l 引 言
汽車、拖拉機(jī)變速箱中的內(nèi)齒輪起離合變速作用，亦稱為快檔齒輪，是易損的重要零件和配件，需求量大。圖1是某農(nóng)用汽車內(nèi)齒輪簡(jiǎn)圖，內(nèi)齒和外齒的模數(shù)都是2．5。這類內(nèi)齒輪與一般內(nèi)齒輪的顯著差別是內(nèi)齒一端與幅板相連，無(wú)法切削加工，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家采用電解工藝加工內(nèi)齒齒形，生產(chǎn)效率低，耗電嚴(yán)重，材料利用率低，電解廢液污染環(huán)境。同時(shí)電解成形的內(nèi)齒在精度、強(qiáng)度和壽命方面存在3個(gè)明顯的缺點(diǎn)：①電解的齒形沿齒向有外大里小的錐度，即呈喇叭口形，這樣與配對(duì)齒輪結(jié)合時(shí)有軸向力存在，而且相配合的齒輪不是面接觸，而是線接觸，隨著頻繁的離合磨損，錐度越來(lái)越大，軸向力就越來(lái)越大，當(dāng)達(dá)到某一錐度時(shí)，齒輪則自行脫檔而報(bào)廢；②電解加工精度較差，尺寸誤差難以控制，為保證齒輪能用，只好使內(nèi)齒尺寸(相當(dāng)于孔)大些，即接近或達(dá)到其公差上限，致使內(nèi)齒輪很快因內(nèi)齒尺寸超差而報(bào)廢，齒輪壽命很短，甚至有的電解齒輪未使用時(shí)就已超差；③內(nèi)齒齒間金屬纖維被電解加工切斷，使內(nèi)齒強(qiáng)度降低。
國(guó)內(nèi)也有的齒輪廠因無(wú)電解機(jī)床，而采用鉆、車、擠和手工鏟除金屬等多道工序加工內(nèi)齒。即先鉆與齒同樣多的盲孔，再車削掉半個(gè)孔，然后用帶外齒的凸模冷擠下多余金屬，但這些金屬仍連在幅板上，最后靠手工操作，把多余金屬?gòu)姆迳乡P掉。這種方法十分笨拙落后，工序環(huán)節(jié)多，鋼材浪費(fèi)嚴(yán)重，生產(chǎn)效率比電解加工還低得多。
圖1 汽車內(nèi)齒輪筒圖
事實(shí)上這類齒輪是要求塑性成形的，但因其結(jié)構(gòu)形狀及材質(zhì)(20CrMnTi鋼)所致，冷鍛無(wú)法成形，溫鍛成形也極其困難，只能考慮內(nèi)齒輪熱鍛成形。90年代初，我國(guó)某部屬研究所曾試圖開(kāi)發(fā)內(nèi)齒輪熱精鍛工藝，由于未能解決鍛件脫模問(wèn)題而未成功。因鍛件和凸模之間接觸傳熱，熱鍛件降溫收縮，冷凸模升溫膨脹，而且?guī)X的凸模無(wú)拔模斜度，如果鍛造結(jié)束的瞬間不能立即脫模，凸模與鍛件之間則產(chǎn)生迅速增大的過(guò)盈量，導(dǎo)致鍛件抱死凸模而難以脫開(kāi)，這是內(nèi)齒輪熱精鍛的關(guān)鍵問(wèn)題。從我國(guó)現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)條件出發(fā)，研究開(kāi)發(fā)了帶有強(qiáng)力脫模裝置的內(nèi)齒輪熱精鍛模具，徹底解決了鍛件脫模問(wèn)題，并將該技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)齒輪生產(chǎn)。
2 內(nèi)齒輪熱精鍛模具結(jié)構(gòu)及脫模力
2．1 模具結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程
圖2是圖1所示內(nèi)齒輪的鍛件圖。鍛件的齒面、齒頂、齒根處所標(biāo)的尺寸均為零件尺寸，不再做除去材料加工。輪轂上端的凹坑是變形金屬流動(dòng)自然形成的，而非模具型腔所致，其尺寸無(wú)精確要求，只要其直徑小于零件內(nèi)孔即可。
圖2 內(nèi)齒輪鍛件圖
