檢。 技術特點和優勢:將浮動凹模技術與齒腔分流法相結合,開展圓柱直齒輪的冷精鍛成形工藝研究,能夠極大的降低成形載荷,減少模具摩擦,提高產品精度,降低成本,極大的推動圓柱直齒輪冷鍛實用化的研究。 作品的適應范圍及推廣前景的技術性說明:齒輪是廣泛應用于傳遞精確運動和動力的精密零件,在汽車、機床、飛機、摩托車上得到廣泛的運用,同時相應專用的液壓機也是必不可少的配套設備,所以它的用量巨大,市場潛力大。 市場分析和經濟效益預測:目前國內齒輪行業的年產值在2009年就已超過1260億人民幣,其中車輛齒輪所占比例高達2/3。汽車工業的帶動是齒輪模具發展的重要支撐。 1)采用冷鍛新技術來加工齒輪,材料利用率提高了25%,假設每年某單位使用鍛件20000噸,全年將節約鋼材5000噸左右。 2)采用冷鍛新工藝生產齒輪,減少了坯料的加熱工序,每公斤鍛件可以節省至少1度電。同時創造了良好的經濟效益和環保效益。

同類課題研究水平概述

經過國內外學者多年的努力研究,有關直、傘齒輪精鍛成形理論及其工藝已較成熟,并在實際生產中得到大量應用。而對圓柱直齒輪精鍛的研究主要集中在經典理論分析(包括滑移線法、主應力法、上限法、上限元法等)以及實驗研究兩個方面,并且這些研究工作在實際生產中未能得到推廣應用,還處于實驗室研究階段。究其原因,正是由于對圓柱直齒輪精鍛技術的研究做的還不夠,例如單純用常規實驗無法了解精鍛過程各變形瞬間的變形流動規律以及各種工藝參數對鍛件質量、模具壽命的影響,因而無法優化模具結構、優化坯料的形狀和尺寸。目前,圓柱直齒輪精鍛的理論分析及實驗研究主要集中在以下4個方面:(1)變形規律的研究;(2)工藝設計和模具設計;(3)鍛件質量和精度控制研究;(4)數值模擬研究。 1987 年英國伯明翰大學 Tuncer C 等提出了浮動凹模精鍛空心件思想,設計了各種模具。伊朗Tarbiat Modarres大學的M.H.Sadeghi與英國伯明翰大學的 T.A.Dean 用浮動凹模原理模具對直齒輪和斜齒輪作了系統的研究,包括模具結構形式選擇,齒輪尺寸精度的影響因素,齒輪塑性成形力的預測及其與摩擦系數、齒輪模數、寬度關系,脫模力與摩擦系數、成形力、成形溫度、壓力角、齒數的關系。Nagai Y 提出將預制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施,即通過拉延、整形、變薄拉延和壓縮四個工步實現具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形。Kondo K提出了齒輪分流減壓鍛造法。Knoerr M在1992年模擬了圓環狀齒輪坯的三工位熱鍛過程,預測了該成形過程中可能出現的折疊缺陷,并根據模擬結果改進成形參數,獲得了無缺陷的零件。山東大學張清萍等人對兩步成形直齒圓柱齒輪冷精鍛工藝設計方法進行了研究,分別采用修正模數法和變位法對終鍛和預鍛模具的齒形進行設計。縱觀關于圓柱直齒輪冷鍛的文獻, 直齒圓柱齒輪冷鍛成形還存在兩個主要問題: 一是盡管在冷鍛過程中采取了某些分流減壓措施, 使變形力有所下降, 但由于金屬材料的全部變形都是在冷態下進行, 所需的變形力仍太大, 模具壽命低; 二是由于采用了分流減壓措施, 使工件含有較多的敷料,成形后的齒輪鍛件無法順利脫模,而且不利于節材。而節能減排、綠色環保是21世紀的先進制造技術的發展趨勢,以近形或凈近形為目標的齒輪精鍛成形工藝顯然已經成為齒輪加工技術的發展方向。
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