异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法
【专利摘要】本发明公开了一种异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法，构建基于锻件和模具在热精锻过程中轮廓变形的数学模型，包括模具预热膨胀td、锻件冷缩tw、模具受力弹性膨胀ed及锻件出模后回弹ew。所建立的数学模型充分考虑热精锻过程中各种变形因素，能够很好的揭示影响热精锻精度的因素，且使用数学函数式计算模具型腔修正，计算方法简单快捷，方便工程应用；该修正方法准确度高，能有效提高热精锻成形精度，从而减小后续精加工余量，甚至满足直接使用的要求。
【专利说明】
异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法
技术领域
[0001] 本发明属于盘类零件精锻加工技术领域，具体涉及一种异型盘类零件热精锻成形 模具型腔修正方法。
【背景技术】
[0002] 盘类零件在各种工业产品中广泛应用，如齿轮、法兰、车轮及皮带轮等，其设计与 制造水平直接影响到工业产品的品质，并关系到装备制造业的质量及国民经济的发展水 平。盘类零件由于其广泛需求，其加工有如下特点及要求:产品产量大，所以对生产成本和 材料利用率有严格要求，同时对制造精度和产品性能要求高，以保证零件有较高使用寿命。 目前盘类零件加工工艺一般首先热锻成形毛坯，然后经多步切削工艺完成，设备占用多、加 工时间长、生产效率低、生产成本高及材料利用率低，并且金属纤维在切削加工过程中被切 断，影响了产品质量性能。
[0003] 热精锻是利用金属高温时良好的塑性使锻件成形，即利用金属塑性变形的原理， 按照金属压力加工成形方法制造零件。用热精锻工艺加工零件具有生产效率高、材料利用 率高、成本低及节能环保等特点，能生产各种形状和尺寸的零件，并且锻件表面金属流线连 续且沿零件表面轮廓分布，零件强度高、寿命长，因此热精锻成形工艺是一种具有发展潜力 的零件工业生产手段。
[0004] 异型盘类零件形状复杂，并存在非对称等异型形状，在热成形过程中零件表面各 处变形量不均匀，导致成形精度低，而许多盘类零件对加工精度要求高，如齿轮传动对噪音 和传动平稳性要求高，因此对齿轮渐开线齿形精度要求苛刻。热精锻过程中，锻件和模具受 热、受力变形复杂，加工精度难以控制，现阶段热精锻精度一般在〇. 1mm至〇. 5mm。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种异型盘类零件热精锻成形模具 型腔修正方法，其准确度高，能有效提高热精锻成形精度，从而减小后续精加工余量。
[0006] 为实现上述目的，本发明所设计的异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法， 包括如下步骤：
[0007] 1)构建基于锻件和模具在热精锻过程中轮廓变形的数学模型，数学模型包括模具 预热膨胀t d、锻件冷缩^、模具受力弹性膨胀ed及锻件出模后回弹ew;并且设定模具型腔初 始尺寸为R、锻件最终尺寸为r，模具型腔初始尺寸R与锻件最终尺寸r之差即为模具型腔轮 廓尺寸与锻件表面轮廓尺寸差F，即F = ed+td+ew-tw;
[0008] 2)在模具型腔轮廓上和锻件表面轮廓上取任意点i，且任意点i到质心距离为n， 求得模具型腔轮廓上和锻件表面轮廓上任意点i的变形值，即模具型腔轮廓上任意点i的预 热膨胀径向变形值七<]=七(：1(：1^)、锻件表面轮廓上任意点;[的冷缩径向变形值"=1^(；1^)、模具 型腔轮廓上任意点i的受力弹性膨胀径向变形值edr = edr(ri)和周向变形值ede = ede(ri)，锻 件表面轮廓上任意点i的回弹膨胀径向变形值e"r = ewr(ri)和周向变形值ewe = ewe(ri);
[0009] 3)模具型腔轮廓上和锻件表面轮廓上任意点i变形值均为关于变量ri的表达式， 所以模具型腔轮廓尺寸与锻件表面轮廓尺寸差F为关于变量^的函数式，其中径向尺寸差Fr =七<](：1^)-七》(：1^)+6办（：1^)+61^(：1^)=；1^(：1^)、周向尺寸差卩0 = 6(^(；1^)+6?0(；1^)=1^(；1^);
[0010] 4)设模具型腔原轮廓线的参数方程在圆柱坐标系下表达式为
[0011]