如前所述，內(nèi)齒輪精鍛成形時(shí)，鍛件降溫收縮，凸模升溫膨脹，且無(wú)撥模斜度，鍛擊結(jié)束的瞬間須立即脫模，否則導(dǎo)致鍛件抱死凸模而難以脫開(kāi)。為解決脫模困難問(wèn)題，研制了熱精鍛內(nèi)齒輪新型模具，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該模具的核心技術(shù)是強(qiáng)力脫模裝置，它主要由凸模芯7、凸模套5、彈性元件1構(gòu)成。強(qiáng)力脫模裝置與上墊板2、限位環(huán)6和墊片4等零件構(gòu)成上模，凹模8、下模塊9和下墊板11等零件構(gòu)成下模。帶外齒的凸模芯7由螺釘3固定于上墊板2，帶內(nèi)齒的凸模套5套在凸模芯7的外面，兩者的齒牙間隙配合。凸模套5一端支撐在彈性 元件1上，在彈性元件張力和坯料變形抗力作用下可以沿凸模芯浮動(dòng)，并通過(guò)限位環(huán)6限位。坯料未接觸上模時(shí)，凸模套5與凸模芯7下端平齊，或前者略凸出于后者，以保證鍛件脫模徹底。鍛造時(shí)，凸模套5在坯料變形抗力的作用下相對(duì)于凸模芯7后退，彈性元件l被壓縮，凸模芯7凸出于凸模套5，鍛出內(nèi)齒；凸模套5退至其上極限位置時(shí)，其上端作用于上墊板2，其下端將齒輪鍛件上端面壓平。鍛擊結(jié)束時(shí)，凸模芯隨上模抬起的瞬間，彈性元件張力通過(guò)凸模套強(qiáng)迫鍛件與凸模芯脫開(kāi)，隨即壓力機(jī)頂料系統(tǒng)(圖中未示出)通過(guò)頂桿10頂出鍛件。
圖3 內(nèi)齒輪熱精鍛模具結(jié)構(gòu)
1.彈性元件2.上墊板3.螺釘4.墊片5.凸模套6.限位環(huán)7.凸模芯8.凹模9.下模塊10.頂桿11.下墊板
2．2 脫模力
用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定最大脫模力(脫模初始時(shí)刻的彈簧張力)，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)碟形彈簧。一般的汽車內(nèi)齒輪(內(nèi)齒的齒根圓直徑小于80mm，內(nèi)齒齒寬小于12mm)最大脫模力為150kN。
2．3 新型模具特點(diǎn)
該模具有以下特點(diǎn)：
(1)采用強(qiáng)力脫模裝置，使鍛件在鍛造結(jié)束的瞬間立即脫模，徹底解決了內(nèi)齒輪熱鍛件難以脫模問(wèn)題。該裝置不僅對(duì)精鍛內(nèi)齒輪具有很好的效果，也可成功地用于其它無(wú)拔模斜度內(nèi)孔精鍛成形，具有重要的技術(shù)進(jìn)步意義和實(shí)用價(jià)值。
(2)強(qiáng)力脫模裝置迫使鍛件在鍛擊結(jié)束瞬間脫開(kāi)凸模芯，即凸模芯與鍛件的接觸時(shí)間極短，凸模芯溫升很小，避免了凸模芯熱疲勞早期失效，提高了凸模芯壽命。
(3)凸模由凸模芯和凸模套組合而成，既保證了凸模與凹模形成鍛件所需的型腔，又避免了凸模產(chǎn)生應(yīng)力集中。
(4)凸模芯可以多次翻新使用，極大地延長(zhǎng)了凸模芯的使用壽命。圖3中的墊片4是厚度依次相差0．5mm的一組墊片，不同厚度的墊片組合可實(shí)現(xiàn)相差0．5mm整數(shù)倍的墊模厚度。當(dāng)凸模芯的齒尖角磨損時(shí)，將凸模芯的下端面沿軸向車削掉0．5mm，并更換墊片，保證凸模芯與墊片高度之和不變，這樣該凸模芯即可重新使用。例如，該組墊片共有9片，厚度分別為4，4．5，5，…，7．5，8mm，不同墊片組合，可實(shí)現(xiàn)由4～54mm(該組墊片總厚度)每間隔0．5mm的任意墊模厚度。若僅以此而論，該組墊片可使凸模芯翻新l00次，從而大大提高了凸模芯的壽命，降低了模具成本。
