许锋薛克敏：基于均衡思想的大模数高凸台圆柱直齿轮精锻成形研究

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1、基于均衡思想的大模数高凸台柱直齿轮冷锻成形研究合肥工业大学许锋薛克敏李萍王清瑞摘要本文在浮动凹模和梯形槽分流方法的基础上，基于均衡思想，以有限元模拟为工具，对大模数高凸台圆柱直齿轮模具结构进行改进，通过在下模上增设一直径15mm的半球台，对流入下凸台的金属进行约束，从而较好的解决了上下凸台成形不均衡的问题，通过物理实验验证了仿真分析的结果。关键词：高凸台；圆柱直齿轮；均衡思想；冷锻ResearchoncoldforgingofspurgearswithbigmodulusandhighbossbasedonuniformthinkingAbstra

2、ctThedieofspurgearswithbigmodulusandhighbossisimprovedbasedonuniformthinkingandactivedie-trapeziformgroovedividedflowmethod,bythefiniteelementsimulationinthearticle.Ahemispherewith15mm-diameter,whichwaslacatedonthebottomdie,cansolvenon-balanceformingoftopbossandbottomboss,byco

3、nstrainingthemetalflowingintobottomboss.Theresultsofsimulationandanalysisareverifiedbytheexperiment・Keywords:highboss;spurgear;uniformthinking;coldforging1引言人模数高凸台肓齿圆柱齿轮是工业屮不可缺少的特殊形状齿轮，尤其在微型汽车传动装置屮作用显著，木文所研究的圆柱肓齿伦模数齿数z=25,压力角a=20。,存在上下两个凸台，且凸台不对称，这对成形屮金属填充要求很高，同时齿伦模数越人，齿伦的抗弯能力

4、就越强，齿形的精锻成形难度也越人，图1为其零件图和锻件图。均衡成形指材料在流动充填过程屮，在不同的成形阶段，充填程度相同或者近似相同，避免一部分先充满，另一部分后充满，从而达到显著降低成形力、提高模具使用寿命的目的⑴。木文基于均衡思想，以数值模拟和物理实验为基础，对人模数高凸台圆柱肓齿伦精锻成形过程开展研究，为该类零件的生产实践提供参考。b）锻件图图1大模数高凸台圆柱直齿轮零件、锻件图2基于均衡思想的大模数高凸台圆柱直齿轮精锻成形工艺分析浮动凹模和分流法在改善齿腔充填和降低成形力方面已显示出优越性〔2句。木文结合该锻件及金属充填型腔的特点，凹模采用

5、浮动结构，同时利用梯形槽进行约束分流血％即在凸台的根部与齿形Z间的部位开一环形的梯形槽。其作用是在变形的初始阶段形成分流面，先使一部分金属流向齿腔，保证能有足够的金属充满齿腔。成形时，在齿形部位，金属首先充满齿形中间部位，然后流向两端，最后充满角隅处；在凸台处，先成形上凸台，下凸台充填阶段滞后于齿腔和上凸台成形阶段。成形最后阶段主要是充填下模凹腔。在最后成形阶段，变形力急剧上升，成形压力较大。基于均衡成形思想，本文提出在原模具机构的基础上，在下模块上加一直径为15mm的半圆球形状的凸台，利用梯形槽分流和圆冠形凸台约束作用相结合，加快了下凸台的成形，

6、使Z为上凸台基本可以同步成形，改善了原模具成形的不足Z处。3大模数高凸台圆柱直齿轮有限元模拟分析研究圆柱肓齿伦模具结构对金属流动规律的影响时，为简化研究对象，忽略工具的弹性变形，材料符合刚粘塑性硬化模型，模拟材料工业纯铅，毛坯与模具的摩擦方式为剪切摩擦模型，摩擦系数定义为0.12；为保证成形良好和坯料的定位、充填，坯料外径应接近齿根圆,为了节省模拟的计算时间，考虑到齿轮零件的近似对称性，収变形体的1/5作为有限元的模拟对象。3.1有限元模型的建立在三维造型软件UG中，建立如图2有限元模型，图2a是采用浮动凹模和梯形槽分流模具结构的有限元模型，图2b

7、是在基于均衡思想改进后模具结构的有限元模型。a）原模具结构b）改进后模具结构图2有限元模拟模型3.2有限元模拟模拟结果分析图3是等效应变分布图，从图屮可以看出当压下呆为80%时，采用改进结构示的模具，齿形充填程度较好，一方面下凸台填充程度较好，便得上下凸台成形接近同步，而且齿部上下端血和屮间部位也接近同步。这是因为在下模块所加的球冠形凸台对金属起到约束导流的作用，它对坯料产牛的向外的张力迫使原來向卜•流动的金属向四周和梯形槽流动，不仅加速了金属的流动，加快了下凸台的成形，使其与上凸台基木可以同步成形，而且更有利于梯形槽分流，使得多余金属流向齿腔，加

8、速齿腔的成形，也提前了上卞端面成形。当压下量为100%时，可以看出采用改进结构麻的模具结构得到的锻件也明显优于原来模具得到