中空分流鍛造關鍵尺寸參數(shù)的理論計算及應用

夏巨諶，金俊松，鄧磊，等

摘要：目的：針對環(huán)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(huán)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(huán)形區(qū)，采用主應力法分別建立兩個區(qū)域內的應力狀態(tài)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(huán)形區(qū)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(shù)的理論計算公式；由相關數(shù)學知識可知，所導出的理論計算公式是一個超越數(shù)學方程，很難演變?yōu)榍蠼夥至髅姘霃絉分或孔半徑R內的函數(shù)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(shù)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(shù)μ時，利用該式可求出分流面半徑R分，可用于實現(xiàn)環(huán)形毛坯的優(yōu)化設計；（2）當已知鍛件的外半徑R外、高度h、摩擦系數(shù)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(xiàn)鍛件的優(yōu)化設計。其中，實現(xiàn)鍛件的優(yōu)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(guī)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(xiàn)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(xiàn)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(yōu)化的終鍛件為基礎實現(xiàn)預鍛件的優(yōu)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(huán)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(tài)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(shù)的理論計算公式，使得中空分流鍛造的成形過程、成形規(guī)律及尺寸參數(shù)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(yōu)越性。

來源出版物：塑性工程學報, 2016, 23(3): 1-4

入選年份：2016