3 模具齒形設(shè)計(jì)
3．1 當(dāng)量線膨脹率計(jì)算
模具(凸模芯)齒形與冷鍛件之間的關(guān)系是模具齒形設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。決定此關(guān)系的因素是熱因素和彈性因素。熱因素包括熱鍛件出模后的冷收縮和模具在其工作溫度下的熱膨脹；彈性因素包括鍛件出模后的彈性恢復(fù)和模具在鍛造力作用下的彈性變形。正常情況下，彈性因素對(duì)尺寸的影響比熱因素影響小得多。
假定終鍛溫度下的熱鍛件(或工作溫度下的模具型腔)的溫度場(chǎng)是均勻的，則熱因素引起的鍛件(或模具型腔)膨脹是均勻膨脹或線性膨脹，簡(jiǎn)稱線膨脹。
定義：設(shè)l1和l2分別為室溫下的鍛件和模具型腔在某一方向的尺寸，且兩者關(guān)系為:
l2=(1十A)l1 (1)
則A稱為當(dāng)量線膨脹率。之所以用“當(dāng)量”一詞，是因?yàn)槭?1)中的A綜合了鍛件和模具兩者的線膨脹率，而非僅其中之一。
模具齒形設(shè)計(jì)還應(yīng)計(jì)入彈性因素影響，文獻(xiàn)[1]建立了計(jì)入熱因素和彈性因素影響的當(dāng)量線膨脹率計(jì)算公式：
A=β1T1－β2T2±|ε| (2)
式中 β1——鍛件的線膨脹系數(shù)，mm／℃
β2——模具材料的線膨脹系數(shù)，mm／℃
T1——鍛件終鍛溫度，℃
T2——模具型腔工作溫度，℃
ε——鍛件出模后的彈性恢復(fù)應(yīng)變與模具在
鍛造時(shí)的彈性應(yīng)變之和， 簡(jiǎn)稱當(dāng)量彈性應(yīng)變
鍛內(nèi)齒時(shí)|ε|前取“＋”號(hào)，鍛外齒時(shí)|ε|前取“－”號(hào)。對(duì)于鋼質(zhì)模具和鍛件，根據(jù)虎克定律和實(shí)驗(yàn)建立了計(jì)算|ε|的簡(jiǎn)便公式：
|ε|=0．004－3×10－6T1／℃ (3)
表1給出了不同溫度范圍鋼的線膨脹系數(shù)。
| 溫度范圍（℃） |
20～300 |
20～400 |
20～600 |
20～700 |
20～00 |
20～1100 |
| 線膨脹系數(shù)×106 |
12.4 |
13 |
13.6 |
14.4 |
16.6 |
18 |
3．2 鍛件齒形參數(shù)計(jì)算
室溫下齒輪鍛件齒形參數(shù)是設(shè)計(jì)模具齒形和檢測(cè)鍛件齒形尺寸的依據(jù)，需根據(jù)已知的成品齒輪參數(shù)和工藝要求確定。
圖4為直齒圓柱齒輪鍛件的一個(gè)輪齒，表明鍛件齒形與成品齒輪齒形的幾何關(guān)系。圖中粗實(shí)線為鍛件齒廓，雙點(diǎn)劃線為成品齒輪齒廓，兩者平行，已知后者為漸開(kāi)線，故前者也是漸開(kāi)線。Δ為內(nèi)齒熱鍛成形后冷卻過(guò)程中二次形成的氧化皮厚度，rb′、r′、rα′、rf′、α′、θ′分別為齒輪鍛件的基圓半徑、分度圓半徑、齒頂圓半徑、齒根圓半徑、分度圓壓力角、漸開(kāi)線AB段展角，rb、r、rα、rf、α、θ分別為成品齒輪的基圓半徑、分度圓半徑、齒頂圓半徑、齒根圓半徑、分度圓壓力角、漸開(kāi)線CD段展角。
圖4 鍛件齒形與成品齒形的幾何關(guān)系
精鍛內(nèi)齒時(shí)如果有二次氧化(決定于工藝條件)，應(yīng)根據(jù)氧化皮影響程度，使鍛件齒廓比成品齒輪齒廓多出氧化皮厚度余量，齒頂和齒根的二次氧化可忽略不計(jì)，即
rα′=rα, rf′=rf (4)
由圖4得 [1]
invα′=invα＋(Δ/rb)=invα＋(Δ/rcosα) (5)
r′=(cosα/cosα′)r (6)