其中，g(t)轮廓线径向分量，h(t)为轮廓线周向分量、t为方程组参数，则 修正的模具型腔轮廓线参数方程表达式如下：
[0012]
其中：径向分量部分g(t)以变量形式带入模具型腔轮廓 与锻件表面轮廓径向尺寸差fr(ri)，得到修正的模具型腔轮廓线参数方程径向分量的修正 项fr[g(t)];将18〇Airi乘以fe(ri)得到修正的模具型腔轮廓线参数方程周向分量的修正项 180fe(ri)/3rri；
[0013] 5)按照步骤4)中修正的模具型腔轮廓线参数方程加工模具。
[0014] 进一步地，所述步骤1)中模具预热膨胀td为模具型腔在锻造前由于模具预热将发 生热膨胀而增加的尺寸，模具受力弹性膨胀ed为模具型腔在锻件施加压力下发生的弹性膨 胀量，锻件出模后回弹~为顶杆将锻件从模具中顶出时锻件尺寸回弹的膨胀量，锻件冷缩U 为锻件将从锻造温度冷却到室温而发生的冷缩量。
[0015] 进一步地，所述模具型腔初始尺寸R+模具预热膨胀td+模具受力弹性膨胀ed =变形 后模具型腔尺寸V，锻件最终尺寸为r+锻件出模后回弹ew_锻件冷缩^ =变形后锻件尺寸 r'，且R' =1·'。
[0016] 进一步地，所述模具受力弹性膨胀径向变形和所述锻件出模后回弹的径向变形均 根据广义胡可定律和拉美公式表达，所述模具受力弹性膨胀周向变形和所述锻件出模后回 弹的周向变形均根据广义胡可定律表达。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0018] 1)本发明所提供的异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法准确度高，能有效 提高热精锻成形精度，从而减小后续精加工余量，甚至满足直接使用的要求；
[0019] 2)本发明所建立的数学模型充分考虑热精锻过程中各种变形因素，能够很好的揭 示影响热精锻精度的因素；
[0020] 3)本发明使用数学函数式计算模具型腔修正，计算方法简单快捷，方便工程应用。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法中热精锻模具型腔轮 廓和锻件表面轮廓的变形示意图；
[0022] 图2为本发明实施例热精锻双层模具装配示意图；
[0023] 图3为本实施例模具型腔轮廓与锻件表面轮廓径向尺寸差Fr计算结果图；
[0024] 图4为本实施例模具型腔轮廓与锻件表面轮廓周向尺寸差Fe计算结果图；
[0025] 图5为本实施例热精锻锻件精度检测结果图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本 发明，但它们不对本发明构成限定。
[0027] 结合图1本发明公开了一种异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法，包括如 下步骤：
[0028] 1)构建基于锻件和模具在热精锻过程中轮廓变形的数学模型，数学模型包括四个 部分:模具预热膨胀td、锻件冷缩U、模具受力弹性膨胀ed及锻件出模后回弹ew，模具预热膨 胀^为模具型腔在锻造前由于模具预热将发生热膨胀而增加的尺寸，模具受力弹性膨胀ed 为模具型腔在锻件施加压力下发生的弹性膨胀量，锻件出模后回弹为顶杆将锻件从模具 中顶出时锻件尺寸回弹的膨胀量，锻件冷缩U为锻件将从锻造温度冷却到室温而发生的冷 缩量;并且设定模具型腔初始尺寸为R、锻件最终尺寸为r，变形后模具型腔尺寸模具型 腔初始尺寸R+模具预热膨胀td+模具受力弹性膨胀ed，变形后锻件尺寸锻件最终尺寸为 r+锻件出模后回弹ew_锻件冷缩U，此时R' ;模具型腔初始尺寸R与锻件最终尺寸r之差 即为模具型腔轮廓尺寸与锻件表面轮廓尺寸差F，根据上述影响因素及其矢量关系，即尺寸 差F可以表示为式（1):
[0029] F = ed+td+ew-tw (1)
[0030] 2)在模具型腔轮廓上和锻件表面轮廓上取任意点i，且任意点i到质心距离为ri， 求得模具型腔轮廓上和锻件表面轮廓上任意点i的变形值，则式（1)中，模具型腔轮廓上任 意点i的预热膨胀径向变形的尺寸变化td可根据物体热膨胀公式表达为式(2)，
[0031] td = td(ri) (2)
[0032] 式（1)中，锻件表面轮廓上任意点i的冷缩径向变形尺寸变化tw可根据物体热膨胀 公式表达为式(3)，
[0033] tw=tw(ri) (3)
