CN110434263B - 直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法及其模具 - Google Patents

直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法及其模具 Download PDF

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Abstract

一种直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法及其模具，本发明属于齿轮精密锻造成形技术领域，特别涉及一种直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法及其模具。本发明是解决现有加工直升机用大模数直齿圆柱齿轮方法成本高，其热锻表层会发生严重氧化，温锻精度不高，冷锻成形压力大无法实现大模数齿轮精锻的问题。本发明采用热锻预锻+温锻终锻的复合成形工艺，预锻终锻过程通过上下凸模端面形状来调整坯料受力与流动方向，实现齿形上下角隅的完好填充；通过预锻终锻两步提高齿形成形精度。模具包括导向装置、预紧凹模装置、凸模装置和顶出装置本发明用于直升机用大模数直齿圆柱齿轮复合成形。

Description

直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法及其模具
技术领域
本发明属于齿轮精密锻造成形技术领域，特别涉及一种直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法及其模具。
背景技术
目前对于直升机使用的齿轮大多采用传统的切削加工方法，材料利用率低，齿部锻造流线被破坏，使用寿命低下，产品成本高。随着新式直升机的研发，对齿轮性能和使用寿命提出更高的要求，传统切削加工制造齿轮难以满足要求，亟需面临新材料的研发或工艺改进，新材料研发成本高周期长，而采用精密锻造能实现齿轮锻件的少无切削的近净成形，精密锻造齿轮由于在后续加工中无需或仅需少量磨削，齿部流线完好，因此具有高精度高性能等优势。
发明内容
本发明目的是为了解决现有加工直升机用大模数直齿圆柱齿轮方法成本高，其热锻表层会发生严重氧化，温锻精度不高，冷锻成形压力大无法实现大模数齿轮精锻的问题，而提供一种直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法及其模具。
本发明一种直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法具体是按以下步骤进行：
一、下料：根据齿轮零件设计需要进行钢棒下料，得到坯料；
二、墩粗：坯料采用燃气炉加热至1160℃，坯料取出8s内放置墩粗台上，墩粗压力设置为300T，墩粗压下36mm，去除氧化皮，得到墩粗后的坯料；
三、热锻预锻：墩粗后的坯料转移到热锻预锻成型模具的凹模腔内，固定好后进行热锻，得到预锻齿轮坯；
四、钻中心孔：在预锻齿轮坯的中心钻直径30mm的中心分流孔，得到钻中心孔的齿轮坯；
五、温锻终锻：将钻中心孔的齿轮坯表面喷涂水基石墨，在燃气炉内加热至800℃，取出放置于温锻终锻成型模具的凹模腔内，锻造压力设置为400T；固定好后进行温锻，得到终锻齿轮件；
六、钻孔修整：根据齿轮零件设计需要钻取中心孔，将锻件端面平整。
一种实现所述直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法的模具，包括导向装置、预紧凹模装置、凸模装置和顶出装置，其特征在于所述导向装置由导柱和导套组成，导柱与下模板过盈配合，导套与上模板过盈配合，导柱和导套间隙配合，保证上凸模精准压入凹模的型腔内；预紧凹模装置由凹模、预紧圈和凹模固定圈组成，凹模与预紧圈之间过盈配合，过盈量为1.04mm，采用凹模固定圈与螺栓将凹模和下模板连接；凸模装置由上凸模、下凸模、上凸模固定板、上垫板和下垫板组成，所述上垫板设置在上模板和上凸模固定板之间；上凸模和下凸模均为齿形凸模，上凸模采用螺栓与上凸模固定板连接，上凸模固定板通过螺栓与上模板连接，上模板与设备相连，上凸模压入凹模内，上凸模与凹模的单边间隙为0.2mm，顶出装置为顶杆，所述顶杆穿过下模板和下垫板对下凸模进行限位，使下凸模在凹模内上下移动。
本发明的有益效果：
