自调式镦压挤胀复合液压机的研制

　　齿轮是机械传动中的主要关键零件, 其中直齿轮应用最广, 采用铣削、插削和刨削加工, 不但金属的利用率低, 而且切断了锻坯的金属纤维, 降低了齿轮的机械性能. 采用铸造成形, 由于铸态的机械性能较低, 使齿轮的应用受到局限. 因此国内外对齿轮的塑性精密成形一直非常关注, 直齿锥齿轮的塑性精成形已实用化, 而且效果较好, 至于圆柱斜齿轮目前塑性精成形尚存在较大困难. 对于直径小、模数小的直齿圆柱齿轮目前已可采用挤压或镦锻工艺精成形.然而对于直径大、模数大的直齿圆柱齿轮尚不能塑性精成形.

　　新工艺的实现要求新设备的支撑, 新设备的问世又促进了新工艺的发展, 这是机械制造历史发展的主要途径. 本文主要介绍自调式镦压与挤胀复合液压机(以下简称复合液压机)的研制. 首先分析直齿圆柱齿轮塑性精成形的力学原理和复合液压机的设计原理, 进而叙述整机结构、重要部件设计和整机工作过程.

　　1 复合液压机的力学原理

　　传统直齿圆柱齿轮镦压成形的力学原理如图 1(a)所示. 将圆柱坯料置于凹模型腔中后, 镦压凸模下移向坯料加压, 使其在凹模型腔中成形. 由于成形压力F 与坯料在凹模齿形型腔中的流动方向正交, 成形压力F在齿形流动方向的理论分力为零. 因此只能按照塑性变形体积不变条件, 当坯料高度受压减小时强制金属充填凹模齿形型腔, 这便很难使金属充满凹模齿形型腔[1], 同时易在齿根产生微裂纹[2]. 而且所需的镦压成形压力很大, 模具的使用寿命很低. 对于直径大、模数大的直齿圆柱齿轮更是如此, 这是直齿圆柱齿轮塑性精密成形的主要难题.

　　本文提出的直齿圆柱齿轮塑性精成形的力学原理如图1(b)所示, 在圆柱坯料置于凹模的型腔中后,压机的上镦压凸模下移, 当镦压力达到设定值 F1后,上挤胀凸模开始下移并压入坯料中心, 将金属沿 S 方向向四周挤胀, 与此同时下挤胀凸模上移, 致使金属流动方向与齿形充填方向一致, 直至成形结束. 按照这一原理, 在理论上不仅可使坯料充满凹模齿形型腔, 而且挤胀力一直持续到成形结束, 故可避免齿根微裂纹的产生, 并能显著地降低成形力, 改善模具的受力状态, 延长其使用寿命.

　　2 复合液压机的设计原理与整机结构

　　2.1 设计原理

　　根据上述力学原理, 所设计的“上下均为双动的可调式液压机”, 已获中国发明专利[3]. 其设计原理参照图 2, 主要结构为四柱六梁式, 上横梁 1、工作台4 及下横梁 7 分别与立柱 8 固定连接, 上活动横梁 2、上镦压横梁3及下活动横梁5分别与立柱8滑动配合,可沿立柱导向面上下移动. 上镦压凸模 13 与下镦压凸模 9 分别装在上镦压横梁 3 和下活动横梁 5 上, 上挤胀凸模 14 装在上活动横梁 2 上, 下挤胀凸模 10 装在下横梁 7 中的顶出缸活塞上并由活塞直接驱动, 凹模 11 装在工作台 4 的台面上. 坯料 12 放置在下镦压凸模 9 与凹模 11 组成的型腔内.