机械制造工艺与设备

中空分流锻造关键尺寸参数的理论计算及应用

夏巨谌，金俊松，邓磊，等

摘要：目的：针对环形毛坯在齿形凹模模膛内闭式模锻为带有中心孔的圆柱齿轮，建立环形毛坯分流面直径与孔径两个关键尺寸的相互关系的理论计算公式，进而求解出合理的毛坯孔径，达到既能使凹模齿顶型腔完全充满，又能较大幅度降低模锻成形力，提高模具使用寿命的目的。方法：基于中空分流锻造原理，以分流面为界，将工件分为为内外两个环形区，采用主应力法分别建立两个区域内的应力状态分析模型和应力平衡微分方程，导出其求解径向应力的表达式；利用分流面上的内、外环形区径向应力相等的方法，进而导出中空分流锻造关键尺寸参数的理论计算公式；由相关数学知识可知，所导出的理论计算公式是一个超越数学方程，很难演变为求解分流面半径R分或孔半径R内的函数表达式，因此，本文提出基于 MATLAB软件平台采用计算机编程的方法进行具体的数值求解。结果：应用所建立的理论计算公式：（1）当已知锻件的外半径R外、内半径R内、高度h和摩擦系数μ时，利用该式可求出分流面半径R分，可用于实现环形毛坯的优化设计；（2）当已知锻件的外半径R外、高度h、摩擦系数μ，并假设分流面为所需的尺寸，则可用该式求出孔半径R内，用于实现锻件的优化设计。其中，实现锻件的优化设计作用更大，以轿车自动变速器结合齿轮为例，目前国外采用整体精锻工艺主要是锻出中间结合齿圈，本文研究时也是采用这一思路，但开始时采用的是常规整体闭式精锻方法，即预锻件设计成外轮廓与终锻件相似的实心工件，结果出现凹模上的外圈破裂且结合齿圈磨损过快，模具使用寿命低；此外，锻件出现折叠和充不满。针对这些问题，假设其分流面直径（2R分）等于凹模结合齿圈直径，求出终锻件的孔半径R内，其约束条件是R内≤锻件图纸上所设计的孔半径，以优化的终锻件为基础实现预锻件的优化设计，其设计方法是，预锻件外轮廓与终锻件相似，而内孔比终锻件的大而深。这样设计的预锻件在终锻时，在凹模的结合齿圈即分流面仅受轴向压缩变形，分流面以外的金属向外流动使凹模内腔充满，分流面以内的金属向内流动使孔径缩小而连皮增厚。工艺试验表明，所得结合齿轮锻件轮廓清晰、尺寸精确，模具使用寿命大为提高。结论：（1）采用塑性成形理论中的主应力法建立了环形毛坯中空分流精锻成形为圆柱齿轮时变形体内应力状态的分析模型，并导出了分流面直径（2R分）和锻件孔径（2R内）两个关键尺寸参数的理论计算公式，使得中空分流锻造的成形过程、成形规律及尺寸参数确定，由定性分析和近似确定提升为定量分析和精准确定；（2）通过应用实例表明了所研究理论计算方法的可行性和优越性。

来源出版物：塑性工程学报, 2016, 23(3): 1-4

入选年份：2016