本发明通过对凸模端面设计双层凸台，小倾角斜面，齿部倒角来降低端面摩擦阻力，促进坯料的径向流动及流动均匀性，提高坯料在齿部的填充性能，在预锻齿坯端面预制分流区；终锻采用凸台限制分流，在提高材料流动自由度的同时，凸台的限制作用提高了坯料向角隅填充性能，使角隅填充完好，上下端面分流区可实现局部分流降压，提高齿部角隅的充填能力。上述措施使得成形载荷低，材料流动大，获得较好的锻造组织，终锻后表层氧化少，最终锻件能保持较好的锻造流线，锻件尺寸精度高，力学性能好，同时模具成本较低，模具寿命较长，实现了直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造工艺的实用化，减少了齿轮加工时间，提高了齿轮性能和使用寿命。
附图说明
图1为直升机用大模数直齿圆柱齿轮的成形示意图；
图2为用于热锻预锻时模具的结构示意图；
图3为用于热锻预锻时模具的凸模的结构示意图；
图4为用于温锻终锻时模具的结构示意图；
图5为用于温锻终锻时模具的凸模的结构示意图；
图6为直升机用直齿圆柱齿轮锻造流线模拟分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法具体是按以下步骤进行：
一、下料：根据齿轮零件设计需要进行钢棒下料，得到坯料；
二、墩粗：坯料采用燃气炉加热至1160℃，坯料取出8s内放置墩粗台上，墩粗压力设置为300T，墩粗压下36mm，去除氧化皮，得到墩粗后的坯料；
三、热锻预锻：墩粗后的坯料转移到热锻预锻成型模具的凹模腔内，固定好后进行热锻，得到预锻齿轮坯；
四、钻中心孔：在预锻齿轮坯的中心钻直径30mm的中心分流孔，得到钻中心孔的齿轮坯；
五、温锻终锻：将钻中心孔的齿轮坯表面喷涂水基石墨，在燃气炉内加热至800℃，取出放置于温锻终锻成型模具的凹模腔内，锻造压力设置为400T；固定好后进行温锻，得到终锻齿轮件；
六、钻孔修整：根据齿轮零件设计需要钻取中心孔，将锻件端面平整。
本实施方式中热锻预锻，齿形允许不充满，提高坯料流动自由度，降低成形压力；温锻终锻采用凸台限制分流，在凸台的限制作用下，坯料提高向齿部填充能力直至充满，同时坯料向中间孔流动，坯料自由度增加，降低成形压力，只需少量磨削或无需加工即可使用。
本实施方式的上下凸模端面均采用双层凸台，提高材料变形均匀性，减小低应变倒三角区，坯料外侧上中下部，坯料径向流动更均匀，齿形填充效果更好；预锻上下凸模端面采用小倾角斜面，降低了坯料上下端面的摩擦阻力，改变了上下端面附近坯料的应力状态，提高了上下齿部的填充能力，在上下端面预制小角度V型分流区，终锻时实现局部分流降压，提高齿部的充填能力；上下凸模齿部倒角，锻造过程中齿部角隅处坯料流动自由度增加，提高角隅填充能力，实现角隅分流，降低成形压力。
本实施方式所述热锻是在高于坯料金属的再结晶温度上加工。
本实施方式所述温锻是在坯料再结晶温度以下且高于常温的锻造。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述齿轮零件的齿轮单边余量选取0.3mm，齿轮零件体积V0=189691.2mm2，零件氧化量取3%，锻件体积V1=V0（1+3%）=195382mm2，考虑到后续墩粗圆柱坯料尺寸定为直径52mm，高度92mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三得到的预锻齿轮坯的上下角隅未完全充满、上下端面预制分流区。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤五得到的终锻齿轮件的齿部角隅完全充满时，中心分流孔未完全充满。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式一种实现具体实施方式1所述直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法的模具，包括导向装置、预紧凹模装置、凸模装置和顶出装置，其特征在于所述导向装置由导柱2和导套4组成，导柱2与下模板1过盈配合，导套4与上模板5过盈配合，导柱2和导套4间隙配合，保证上凸模10精准压入凹模12的型腔内；预紧凹模装置由凹模12、预紧圈14和凹模固定圈15组成，凹模12与预紧圈14之间过盈配合，过盈量为1.04mm，采用凹模固定圈15与螺栓将凹模12和下模板1连接；凸模装置由上凸模10、下凸模13、上凸模固定板6、上垫板7和下垫板3组成，所述上垫板7设置在上模板5和上凸模固定板6之间；上凸模10和下凸模13均为齿形凸模，上凸模10采用螺栓与上凸模固定板6连接，上凸模固定板6通过螺栓与上模板5连接，上模板5与设备相连，上凸模10压入凹模12内，上凸模10与凹模12的单边间隙为0.2mm，顶出装置为顶杆17，所述顶杆17穿过下模板1和下垫板3对下凸模13进行限位，使下凸模13在凹模12内上下移动。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述设备为高速挤压机或电控螺旋压力机。其他与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：当用于热锻预锻时，所述上凸模10和下凸模13的端面均为双层凸台，小凸台高度为7mm，直径为26mm，大凸台高度为5mm，直径为42mm，小倾角斜面倾角为16°，齿部倒角为3×8mm。其他与具体实施方式五或六相同。