[0034] 式（1)中，模具型腔轮廓上任意点i的受力弹性膨胀变形分为径向变形edr和周向变 形ede，其中径向尺寸变化可根据广义胡克定律和拉美公式表达为式(4)，周向尺寸变化可可 根据广义胡克定律表达为式(5)，
[0035] ear = ear (ri) (4)
[0036] ed0 = ede(ri) (5)
[0037] 式（1)中，锻件表面轮廓上任意点i的回弹膨胀变形分为径向变形ewr和周向变形 ewe，其中径向尺寸变化可根据广义胡克定律和拉美公式表达为式(6)，周向尺寸变化可可根 据广义胡克定律表达为式(7)，
[0038] ewr = ewr(ri) (6)
[0039] ew0 = ew0(ri) (7)
[0040] 3)式(2) - (7)中，模具型腔轮廓上和锻件表面轮廓上任意点i变形的表达式均为 关于变量^的表达式，因此，式（1)中模具型腔轮廓尺寸与锻件表面轮廓尺寸差F为关于变 量^的函数式，其中径向尺寸差F r可表达为式(8)，周向尺寸差Fe可表达为式(9)，
[0041] Fr = td(ri)-tw(ri)+edr(ri)+ewr(ri) = fr(ri) (8)
[0042] Fe = ed0(ri)+ew0(ri) = fe(ri) (9)
[0043] 4)模具型腔轮廓按照上述函数式(8)和(9)进行修正，设模具型腔原轮廓线的参数 方程在圆柱坐标系下表达式为
[0044]
其中，g(t)轮廓线径向分量，h(t)为轮廓线周向分量、t为方程组参数，则 修正的模具型腔轮廓线参数方程表达为式(10)，
[0045] 、 I 10)
[0046] 其中径向分量部分g(t)以变量形式带入模具型腔轮廓与锻件表面轮廓径向尺寸 差fr(ri)，得到修正的模具型腔轮廓线参数方程径向分量的修正项f r[g(t)];将180/町1乘 以Μη)得到修正的模具型腔轮廓线参数方程周向分量的修正项180fe( ri)Airi;
[0047] 5)按照步骤4)中修正的模具型腔轮廓线参数方程加工模具。
[0048] 下面结合具体实施例进一步详细阐述本发明的异型盘类零件热精锻成形模具型 腔修正方法。
[0049] 本发明具体实施例所锻造的零件为汽车自动变速箱用齿轮，齿轮参数为：模数 2.7185、齿数26、压力角20°;精锻模具采用双层过盈装配形式，如图2所示，模具型腔平均半 径Ri = 38.69mm、内层外半径R2 = 90mm、外层外半径R3= 130mm，双层模具之间单边过盈量 〇. 17mm、模具材料杨氏模量198GPa、泊松比0.3;室温20 °C、模具预热温度100 °C、锻造温度 1000°C、模具和锻件热膨胀系数1.2 X ΚΓ5;锻件材料在高温下杨氏模量50GPa、泊松比0.43、 流动应力180MPa。
[0050] 模具型腔轮廓和锻件表面轮廓变形的四个部分为模具预热膨胀td、锻件冷缩U、模 具受力弹性膨胀ed、锻件出模后回弹ew。
[0051] 模具型腔轮廓与锻件表面轮廓径向尺寸差按式（1)-(4)、（6)计算，其中t4Ptw可由 热膨胀公式求得，计算所需数据为室温20°C、模具预热温度10(TC、锻造温度100(TC及模具 和锻件热膨胀系数1.2Xl(T 5;ewr和edr可由厚壁圆筒受力变形的拉美公式和广义胡克定律 求得，计算所需数据为模具型腔平均半径Ri = 38.69mm、内层外半径R2 = 90mm、外层外半径R3 =130mm、双层模具之间单边过盈量0.17mm、模具材料杨氏模量198GPa、泊松比0.3、锻件材 料在高温下杨氏模量50GPa、泊松比0.43及流动应力180MPa。计算齿轮基圆到齿顶精度要 求较高的渐开线部分，计算结果如图3所示，横坐标为 Γι，即渐开线上任意点i距齿轮中心 (质心）的距离，纵坐标为径向尺寸差Fr。结果显示，总径向尺寸差F r从基圆到齿顶为0.275mm 到0.322mm，并随ri增大而逐渐增大。
[0052]模具型腔轮廓与锻件表面轮廓周向尺寸差按式（1)、（5)、（7)计算，其中ewe和ede可 由广义胡克定律求得，计算所需数据为齿轮模数2.7185、齿数26、压力角20°、模具材料杨氏 模量198GPa、泊松比0.3、锻件材料在高温下杨氏模量50GPa、泊松比0.43及流动应力 180MPa。计算结果如图4所示，横坐标为η，即渐开线上任意点i距齿轮中心（质心）的距离， 纵坐标为周向尺寸差Fe。结果显示，总周向尺寸差FeW基圆到齿顶为6μπι到3以!11，随^增大而 非线性减小。
