齿轮是传递运动和动力的重要元件，广泛应用于机械设备、交通运输、冶金和航空航天等领域，其质量主要取决于齿轮坯的质量。齿轮坯的生产过程多采用模锻制造预成形（或预锻）→终锻成形工序，预成形锻件形状与终锻成形锻件形状接近。现代制造工艺特点与发展态势决定了各行业对齿轮坯锻件工艺技术与经济效益水平的要求越来越高，模锻制造齿轮坯时除了要保证锻件成形质量，还要减少生产工序，提高制造效率，降低产品成本。本文以本厂内某一齿轮坯锻件（图1）为研究对象，从减少模锻工序角度出发研究了圆饼形坯料一步模锻成形齿轮坯锻件工艺方案，通过数值模拟分析了坯料高径比对成形锻件质量和成形载荷的影响，并在此基础上获得了可行的坯料尺寸，此方案通过了生产试验验证，效果良好。

图1 齿轮坯锻件图
工艺分析

根据齿轮坯锻件的结构，拟采用开式模锻成形，坯料采用圆饼状钢坯，锻件分模面选择在轮缘高度的中心位置处。齿轮坯上、下部分轮毂尺寸不同，上部直径较小且高度较高，模锻过程中金属填充较困难，因而将其设计在上模内成形，连皮厚度为8.5mm，其成形方案的示意图如图2所示。

图2 模锻成形方案示意图
成形工艺数值模拟

坯料尺寸参数是影响金属在模内流动规律、锻件成形质量和成形载荷的主要因素。对于圆饼形坯料，尺寸参数不同体现在高径比不同上，本文按照圆饼状坯料一步模锻工艺方案予以建模，对表1所示三种不同高径比的坯料模锻成形进行了模拟研究，其他模拟条件均相同。设定下模固定不动，坯料放置在下模上，上模向下运动直至合模，坯料在压力作用下逐渐充填型腔完成模锻成形过程。
表1 坯料尺寸参数

坯料高径比不同，将引起锻件成形质量和成形载荷的变化，因而本文着重从这两个方面分析了上述因素作用下的模拟结果。
⑴锻件成形质量对比。
坯料1的高径比较大，从其成形模拟结果中的金属流动情况（图3(a）～(b））可以看出：成形初始阶段，坯料轴向首先产生了比较大的压缩变形，类似局部镦粗，坯料直径逐渐增大，金属向外侧流动，外边缘产生鼓形；上模具继续向下运动，轮毂部分逐渐充满，外缘金属与轮缘部分模具型腔接触后，由于坯料外缘金属鼓形逐渐增大，在此处模腔内角部分发生了折叠，如图3(a）所示。

图3 坯料1模锻成形过程
坯料3的高径比较小，从其成形模拟结果中的金属流动情况（图4(a）～(b））可以看出，坯料在模具作用下产生压缩变形，金属材料沿径向流动，边缘金属快速流动到飞边槽内，金属材料过多流出模具型腔，造成轮缘部分填充不足，形成缺陷。

图4 坯料3模锻成形过程
从对坯料2的模锻成形模拟结果（图5（a）～（b））可以看出，金属流动过程中没有出现因轴向压缩量大，外边缘鼓形变形大引起的折叠。同时也没有出现金属材料过早流入飞边槽，部分型腔充填不足的情况，坯料2成形的锻件能够很好的充满上、下模之间，符合设计要求。

图5 坯料2模锻成形过程
坯料高径比影响模锻成形过程中金属在模具型腔内的流动情况，并最终决定能否获得满足尺寸和表面质量要求的锻件，想要实现一步模锻成形齿轮坯，合理的坯料高径比是前提条件，通过多次模拟不同高径比的坯料的模锻成形过程，得出坯料高径比在0.32～0.45范围内可以获得充型良好、无折叠的锻件。
⑵成形载荷对比。
模锻过程中的成形载荷量是工艺设计中的一个重要指标，较高的成形载荷易导致锻模塑性变形及断裂，显著影响模具寿命。三种坯料模锻成形过程的成形载荷—时间曲线如图6所示，在变形过程中载荷量的变化规律是相同的，根据成形载荷曲线可以分成两个阶段：成形初始阶段坯料在模具作用下首先进行类似局部镦粗的变形，坯料外缘面是自由面，因而此阶段成形载荷量较小，曲线斜率也较小；坯料外缘面与模具型腔接触后直至最终模具合模，成形载荷量急剧增大直至模锻行程结束达到最大值。

图6 成形载荷—时间曲线
从三种高径比的坯料模锻成形过程的成形载荷对比可以看出，高径比越大成形过程中坯料的变形程度越大，成形载荷最大值越大，所以在合理的坯料尺寸范围内，可选择较小的坯料高径比以减小成形载荷。
生产试验

根据上述数值模拟优化，最终选择坯料尺寸为φ150mm×54mm，在此基础上制定了齿轮坯一步成形模锻工艺方案，并进行了生产试验，最终模锻成形的齿轮坯锻件如图7所示。锻件尺寸符合设计要求，表面质量较好，验证了此坯料尺寸下一步模锻成形方案的合理性。

图7 齿轮坯锻件
结论

为了减少模锻工序，对某齿轮坯锻件的一步模锻成形方案进行了数值模拟，分析了坯料高径比对锻件成形质量和成形载荷的影响规律并得到了可行的坯料尺寸，研究内容得到了实际生产试验验证，效果良好。
⑴通过模拟分析坯料尺寸（高径比）对一步模锻成形的齿轮坯尺寸和表面质量的影响规律，获得了合理坯料的高径比范围。
⑵高径比越大，成形过程中坯料的变形程度越大，成形载荷量越大，可以在⑴获得的坯料尺寸范围内，选择较小的坯料高径比以减小成形载荷。
⑶对本文提出的坯料尺寸参数下的一步模锻过程进行生产试验，成形效果良好。

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