l 引 言
汽車、拖拉機變速箱中的內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是某農用汽車內齒輪簡圖，內齒和外齒的模數(shù)都是2．5。這類內齒輪與一般內齒輪的顯著差別是內齒一端與幅板相連，無法切削加工，國內大多數(shù)廠家采用電解工藝加工內齒齒形，生產效率低，耗電嚴重，材料利用率低，電解廢液污染環(huán)境。同時電解成形的內齒在精度、強度和壽命方面存在3個明顯的缺點：①電解的齒形沿齒向有外大里小的錐度，即呈喇叭口形，這樣與配對齒輪結合時有軸向力存在，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，錐度越來越大，軸向力就越來越大，當達到某一錐度時，齒輪則自行脫檔而報廢；②電解加工精度較差，尺寸誤差難以控制，為保證齒輪能用，只好使內齒尺寸(相當于孔)大些，即接近或達到其公差上限，致使內齒輪很快因內齒尺寸超差而報廢，齒輪壽命很短，甚至有的電解齒輪未使用時就已超差；③內齒齒間金屬纖維被電解加工切斷，使內齒強度降低。
國內也有的齒輪廠因無電解機床，而采用鉆、車、擠和手工鏟除金屬等多道工序加工內齒。即先鉆與齒同樣多的盲孔，再車削掉半個孔，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，把多余金屬從幅板上鏟掉。這種方法十分笨拙落后，工序環(huán)節(jié)多，鋼材浪費嚴重，生產效率比電解加工還低得多。
圖1 汽車內齒輪筒圖
事實上這類齒輪是要求塑性成形的，但因其結構形狀及材質(20CrMnTi鋼)所致，冷鍛無法成形，溫鍛成形也極其困難，只能考慮內齒輪熱鍛成形。90年代初，我國某部屬研究所曾試圖開發(fā)內齒輪熱精鍛工藝，由于未能解決鍛件脫模問題而未成功。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的凸模無拔模斜度，如果鍛造結束的瞬間不能立即脫模，凸模與鍛件之間則產生迅速增大的過盈量，導致鍛件抱死凸模而難以脫開，這是內齒輪熱精鍛的關鍵問題。從我國現(xiàn)有設備和技術條件出發(fā)，研究開發(fā)了帶有強力脫模裝置的內齒輪熱精鍛模具，徹底解決了鍛件脫模問題，并將該技術應用于內齒輪生產。
2 內齒輪熱精鍛模具結構及脫模力
2．1 模具結構及工作過程
圖2是圖1所示內齒輪的鍛件圖。鍛件的齒面、齒頂、齒根處所標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自然形成的，而非模具型腔所致，其尺寸無精確要求，只要其直徑小于零件內孔即可。
圖2 內齒輪鍛件圖
如前所述，內齒輪精鍛成形時，鍛件降溫收縮，凸模升溫膨脹，且無撥模斜度，鍛擊結束的瞬間須立即脫模，否則導致鍛件抱死凸模而難以脫開。為解決脫模困難問題，研制了熱精鍛內齒輪新型模具，其結構如圖3所示。該模具的核心技術是強力脫模裝置，它主要由凸模芯7、凸模套5、彈性元件1構成。強力脫模裝置與上墊板2、限位環(huán)6和墊片4等零件構成上模，凹模8、下模塊9和下墊板11等零件構成下模。帶外齒的凸模芯7由螺釘3固定于上墊板2，帶內齒的凸模套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，并通過限位環(huán)6限位。坯料未接觸上模時，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，凸模套5在坯料變形抗力的作用下相對于凸模芯7后退，彈性元件l被壓縮，凸模芯7凸出于凸模套5，鍛出內齒；凸模套5退至其上極限位置時，其上端作用于上墊板2，其下端將齒輪鍛件上端面壓平。鍛擊結束時，凸模芯隨上模抬起的瞬間，彈性元件張力通過凸模套強迫鍛件與凸模芯脫開，隨即壓力機頂料系統(tǒng)(圖中未示出)通過頂桿10頂出鍛件。
圖3 內齒輪熱精鍛模具結構
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
用理論計算和實驗相結合的方法確定最大脫模力(脫模初始時刻的彈簧張力)，以此為依據(jù)設計碟形彈簧。一般的汽車內齒輪(內齒的齒根圓直徑小于80mm，內齒齒寬小于12mm)最大脫模力為150kN。
2．3 新型模具特點
該模具有以下特點：
(1)采用強力脫模裝置，使鍛件在鍛造結束的瞬間立即脫模，徹底解決了內齒輪熱鍛件難以脫模問題。該裝置不僅對精鍛內齒輪具有很好的效果，也可成功地用于其它無拔模斜度內孔精鍛成形，具有重要的技術進步意義和實用價值。
(2)強力脫模裝置迫使鍛件在鍛擊結束瞬間脫開凸模芯，即凸模芯與鍛件的接觸時間極短，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，又避免了凸模產生應力集中。
