引言
錐齒輪精鍛工藝是指模鍛齒輪時輪齒直接被鍛出，齒面不再進行切削加工的精密模鍛工藝。錐齒輪廣泛應用于汽車、拖拉機、摩托車、坦克等的差速器中，應用面廣，需求量大。用傳統(tǒng)機械切削方式生產(chǎn)錐齒輪，速度慢、效率低、精度差。錐齒輪的熱精鍛成形技術已基本成熟，但在冷鍛閉式成形技術方面，還有待進一步地改進和提高，采用冷精鍛方法成形零件，可節(jié)約原材料，提高零件的力學性能，并能獲得理想尺寸精度和表面粗糙度的制件，是一種高產(chǎn)、優(yōu)質、低消耗的工藝技術，其經(jīng)濟效益十分可觀?。但也存在變形抗力大，對模具和設備要求較高等問題。因此對錐齒輪冷精鍛工藝及模具進行設計和分析十分必要的。
三維CAD系統(tǒng)有較好的造型工具，能實現(xiàn)"自頂向底"和"自底向頂"等設計方法，實現(xiàn)裝配等復雜設計過程，使設計更加符合實際設計過程;三維造型系統(tǒng)能方便地與CAE系統(tǒng)相連，進行仿真分析;能提供數(shù)控加工所需的信息，實現(xiàn)CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。基于三維CAD系統(tǒng)這些優(yōu)點，本文利用SolidWorks三維設計軟件來完成錐齒輪及其模具的設計。
l 錐齒輪精鍛成形工藝
冷精鍛是隨著汽車工業(yè)而迅速發(fā)展起來的一種凈成形工藝。精鍛錐齒輪有連續(xù)的沿齒廓合理分布的金屬流線和致密的組織，輪齒的強度、齒面的耐磨能力、熱處理變形量和嚙合噪聲等都比切削齒輪的加工優(yōu)越。齒輪材料為中高強度合金鋼20Cr，其供應狀態(tài)強度高、變形抗力大、塑性較差，存在加工硬化現(xiàn)象，難以進行大變形量的冷模鍛成形。但若對毛坯進行充分軟化退火處理，就可降低變形抗力和提高材料塑性指標。精鍛錐齒輪的強度和抗彎疲勞壽命提高，熱處理變形減少，生產(chǎn)成本降低。綜上分析，決定采用冷鍛成形工藝。其工藝過程為：下料一退火葉冷鍛一精加工一檢驗一入庫。冷鍛成形前，要對坯料進行軟化處理，在各道工序之間要進行退火處理，在冷鍛前進行磷化處理。
2 模具設計
2.1 鍛件
根據(jù)錐齒輪零件圖及冷模鍛工藝的基本要求，設計了齒輪鍛件。分模面的位置選擇在零件最大的外徑處。在保證有效齒長的前提下，錐齒輪的大端留有冷鍛成形工藝自然形成的過度圓角，如圖1所示。
精鍛錐齒輪的模具型腔都是曲面造型，形狀比較復雜，為快速準確獲得高質量的曲面形狀，選用三維造型軟件SolidWorks來完成模具和坯料的幾何模型設計。由于錐齒輪的理論齒廓曲線為球面漸開線，不能展開成平面，給錐齒輪的三維造型帶來極大困難。本文從背錐理論出發(fā)，結合漸開線方程和繪圖軟件中的造型命令，最大限度地實現(xiàn)了錐齒輪的真實三維造型，圖2所示為錐齒輪零件的三維造型。圖3所示為利用SolidWorks軟件中的分型面、分型線等命令設計的錐齒輪成形模具，同時為錐齒輪工藝的數(shù)值模擬分析作準備。
2.2 模具結構設計
錐齒輪精鍛模具的工作條件極其惡劣，因而對模具精度、強度、剛度以及壽命提出了更高的要求。模具的裝配圖如圖4所示，其工作過程如下。用于普通液壓機上對工件進行閉式模鍛成形。工作時將毛坯放入
下凹模13空腔內，待毛坯放置好后，上模3下行;當上模3開始接觸毛坯時，縮擠形成開始;隨著上模3的繼續(xù)下壓，應力圈10由于受到壓力作用，擠壓下部的彈簧并隨之下移，坯料進入封閉狀態(tài)的模腔內，縮擠完成，開始鐓擠成形階段;上模3繼續(xù)下移，至達到規(guī)定行程為止。上模回程后，下凹模13和應力圈10在彈簧8的作用下恢復初始狀態(tài)。成形后的錐齒輪鍛件在上頂桿19的作用下脫模，取走鍛件，至此錐齒輪精鍛成形過程完成。
齒形凹模是錐齒輪精鍛成形最關鍵的零件，它的精度決定錐齒輪鍛件的精度。齒形凹模的強度和壽命不僅要從所用材料上來考慮，更要從凹模的結構設計上來保證。為了提高齒形凹模的強度，采用組合式結構。采用浮動的上模芯和浮動的下組合模套結構，使鍛件在封閉的環(huán)形模腔中變形，鍛件無飛邊，徑向尺寸精度高。由于鍛件無飛邊，水平投影面積(鍛造面積)小，所需的鍛造力小，降低了壓力機噸位。由于采用浮動模結構，浮動模形成的凹腔較深，確保上下模導向準確。此模具利用彈簧實現(xiàn)壓邊，實現(xiàn)閉式模鍛。
3 精鍛模具3D模型
SolidWorks是一款功能強大的CAD軟件。在完成產(chǎn)品三維造型的基礎上，還能實現(xiàn)模型的動態(tài)可視化，對模具的裝配過程、拆卸過程和運行過程進行模擬。錐齒輪精鍛模具的三維造型如圖5所示，通過對錐齒輪模具進行了干涉檢查和運動仿真，及早發(fā)現(xiàn)了設計過程中出現(xiàn)的問題，并對相關零件進行了改進。最后生成了裝配體和零件的二維工程圖紙。
4 結束語
采用精鍛工藝生產(chǎn)齒輪，既可減少原材料和能源消耗，降低制造成本，又可改善齒輪的機械性能。根據(jù)錐齒輪精鍛成形工藝，設計了鍛件的合理形狀。利用SolidWorks三維設計軟件完成了錐齒輪工件及精鍛模具的三維實體建模，通過對模具運動過程的模擬，能夠及早發(fā)現(xiàn)設計問題，有利于快速發(fā)現(xiàn)問題改進結構設計，從而實現(xiàn)精鍛模的快速設計，為精鍛工藝的數(shù)值模擬等研究工作奠定基礎。