齒輪是傳遞運動和動力的重要元件，廣泛應用于機械設備、交通運輸、冶金和航空航天等領域，其質量主要取決于齒輪坯的質量。齒輪坯的生產過程多采用模鍛制造預成形（或預鍛）→終鍛成形工序，預成形鍛件形狀與終鍛成形鍛件形狀接近。現代制造工藝特點與發展態勢決定了各行業對齒輪坯鍛件工藝技術與經濟效益水平的要求越來越高，模鍛制造齒輪坯時除了要保證鍛件成形質量，還要減少生產工序，提高制造效率，降低產品成本。本文以本廠內某一齒輪坯鍛件（圖1）為研究對象，從減少模鍛工序角度出發研究了圓餅形坯料一步模鍛成形齒輪坯鍛件工藝方案，通過數值模擬分析了坯料高徑比對成形鍛件質量和成形載荷的影響，并在此基礎上獲得了可行的坯料尺寸，此方案通過了生產試驗驗證，效果良好。

圖1 齒輪坯鍛件圖
工藝分析

根據齒輪坯鍛件的結構，擬采用開式模鍛成形，坯料采用圓餅狀鋼坯，鍛件分模面選擇在輪緣高度的中心位置處。齒輪坯上、下部分輪轂尺寸不同，上部直徑較小且高度較高，模鍛過程中金屬填充較困難，因而將其設計在上模內成形，連皮厚度為8.5mm，其成形方案的示意圖如圖2所示。

圖2 模鍛成形方案示意圖
成形工藝數值模擬

坯料尺寸參數是影響金屬在模內流動規律、鍛件成形質量和成形載荷的主要因素。對于圓餅形坯料，尺寸參數不同體現在高徑比不同上，本文按照圓餅狀坯料一步模鍛工藝方案予以建模，對表1所示三種不同高徑比的坯料模鍛成形進行了模擬研究，其他模擬條件均相同。設定下模固定不動，坯料放置在下模上，上模向下運動直至合模，坯料在壓力作用下逐漸充填型腔完成模鍛成形過程。
表1 坯料尺寸參數

坯料高徑比不同，將引起鍛件成形質量和成形載荷的變化，因而本文著重從這兩個方面分析了上述因素作用下的模擬結果。
⑴鍛件成形質量對比。
坯料1的高徑比較大，從其成形模擬結果中的金屬流動情況（圖3(a）～(b））可以看出：成形初始階段，坯料軸向首先產生了比較大的壓縮變形，類似局部鐓粗，坯料直徑逐漸增大，金屬向外側流動，外邊緣產生鼓形；上模具繼續向下運動，輪轂部分逐漸充滿，外緣金屬與輪緣部分模具型腔接觸后，由于坯料外緣金屬鼓形逐漸增大，在此處模腔內角部分發生了折疊，如圖3(a）所示。

圖3 坯料1模鍛成形過程
坯料3的高徑比較小，從其成形模擬結果中的金屬流動情況（圖4(a）～(b））可以看出，坯料在模具作用下產生壓縮變形，金屬材料沿徑向流動，邊緣金屬快速流動到飛邊槽內，金屬材料過多流出模具型腔，造成輪緣部分填充不足，形成缺陷。

圖4 坯料3模鍛成形過程
從對坯料2的模鍛成形模擬結果（圖5（a）～（b））可以看出，金屬流動過程中沒有出現因軸向壓縮量大，外邊緣鼓形變形大引起的折疊。同時也沒有出現金屬材料過早流入飛邊槽，部分型腔充填不足的情況，坯料2成形的鍛件能夠很好的充滿上、下模之間，符合設計要求。

圖5 坯料2模鍛成形過程
坯料高徑比影響模鍛成形過程中金屬在模具型腔內的流動情況，并最終決定能否獲得滿足尺寸和表面質量要求的鍛件，想要實現一步模鍛成形齒輪坯，合理的坯料高徑比是前提條件，通過多次模擬不同高徑比的坯料的模鍛成形過程，得出坯料高徑比在0.32～0.45范圍內可以獲得充型良好、無折疊的鍛件。
⑵成形載荷對比。
模鍛過程中的成形載荷量是工藝設計中的一個重要指標，較高的成形載荷易導致鍛模塑性變形及斷裂，顯著影響模具壽命。三種坯料模鍛成形過程的成形載荷—時間曲線如圖6所示，在變形過程中載荷量的變化規律是相同的，根據成形載荷曲線可以分成兩個階段：成形初始階段坯料在模具作用下首先進行類似局部鐓粗的變形，坯料外緣面是自由面，因而此階段成形載荷量較小，曲線斜率也較小；坯料外緣面與模具型腔接觸后直至最終模具合模，成形載荷量急劇增大直至模鍛行程結束達到最大值。

圖6 成形載荷—時間曲線
從三種高徑比的坯料模鍛成形過程的成形載荷對比可以看出，高徑比越大成形過程中坯料的變形程度越大，成形載荷最大值越大，所以在合理的坯料尺寸范圍內，可選擇較小的坯料高徑比以減小成形載荷。
生產試驗

根據上述數值模擬優化，最終選擇坯料尺寸為φ150mm×54mm，在此基礎上制定了齒輪坯一步成形模鍛工藝方案，并進行了生產試驗，最終模鍛成形的齒輪坯鍛件如圖7所示。鍛件尺寸符合設計要求，表面質量較好，驗證了此坯料尺寸下一步模鍛成形方案的合理性。

圖7 齒輪坯鍛件
結論

為了減少模鍛工序，對某齒輪坯鍛件的一步模鍛成形方案進行了數值模擬，分析了坯料高徑比對鍛件成形質量和成形載荷的影響規律并得到了可行的坯料尺寸，研究內容得到了實際生產試驗驗證，效果良好。
⑴通過模擬分析坯料尺寸（高徑比）對一步模鍛成形的齒輪坯尺寸和表面質量的影響規律，獲得了合理坯料的高徑比范圍。
⑵高徑比越大，成形過程中坯料的變形程度越大，成形載荷量越大，可以在⑴獲得的坯料尺寸范圍內，選擇較小的坯料高徑比以減小成形載荷。
⑶對本文提出的坯料尺寸參數下的一步模鍛過程進行生產試驗，成形效果良好。

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