算得invα′，便可由漸開(kāi)線函數(shù)表查得α′，或用下式迭代計(jì)算α′。
φ(k＋1)=arctan(φk＋invα′)
k=0,1,2,……
取φ(0)=α,當(dāng)|φ(k＋1)－φk|≤ε(一般取ε=0．001°～0．01°)時(shí)，停止迭代，取α′=φ(k＋1)。
設(shè)m′和m分別為鍛件和成品齒輪模數(shù)，Z為齒數(shù)，則
m′=2r′/Z=(cosα/cosα′)m (7)
設(shè)w′和w分別為鍛件和成品齒輪測(cè)k齒公法線長(zhǎng)度，則
w′=w＋2Δ (8)
雖然內(nèi)齒公法線長(zhǎng)度難以測(cè)量，但上式仍然有重要意義，通過(guò)該式可得模具齒形的公法線長(zhǎng)度公式(13)，而線切割模具齒形時(shí)需先切具有外齒的樣板，并測(cè)量樣板齒形的公法線長(zhǎng)度。
3．3 模具齒形參數(shù)計(jì)算
根據(jù)模具齒形與鍛件齒形角度參數(shù)對(duì)應(yīng)相等，無(wú)須計(jì)算，僅須計(jì)算長(zhǎng)度參數(shù)。設(shè)m″、r″、rα″、rf″、w″分別為模具齒形的模數(shù)、分度圓半徑、齒頂圓半徑、齒根圓半徑、測(cè)k齒公法線長(zhǎng)度，則由式(1)、(4)～(8)得熱鍛模齒形參數(shù)(注意rα″對(duì)應(yīng)rf′，rf″對(duì)應(yīng)rα′)：
rα″=(1＋A)rf′=(1＋A)rf (9)
rf″=(1＋A)rα′=(1＋A)rα (10)
m″=(1＋A)m′=(1＋A)m(cosα/cosα′) (11)
r″=(1＋A)r′=(1＋A)r(cosα/cosα′) (12)
w″=(1＋A)w′=(1＋A)(w＋2Δ) (13)
式中A由式(2)確定。
生產(chǎn)實(shí)踐表明，由于內(nèi)齒輪鍛件的內(nèi)齒是在精鍛時(shí)帶齒的凸模芯插入鍛坯內(nèi)部形成的，所以不管鍛坯是否氧化，鍛件內(nèi)齒的表面(齒面、齒頂、齒根)均無(wú)氧化皮。將熱鍛件齒端朝下扣在干沙或灰上，使鍛出的內(nèi)齒表面與空氣隔絕，以免二次氧化。待鍛件溫度降至750℃，將其裝入余熱正火爐或保溫桶內(nèi)，進(jìn)行余熱正火，而鋼在750℃以下已不再明顯氧化。
采取這種方法可有效防止或控制精鍛成形內(nèi)齒二次氧化，使氧化皮厚度小于0．03mm。在此情況下，氧化皮影響忽略不計(jì)，即在各式中取Δ=0，鍛件齒形與成品齒輪齒形相同。
根據(jù)上述齒形參數(shù)，即可用電火花線切割機(jī)床切割直齒圓柱齒輪精鍛模具齒形。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文的模具結(jié)構(gòu)和模具齒形設(shè)計(jì)方法是經(jīng)過(guò)理論分析實(shí)驗(yàn)獲得，并已應(yīng)用于內(nèi)齒輪生產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，內(nèi)齒輪熱精鍛工藝與原電解工藝相比，生產(chǎn)效率提高16倍，材料利用率提高12％，內(nèi)齒精度(齒形誤差、齒向誤差、周節(jié)累積誤差、周節(jié)極限偏差)提高2～3級(jí)，齒輪壽命提高3倍以上;節(jié)電，無(wú)環(huán)境污染。到目前為止，已應(yīng)用精鍛新工藝生產(chǎn)內(nèi)齒輪20多萬(wàn)件，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
本文提出的精鍛內(nèi)齒輪強(qiáng)力脫模裝置，不僅應(yīng)用于內(nèi)齒輪精鍛，也可成功地用于其它無(wú)拔模斜度內(nèi)孔精鍛成形。