[0053]模具型腔轮廓与锻件表面轮廓径向尺寸差计算结果拟合为式(8)，模具型腔轮廓 与锻件表面轮廓周向尺寸差计算结果拟合为式(9)，由于标准渐开线方程为式（11)，因此， 式(10)中g(t)为?/,,4+?2/2 ,h(t)为 co-arctanco 中，将式(8)(9)(11)带入式(10)求得修正 后的模具齿形轮廓线参数方程，表达式为式（12 )，按此渐开线加工齿轮热精锻模具，并进行 齿轮热精锻，锻造在10MN双盘摩擦压力机上进行，模具预热温度为10(TC，锻造温度为1000 °C。锻造结束后使用齿轮检测中心测量齿轮锻件精度，检测结果如图5所示，最大误差为 42.2μπι，达到齿轮精度国家标准10级，大大提高了齿轮热精锻精度。
[0054] (11)
[0055] (12)
【主权项】
1. 一种异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法，其特征在于:包括如下步骤： 1) 构建基于锻件和模具在热精锻过程中轮廓变形的数学模型，数学模型包括模具预热 膨胀td、锻件冷缩tw、模具受力弹性膨胀ed及锻件出模后回弹ew;并且设定模具型腔初始尺 寸为R、锻件最终尺寸为r，模具型腔初始尺寸R与锻件最终尺寸r之差即为模具型腔轮廓尺 寸与锻件表面轮廓尺寸差F，即F = edWd+拘-U; 2) 在模具型腔轮廓上和锻件表面轮廓上取任意点i，且任意点i到质屯、距离为Π ，求得模 具型腔轮廓上和锻件表面轮廓上任意点i的变形值，即模具型腔轮廓上任意点i的预热膨胀 径向变形值td = td(r〇、锻件表面轮廓上任意点i的冷缩径向变形值tw=tw(ri)、模具型腔轮 廓上任意点i的受力弹性膨胀径向变形值edr = edr(ri)和周向变形值ede = ede(ri)，锻件表面 轮廓上任意点i的回弹膨胀径向变形值ewr = ewr(ri)和周向变形值ew = ew (ri); 3) 模具型腔轮廓上和锻件表面轮廓上任意点i变形值均为关于变量ri的表达式，所W模 具型腔轮廓尺寸与锻件表面轮廓尺寸差F为关于变量ri的函数式，其中径向尺寸差Fr = td (；Ti)-tw(:ri)+edr(:ri)+ewr(:ri) = fr(：Ti)、周向尺寸差F0 = ed0(；Ti)+ew0(;ri) = f0(；Ti); 4) 设模具型腔原轮廓线的参数方程在圆柱坐标系下表达式为;中，g(t)轮廓线径向分量，h(t)为轮廓线周向分量、t为方程组参数，则修正 的模具型腔轮廓线参数方程表达式如下：其中：径向分量部分g(t) W变量形式带入模具型腔轮廓与锻件表面轮廓径向尺寸差fr(ri)，得到修正的模具型腔轮 廓线参数方程径向分量的修正项fr[g(t)];将180/町1乘Wfe(ri)得到修正的模具型腔轮廓 线参数方程周向分量的修正项180fe(ri)Ari; 5) 按照步骤4)中修正的模具型腔轮廓线参数方程加工模具。2. 根据权利要求1所述异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法，其特征在于:所述 步骤1)中模具预热膨胀td为模具型腔在锻造前由于模具预热将发生热膨胀而增加的尺寸， 模具受力弹性膨胀ed为模具型腔在锻件施加压力下发生的弹性膨胀量，锻件出模后回弹ew 为顶杆将锻件从模具中顶出时锻件尺寸回弹的膨胀量，锻件冷缩tw为锻件将从锻造溫度冷 却到室溫而发生的冷缩量。3. 根据权利要求1或2所述异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法，其特征在于： 所述模具型腔初始尺寸R+模具预热膨胀td+模具受力弹性膨胀ed =变形后模具型腔尺寸R/， 锻件最终尺寸为r+锻件出模后回弹ew-锻件冷缩tw=变形后锻件尺寸，且R/ =r^。4. 根据权利要求1或2所述异型盘类零件热精锻成形模具型腔修正方法，其特征在于： 所述模具受力弹性膨胀径向变形和所述锻件出模后回弹的径向变形均根据广义胡可定律 和拉美公式表达，所述模具受力弹性膨胀周向变形和所述锻件出模后回弹的周向变形均根 据广义胡可定律表达。
【文档编号】G06F17/50GK105975657SQ201610268730
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】左斌, 刘渊媛, 汪小锋, 王小鹏, 葛锐
【申请人】武汉钢铁股份有限公司