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引言
锥齿轮精锻工艺是指模锻齿轮时轮齿直接被锻出，齿面不再进行切削加工的精密模锻工艺。锥齿轮广泛应用于汽车、拖拉机、摩托车、坦克等的差速器中，应用面广，需求量大。用传统机械切削方式生产锥齿轮，速度慢、效率低、精度差。锥齿轮的热精锻成形技术已基本成熟，但在冷锻闭式成形技术方面，还有待进一步地改进和提高，采用冷精锻方法成形零件，可节约原材料，提高零件的力学性能，并能获得理想尺寸精度和表面粗糙度的制件，是一种高产、优质、低消耗的工艺技术，其经济效益十分可观?。但也存在变形抗力大，对模具和设备要求较高等问题。因此对锥齿轮冷精锻工艺及模具进行设计和分析十分必要的。
三维CAD系统有较好的造型工具，能实现"自顶向底"和"自底向顶"等设计方法，实现装配等复杂设计过程，使设计更加符合实际设计过程；三维造型系统能方便地与CAE系统相连，进行仿真分析；能提供数控加工所需的信息，实现CAD／CAE／CAPP／CAM的集成。基于三维CAD系统这些优点，本文利用SolidWorks三维设计软件来完成锥齿轮及其模具的设计。
l 锥齿轮精锻成形工艺
冷精锻是随着汽车工业而迅速发展起来的一种净成形工艺。精锻锥齿轮有连续的沿齿廓合理分布的金属流线和致密的组织，轮齿的强度、齿面的耐磨能力、热处理变形量和啮合噪声等都比切削齿轮的加工优越。齿轮材料为中高强度合金钢20Cr，其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差，存在加工硬化现象，难以进行大变形量的冷模锻成形。但若对毛坯进行充分软化退火处理，就可降低变形抗力和提高材料塑性指标。精锻锥齿轮的强度和抗弯疲劳寿命提高，热处理变形减少，生产成本降低。综上分析，决定采用冷锻成形工艺。其工艺过程为：下料一退火叶冷锻一精加工一检验一入库。冷锻成形前，要对坯料进行软化处理，在各道工序之间要进行退火处理，在冷锻前进行磷化处理。
2 模具设计
2．1 锻件
根据锥齿轮零件图及冷模锻工艺的基本要求，设计了齿轮锻件。分模面的位置选择在零件最大的外径处。在保证有效齿长的前提下，锥齿轮的大端留有冷锻成形工艺自然形成的过度圆角，如图1所示。
精锻锥齿轮的模具型腔都是曲面造型，形状比较复杂，为快速准确获得高质量的曲面形状，选用三维造型软件SolidWorks来完成模具和坯料的几何模型设计。由于锥齿轮的理论齿廓曲线为球面渐开线，不能展开成平面，给锥齿轮的三维造型带来极大困难。本文从背锥理论出发，结合渐开线方程和绘图软件中的造型命令，最大限度地实现了锥齿轮的真实三维造型，图2所示为锥齿轮零件的三维造型。图3所示为利用SolidWorks软件中的分型面、分型线等命令设计的锥齿轮成形模具，同时为锥齿轮工艺的数值模拟分析作准备。
2．2 模具结构设计
锥齿轮精锻模具的工作条件极其恶劣，因而对模具精度、强度、刚度以及寿命提出了更高的要求。模具的装配图如图4所示，其工作过程如下。用于普通液压机上对工件进行闭式模锻成形。工作时将毛坯放入
下凹模13空腔内，待毛坯放置好后，上模3下行；当上模3开始接触毛坯时，缩挤形成开始；随着上模3的继续下压，应力圈10由于受到压力作用，挤压下部的弹簧并随之下移，坯料进入封闭状态的模腔内，缩挤完成，开始镦挤成形阶段；上模3继续下移，至达到规定行程为止。上模回程后，下凹模13和应力圈10在弹簧 8的作用下恢复初始状态。成形后的锥齿轮锻件在上顶杆19的作用下脱模，取走锻件，至此锥齿轮精锻成形过程完成。
齿形凹模是锥齿轮精锻成形最关键的零件，它的精度决定锥齿轮锻件的精度。齿形凹模的强度和寿命不仅要从所用材料上来考虑，更要从凹模的结构设计上来保证。为了提高齿形凹模的强度，采用组合式结构。采用浮动的上模芯和浮动的下组合模套结构，使锻件在封闭的环形模腔中变形，锻件无飞边，径向尺寸精度高。由于锻件无飞边，水平投影面积(锻造面积)小，所需的锻造力小，降低了压力机吨位。由于采用浮动模结构，浮动模形成的凹腔较深，确保上下模导向准确。此模具利用弹簧实现压边，实现闭式模锻。
3 精锻模具3D模型
SolidWorks是一款功能强大的CAD软件。在完成产品三维造型的基础上，还能实现模型的动态可视化，对模具的装配过程、拆卸过程和运行过程进行模拟。锥齿轮精锻模具的三维造型如图5所示，通过对锥齿轮模具进行了干涉检查和运动仿真，及早发现了设计过程中出现的问题，并对相关零件进行了改进。最后生成了装配体和零件的二维工程图纸。
4 结束语
采用精锻工艺生产齿轮，既可减少原材料和能源消耗，降低制造成本，又可改善齿轮的机械性能。根据锥齿轮精锻成形工艺，设计了锻件的合理形状。利用 SolidWorks三维设计软件完成了锥齿轮工件及精锻模具的三维实体建模，通过对模具运动过程的模拟，能够及早发现设计问题，有利于快速发现问题改进结构设计，从而实现精锻模的快速设计，为精锻工艺的数值模拟等研究工作奠定基础。(end)
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