点击下载——直齿圆锥齿轮闭式热精密模锻生产工艺.doc

直齿圆锥齿轮闭式热精密模锻生产工艺

宋舟^①1，王德米²，宋哲¹，罗晓彤¹

(1：金川集团有限公司，甘肃 金昌 737100；2：中冶东方工程技术有限公司，山东 青岛 266555)

摘 要：直齿圆锥齿轮传统的锻造生产工艺，生产效率低、齿轮精度低、强度低，使用寿命短，不能满足现代重工业发展的需要。闭式热精密模锻成为必然的发展趋势，使用该技术的优势：齿轮面具有高强度，高耐磨性、材料利用率高等优点。将对闭式热精密模锻生产工艺进行论述。

关 键 词：直齿圆锥齿轮；精密锻造；工艺

1 前言

机械传动中的直齿圆锥齿轮，以其结构上的可锻性，成为国内外研制最早，发展最快，应用最多的零件。圆锥齿轮闭式热精密模锻技术是指齿轮的轮齿直接模锻成形且无切削加工的齿轮。

金川公司机械厂从2009年开始探索直齿圆锥齿轮精密模锻技术，通过不断的设计、生产、优化逐步摸索出了一套完善的以锯床下料、加热、墩粗、预锻、精锻、热处理、机械加工等工序组成的等工完整生产工艺，该生成工艺已成功运用于井下无轨设备、选矿设备、冶金等非标设备之中，使用效果良好。

2 齿轮热精锻成形工艺

下料→清理坯料→少无氧化加热→墩粗→制坯(预锻)→加热→精锻齿形→余热正火→定位车锥孔→外圆和端面→滚削外齿→热处理→喷丸→磨锥孔→检验→入库。

3 精锻模具设计

3．1 锻件图的制定

1)确定分模面位置：直齿圆锥齿轮其分模面应该选在最大直径出，即齿顶圆直径处，这样可以促使金属纤维流向与主应力方向一致，来提高齿轮的力学性能和精度同时还可以延长齿轮寿命。

2)公差和余量：齿形和小端面不需机械加工，不留余量。背锥齿面是安装基准面，精锻时很难达到精度要求，预留1mm的机械加工余量。

3)确定锻件的冷收缩率：取其为1．5% 。

4)锻件重量：0．525kg，坯料重量：0．5507kg；零件材料：18GrMnTi，材质系数：M1；形状复杂系数：S₂(二级)。

零件图如图1所示。

3．2 确定锻件基本数据m_零件=0．525kg

式中 K=0．05(修正系数)；

V_坯—锻坯体积；

L_坯—锻坯周长；

m_坯—锻坯重量；

V_齿—齿轮体积；

ρ—锻坯密度；

D_坯—锻坯长度。

3．3 选择压力机

摩擦压力机的特点：摩擦压力机比上模锻，胎膜锻生产效率高，模具寿命长，劳动条件好；同时摩擦压力机设有下顶出装置，即可采用组合式凹模，锻出下斜度(无斜度)或小余块的锻件，结合以上优点摩擦压力机可以满足精密模锻的需求，根据生产实践采用1000kN的摩擦压力机。

4 采用闭式模锻

4．1 闭式模锻的特点

闭式模锻的特点：上、下模间隙的方向与锻模运动方向平行，在模锻过程中，间隙大小保持不变，模锻时，金属处于三向压应力状态，有利于提高金属的塑性，但对坯料的体积和重量要求严格，不能太多也不能太少，太多会产生毛刺，易使模具损坏，太少又会使模膛难以充满而出现废品，给工艺操作带来了困难，所以做模具设计时，一定要做到“严格的坯料尺寸、高加工精度、高锻件质量”。闭式锻造的经济优势：节省钢材，降低能源消耗，减少设备投资和人力消耗。