(4)凸模芯可以多次翻新使用，極大地延長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現(xiàn)相差0．5mm整數(shù)倍的墊模厚度。當凸模芯的齒尖角磨損時，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 模具齒形設計
3．1 當量線膨脹率計算
模具(凸模芯)齒形與冷鍛件之間的關系是模具齒形設計的基本依據(jù)。決定此關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，簡稱線膨脹。
定義：設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，且兩者關系為:
l2=(1十A)l1 (1)
則A稱為當量線膨脹率。之所以用“當量”一詞，是因為式(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。
模具齒形設計還應計入彈性因素影響，文獻[1]建立了計入熱因素和彈性因素影響的當量線膨脹率計算公式：
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應變與模具在
鍛造時的彈性應變之和， 簡稱當量彈性應變
鍛內齒時|ε|前取“＋”號，鍛外齒時|ε|前取“－”號。對于鋼質模具和鍛件，根據(jù)虎克定律和實驗建立了計算|ε|的簡便公式：
|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)計算
室溫下齒輪鍛件齒形參數(shù)是設計模具齒形和檢測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輪齒，表明鍛件齒形與成品齒輪齒形的幾何關系。圖中粗實線為鍛件齒廓，雙點劃線為成品齒輪齒廓，兩者平行，已知后者為漸開線，故前者也是漸開線。Δ為內齒熱鍛成形后冷卻過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、漸開線CD段展角。
圖4 鍛件齒形與成品齒形的幾何關系
精鍛內齒時如果有二次氧化(決定于工藝條件)，應根據(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，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′，便可由漸開線函數(shù)表查得α′，或用下式迭代計算α′。
φ(k＋1)=arctan(φk＋invα′)
k=0,1,2,……
取φ(0)=α,當|φ(k＋1)－φk|≤ε(一般取ε=0．001°～0．01°)時，停止迭代，取α′=φ(k＋1)。
設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w′和w分別為鍛件和成品齒輪測k齒公法線長度，則
w′=w＋2Δ (8)
雖然內齒公法線長度難以測量，但上式仍然有重要意義，通過該式可得模具齒形的公法線長度公式(13)，而線切割模具齒形時需先切具有外齒的樣板，并測量樣板齒形的公法線長度。
3．3 模具齒形參數(shù)計算
根據(jù)模具齒形與鍛件齒形角度參數(shù)對應相等，無須計算，僅須計算長度參數(shù)。設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k齒公法線長度，則由式(1)、(4)～(8)得熱鍛模齒形參數(shù)(注意rα″對應rf′，rf″對應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。
生產實踐表明，由于內齒輪鍛件的內齒是在精鍛時帶齒的凸模芯插入鍛坯內部形成的，所以不管鍛坯是否氧化，鍛件內齒的表面(齒面、齒頂、齒根)均無氧化皮。將熱鍛件齒端朝下扣在干沙或灰上，使鍛出的內齒表面與空氣隔絕，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，進行余熱正火，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，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床切割直齒圓柱齒輪精鍛模具齒形。
4 結束語
本文的模具結構和模具齒形設計方法是經過理論分析實驗獲得，并已應用于內齒輪生產。生產實踐表明，內齒輪熱精鍛工藝與原電解工藝相比，生產效率提高16倍，材料利用率提高12％，內齒精度(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，齒輪壽命提高3倍以上;節(jié)電，無環(huán)境污染。到目前為止，已應用精鍛新工藝生產內齒輪20多萬件，取得了顯著的經濟效益和社會效益。
本文提出的精鍛內齒輪強力脫模裝置，不僅應用于內齒輪精鍛，也可成功地用于其它無拔模斜度內孔精鍛成形。