本实施方式提高坯料上中下部径向流动的均匀性，凸台高度为大径5mm，小径7mm，拔模角为9°；预锻时上下凸模将平直端面修整为小倾角斜面并在齿部设置倒角，降低坯料上下端面所受摩擦阻力，改变坯料端面应力状态，提高坯料的径向填充，增加了齿形填充的完整性，在上下端面预制小角度V型分流区，终锻时实现局部分流降压，齿部倒角提高了角隅的自由度，使得坯料更易向角隅填充，降低了成形载荷，斜面倾角16°，倒角3×8mm。
本实施方式斜端面起到在齿部聚料的作用。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：当用于温锻终锻时，所述上凸模10和下凸模13的端面均为双层凸台，小凸台高度为7mm，直径为26mm，大凸台高度为7mm，直径为42mm，凸模端面为平直端面，齿部倒角为3×8mm。其他与具体实施方式五至七之一相同。
本实施方式终锻工步采用带双层凸台的平直端面凸模，齿坯小角度V型分流区实现局部分流降压，通过φ30mm中心钻孔实现限制分流降压，材料流向角隅，完成填充。
本实施方式温锻时锻平，加强材料向上下齿部齿顶流动。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法具体是按以下步骤进行：
一、下料：根据齿轮零件设计需要进行钢棒下料，得到坯料11；
二、墩粗：坯料11采用燃气炉加热至1160℃，坯料11取出8s内放置墩粗台上，墩粗压力设置为300T，墩粗压下36mm，去除氧化皮，得到墩粗后的坯料；
三、热锻预锻：墩粗后的坯料转移到热锻预锻成型模具的凹模腔内，固定好后进行热锻，得到预锻齿轮坯；
四、钻中心孔：在预锻齿轮坯的中心钻直径30mm的中心分流孔，得到钻中心孔的齿轮坯；
五、温锻终锻：将钻中心孔的齿轮坯表面喷涂水基石墨，在燃气炉内加热至800℃，取出放置于温锻终锻成型模具的凹模腔内，锻造压力设置为400T；固定好后进行温锻，得到终锻齿轮件；
六、钻孔修整：根据齿轮零件设计需要钻取中心孔，将锻件端面平整；
模具，包括导向装置、预紧凹模装置、凸模装置和顶出装置，其特征在于所述导向装置由导柱2和导套4组成，导柱2与下模板1过盈配合，导套4与上模板5过盈配合，导柱2和导套4间隙配合，保证上凸模10精准压入凹模12的型腔内；预紧凹模装置由凹模12、预紧圈14和凹模固定圈15组成，凹模12与预紧圈14之间过盈配合，过盈量为1.04mm，采用凹模固定圈15与螺栓将凹模12和下模板1连接；凸模装置由上凸模10、下凸模13、上凸模固定板6、上垫板7和下垫板3组成，所述上垫板7设置在上模板5和上凸模固定板6之间；上凸模10和下凸模13均为齿形凸模，上凸模10采用螺栓与上凸模固定板6连接，上凸模固定板6通过螺栓与上模板5连接，上模板5与设备相连，上凸模10压入凹模12内，上凸模10与凹模12的单边间隙为0.2mm，顶出装置为顶杆17，所述顶杆17穿过下模板1和下垫板3对下凸模13进行限位，使下凸模13在凹模12内上下移动；
当用于热锻预锻时，所述上凸模10和下凸模13的端面均为双层凸台，小凸台高度为7mm，直径为26mm，大凸台高度为5mm，直径为42mm，小倾角斜面倾角为16°，齿部倒角为3×8mm；
当用于温锻终锻时，所述上凸模10和下凸模13的端面均为双层凸台，小凸台高度为7mm，直径为26mm，大凸台高度为7mm，直径为42mm，凸模端面为平直端面，齿部倒角为3×8mm。
本实施例降低直升机用大模数高强直齿圆柱齿轮加工的高制造成本，提高加工效率，降低成形载荷，获得高精度高性能大模数直齿圆柱齿轮。以热锻预锻-温锻终锻的复合成形工艺实现齿轮零件的近净成形，相较于传统齿轮锻造工艺减少了后续切削工序，无需或仅需少量磨削即可，具有节能、节材、低成本及高效率等优势；经过较大的径向流动材料内部形成性能优异的锻造组织，同时在齿部形成沿齿形轮廓分布的金属流线，齿根处流线连续，在表层形成加工硬化层，从而提高齿根的弯曲强度，齿轮表层的耐磨性，和齿轮的疲劳性能。