4．2 模具工作部分尺寸

模具尺寸如图2、图3所示。

1)模腔外径尺寸

D=(1+α)×2R₅=(1+0．15)×70．08=79mm

式中 α—材料的热膨胀系数，取1．5%；

R₅—零件尺寸，mm；

D—模腔尺寸，mm。

上模腔内部尺寸与零件图分模面上部尺寸一一对应。

2)模板厚度

H₁≥(3．6～5．6)×H

H₁≥5．5×11．86

H₁≥65，取H₁=66

式中H₁—模板厚度，mm；

H—凹模厚度，mm。

5 螺钉应力校核

螺纹联接件的许用应力与载荷性质(变、静载荷)、装配情况(松联接或紧联接)以及螺纹联接件的材料、结构尺寸等因素有关。螺纹联接件的许用应力按下式确定：

式中[σ]—螺纹连接的需用应力，MPa；

[σ_s]—材料屈服极限，MPa；

S—安全系数。

螺纹型号GB5785M12╳55它起着固定上模座固定架(图4)的作用，它所受到的力为上模座固定架、上模给它施加的重力。

上模所施加的重力：

m_上模=ρ

V_上模=287．986×7．83×10－3≈22．5kN

F_上模=m_上模×g=2254．93×10×10－3=22．549kN

上模固定架所施加的重力为：

m_架=ρ×V架

=919．37×7．83×10－3≈72．12kN

F_架=m_架×g=72170．5×10×10－3=72．17kN

螺钉实际所产生的应力为：

σ＜[σ]，满足强度需要。

式中 m_上模—上模的质量；

F_上模—上模重力；

m_架—上模固定架的质量；

F_架—上模固定架的重力；

F—上模及上模固定架重力合力。

6 工艺操作流程

第一步，下料采用精密锯床下料，要求坯料上无裂纹，氧化皮不宜过多，所截取棒料在无心外圆磨床上磨去表面氧化脱碳层，同时要对所截取的棒料进行质量检验，以避免由于内部缺陷而引起锻件精度误差。下料之后将锻坯送入加热炉加热，加热到1180℃进行自由锻造，锻至图5(b)；

第二步，热坯料取出之后，立即在空气锤上利用胎模进行预锻制坯，将制坯胎模安装在750kg空气锤上，将锻坯锻至图5(c)；

第三步，将圆锥齿轮热精锻模具预热至300℃左右，将圆锥齿轮热精锻模具安装在1000kN摩擦压力机上，预锻件取出后，再回加热炉中加热至1180℃左右，然后取出预锻件放入精锻模的模膛中，上模下移，锻出锥齿；上模下端将齿轮锻件上端面压平；加工至图5(d)，锻击结束，压力机顶料系统通过上、下顶杆顶出锻件。锻件取出后，立即将其齿端面朝下扣在干沙或灰中，使锻出的圆锥齿表面和空气隔绝，以免二次氧化，待锻件温度降至750℃，取出装入余热正火炉，进行余热正火；与此同时用喷枪将水基石墨冷却润滑剂喷向上、下模模腔内，对精锻模具进行冷却润滑，并准备精锻下一个锻件。采用圆锥齿轮精锻成形工艺，一次锻击就使圆锥齿轮全部成形，型腔完全充满，且无任何折叠，锻件脱模顺利，精锻成形圆锥齿齿形无须任何加工即达到产品要求。

随后进行机械加工，首先以圆锥齿轮定位孔车锥孔、外圆和端面，然后以锥孔和端面定位滚削外齿。在完成机加工后要对锥齿轮进行热处理，其热处理工艺退火加渗碳淬火，退火时采用盐浴炉加热到350℃并保温40min；渗碳淬火深度为0．8～1．2mm，热处理后齿面硬度达到HRC58～64，心部硬度达到HRC33～48。热处理后，对锥齿轮进行喷丸处理，之后磨削锥孔，最终达到齿轮零件图的精度要求。

7 结论

闭式热精锻成形的圆锥齿轮避免了传统生产工艺的缺点，大大提高了齿轮的精度和强度，主要原因是：依靠锻件在高温下具有的良好塑性，加上模具较高的精度等级，使金属在齿形模腔内流动合理、齿形充填饱满、母线互相平行、无锥度；精密模锻时不但没有使金属流线被割断，而且流线分布更合理，因此力学性能比采用机械加工高，提高了使用寿命沿长；同时由于精锻圆锥齿精度高，尺寸易于控制，可使精锻圆锥齿尺寸靠近公差下限，从而延长了齿轮磨损失效时限，也可以提高齿轮的使用寿命。

参 考 文 献：

[1]   濮良贵．机械设计第七版[M]．北京：高等教育出版社，2005．

[2]   桃泽坤．锻造工艺学与模具设计[M]．西安：西北工业出版社，1998．

[3]   李云程．模具制造工艺学[M]．北京：机械工业出版社，2008．