基于Super Forge的直齿锥齿轮精密锻压模具设计

陶建明，宋爱平，易旦萍，杨 益，田德云

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225009）

1 零件的锻压工艺性分析

图1为某公司生产的直齿锥齿轮零件简图，模数m＝7.55，齿数Z＝16，压力角α＝30°。由剖视图可知，在锥齿轮小端齿根处有一凸台，显然无法用传统的机加工加工出完整的齿，因此采用锻压成型的方法来加工。

图1 直齿锥齿轮零件简图

由于生产批量大，综合考虑后该零件的加工工序为：制坯—中频加热到1 100℃左右—镦粗—对镦粗后的毛坯进行粗锻—用钢丝刷去除齿面、齿槽上的氧化皮—对处理过的锻坯进行精锻—切边。

1.1 锻压设备及公称压力的选择

锻压设备采用摩擦压力机。计算时，首先求出锻件精密成形所需的变形力F′，然后根据变形特点确定设备的公称压力F，即：

其中：S为锻件水平投影面积；K 为轮廓系数，在1 200℃时对轮廓清晰的锻件K＝80 k N／c m2，对轮廓具有一定圆角的锻件K＝50 k N／c m2，对具有高肋薄壁的锻件K＝120 k N／c m2～150 k N／c m2；q为变形系数，对于变形程度小的精压件q＝1.6，对于变形程度稍大的锻件q＝1.3，对于变形程度大的锻件q＝0.9～1.1。将数据代入式（1）计算得F＝5 105.088 k N。故精锻时选J53－630型摩擦压力机，其公称压力为6 300 k N。

1.2 锻件图及热锻件图的确定

精锻时取锻件的单边余量为2.2 mm；高度方向的公差值为3.0 mm，上偏差为＋1.5 mm，下偏差为－1.5 mm；水平方向的公差值为4.0 mm，上偏差为＋2.0 mm，下偏差为－2.0 mm；上模外模锻斜度为3°，内模锻斜度为5°；下模外模锻斜度为1°；锻件内圆角半径r＝2.5 mm，外圆角半径R＝4 mm。

最终确定的锻件图如图2所示。图中未注明模锻斜度为1°，未注明圆角半径为2.5 mm，允许错差量≤1.2 mm，允许残留飞边量≤1.2 mm，允许表面缺陷深度≤1.0 mm。

为保证锻件冷却后符合锻件图的要求，热锻件图上尺寸均在锻件图基础上加放收缩率λ＝1.5%。

1.3 毛坯尺寸的确定

按照变形前、后体积不变的原则，坯料体积V坯由下式确定：

其中：V锻为锻件体积，mm3；V飞为飞边体积，mm3；δ为烧损率；d坯为圆钢直径；L坯为圆钢长度。

L坯／d坯过大镦粗会产生弯曲、折叠，L坯／d坯过小下料操作困难、误差大。通常要求L坯／d坯＝1.5～2.2。则：

圆整为标准直径值后，L坯为：

其中：A坯为原材料截面积，mm2。

采用感应电加热时，钢的一次烧损率δ＜0.5%。调用Solid works2010中质量属性命令，可得到V锻和V飞的值，将数值代入式（2）可得到毛坯体积V坯＝455 491.652 2 mm3；由式 （3）得到毛坯 直径 d坯＝61.55 mm～69.25 mm，圆整后取d坯＝65 mm；由式（4）得L坯＝137.27 mm，圆整后取L坯＝138 mm。最终确定，该坯料尺寸为Φ65 mm×138 mm。

图2 锻件图

2 模具设计及模具工作过程

2.1 模具总体结构设计

根据锻件的结构特点及上述分析，结合Solid wor ks2010和Auto CAD2008，设计了模具的主要零件并生成了模具的总装图，如图3所示。

图3 直齿锥齿轮精锻模具装配图

为了提高上模5、下模11等工作零件间的导向精度和抵消部分因局部弯曲成形时产生的侧压力，上、下模座间采用了导柱7、导套2模架连接。上模5通过托圈4用内六角螺钉与上模座1相连，为改善下模工作时的受力状况，采用组合下模的结构，即下模11与应力圈10组合通过压圈6固定在下模座8内，下模与应力圈平齐，以保证足够的承击面。为防止锻压结束后锻件粘在下模上，设置了一个顶料装置12。

2.2 模具工作过程

将制坯得到的棒料经热处理后放于下模上，并依靠底面和成形侧刃定位。开启压力机，滑块下移，带动上模座向下移动，上、下模及顶杆共同对坯料施加压力；随着压力机滑块的下移，在上、下模和顶杆的共同作用下，逐渐将坯料挤压、成形出来；随着压力机滑块的再次下移，通过上、下模同时对坯料实施校正，完成锻件的挤压、成形和校正工序。随着压力机滑块的上升，通过顶杆将已成形的锻件顶出下模型腔，完成锻件的卸料。

3 有限元模拟结果与分析

将模型导入Super For ge中，对锻压过程进行模拟仿真。图4～图6为仿真过程中锻件的接触应力、应变抗力和温度变化图。

图4 锻件的接触应力变化图

图5 锻件的应变抗力变化图

图6 锻件的温度变化图

从图4可以看出，锻件在不同进度时，最大应力主要集中于顶部中间位置和底部。锻件在整个过程中的平均接触应力为1 150 MPa左右，这为选择合适的模具材料提供有利帮助。

从图5可以看出，锻件在不同进度时，最大应变抗力主要集中于顶部中间和四周齿面位置处。当到达100%时，锻件在整个过程中的最大应变抗力达472 MPa，这为选择合适的锻件材料提供有利帮助。

从图6中可以看出，锻件在不同进度时，最大温度主要集中于顶部中间位置和齿槽凹坑的地方。锻件在整个过程中达到的最高温度为1 497 K，最低温度为1 273 K，这与实际情况较吻合。

4 结语

通过Super Forge软件模拟分析了锥齿轮在锻压过程中接触应力、应变抗力和温度变化等的情况。结合模拟结果可有效地指导模具结构的设计及锻件工艺参数的设定，有效减少了实际生产过程中模具的试验次数，提高了模具寿命，减少了原材料的浪费和产品的开发周期。这对于提高产品的生产效率和质量，降低模具制造成本也有非常重要的实际应用价值。

［1］ 程里.模锻实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2010.

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