Claims (2)

1.一种直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法，其特征在于直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法具体是按以下步骤进行：
一、下料：根据齿轮零件设计需要进行钢棒下料，得到坯料；
二、墩粗：坯料采用燃气炉加热至1160℃，坯料取出8s内放置墩粗台上，墩粗压力设置为300T，墩粗压下36mm，去除氧化皮，得到墩粗后的坯料；
三、热锻预锻：墩粗后的坯料转移到热锻预锻成型模具的凹模腔内，固定好后进行热锻，得到预锻齿轮坯；所述预锻齿轮坯的上下角隅允许不充满、上下端面预制分流区；
四、钻中心孔：在预锻齿轮坯的中心钻直径30mm的中心分流孔，得到钻中心孔的齿轮坯；
五、温锻终锻：将钻中心孔的齿轮坯表面喷涂水基石墨，在燃气炉内加热至800℃，取出放置于温锻终锻成型模具的凹模腔内，锻造压力设置为400T；固定好后进行温锻，得到终锻齿轮件；所述终锻齿轮件的齿部角隅完全充满时，中心分流孔未锻合；
六、钻孔修整：根据齿轮零件设计需要钻取中心孔，将锻件端面平整；
所述热锻预锻成型模具与温锻终锻成型模具为同一模具，该模具包括包括导向装置、预紧凹模装置、凸模装置和顶出装置，其特征在于所述导向装置由导柱（2）和导套（4）组成，导柱（2）与下模板（1）过盈配合，导套（4）与上模板（5）过盈配合，导柱（2）和导套（4）间隙配合，保证上凸模（10）精准压入凹模（12）的型腔内；预紧凹模装置由凹模（12）、预紧圈（14）和凹模固定圈（15）组成，凹模（12）与预紧圈（14）之间过盈配合，过盈量为1.04mm，采用凹模固定圈（15）与螺栓将凹模（12）和下模板（1）连接；凸模装置由上凸模（10）、下凸模（13）、上凸模固定板（6）、上垫板（7）和下垫板（3）组成，所述上垫板（7）设置在上模板（5）和上凸模固定板（6）之间；上凸模（10）和下凸模（13）均为齿形凸模，上凸模（10）采用螺栓与上凸模固定板（6）连接，上凸模固定板（6）通过螺栓与上模板（5）连接，上模板（5）与设备相连，上凸模（10）压入凹模（12）内，上凸模（10）与凹模（12）的单边间隙为0.2mm，顶出装置为顶杆（17），所述顶杆（17）穿过下模板（1）和下垫板（3）对下凸模（13）进行限位，使下凸模（13）在凹模（12）内上下移动；当用于热锻预锻时，所述上凸模（10）和下凸模（13）的端面均为双层凸台，小凸台高度为7mm，直径为26mm，大凸台高度为5mm，直径为42mm，上下凸模端面采用小倾角斜面，小倾角斜面倾角为16°，齿部倒角为3×8mm；当用于温锻终锻时，所述上凸模（10）和下凸模（13）的端面均为双层凸台，小凸台高度为7mm，直径为26mm，大凸台高度为7mm，直径为42mm，上下凸模端面为平直端面，齿部倒角为3×8mm。
2.根据权利要求1所述的一种直升机用大模数直齿圆柱齿轮精密锻造分流降压复合成形方法，其特征在于步骤一中所述齿轮零件的齿轮单边余量选取0.3mm，齿轮零件体积V0=189691.2mm2，零件氧化量取3%，锻件体积V1=V0（1+3%）=195382mm2，考虑到后续墩粗圆柱坯料尺寸定为直径52mm，高度92mm。
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