粉末冶金直齿锥齿轮的模具设计.doc

粉末冶金技术 000104源系统WAHFkNG &ATA [CHi^AN'FOl數宇侣期刊DIGITIZED PERIODICAL粉末冶金技术POWDER METALLURG Y TECHNOLOG Y2000 Vol.18 No.1 P.16-22粉末冶金直齿锥齿轮的模具设计秦万忠摘要：根据渐开线齿轮的基础知识及粉末压制烧结理论确定了设计模具型腔及结构 的原理和方法实践证明，模具结构合理，制造容易，产品质量可靠，生产效率咼 其成本比机加工降低 70%效果良好关键词：直齿锥齿轮；模具设计DIE DESIGN OF P/M PLAIN-BEVEL GEARQin Wanzhong(The Institute of Tianjin Mechinery Research and Design, Tianjin 300210)Abstract : According to the requirements for the involute gear and powder metallurgy theory, the prese nt article gives a prin ciple and method for desig ning die cave and structure. The practice shows that the die desig ned is reas on able in structure and easy mak ing. The P/ M parts produced by the die have reliable quality and high productivity. The producti on costs are reduced 70% tha n machi ne-made method.Key words : plain-bevel gear; die design^1刖言直齿锥齿轮是现代机械产品中广泛使用的一种典型结构零件。

传统机加工方法生 产成本高、效率低、材料利用率只有 40%左右而粉末冶金方法生产具有少切削或无切削、效率高、成本低等特点，近几十年在国内外得到了迅速的发展由于锥齿轮形 状复杂，精度要求较高，一般均需经过压制、烧结和精整等工艺过程设计人员需要 根据工艺过程中各尺寸的变化规律分别设计压制、精整模具该设计要解决三个问 题：①压制成形与脱模问题；②模具型腔尺寸的确定原则；③模具齿形的对准问题本文根据渐开线齿轮的基础知识及粉末压制烧结理论，在实践的基础上确定了设 计型腔及模具结构的原理和方法可以比较合理简便地实现直齿锥齿轮的生产，使成 本比机加工降低了 70%,材料利用率可达 98%2模具设计关于渐开线齿轮及粉末压制烧结的基础知识，许多资料中均有介绍，不再复述, 有关知识将直接应用2.1 模具结构模具结构应保证便于装粉、脱模、密度均匀、模具制造容易、简单耐用等直齿 锥齿轮属于带斜面的多齿类结构件，精度、强度、密度要求均较高，结构复杂，横截 面变化大，见图 1图1直齿锥齿轮由于压制时，粉末体主要沿轴向压缩，几乎不产生明显的横向流动但如果压坯 各截面上的粉末受到不同程度的压缩时，受压缩程度较大的截面上的粉末会向受压缩 程度小的截面上产生横向流动。

因此，保证压坯各点密度均匀的原则应该是各截面装 填系数d坯/d粉相同或相近，压缩比H粉/h坯相同或相近，压制速率相同因此，可将直 齿锥齿轮分成I、H两部分来分析I部分可看成圆筒形，装粉高度H粉=kh坯，k为装填系数H部分装粉关系如图 2下模冲固定，理论装粉线是 B线，下模冲图2斜面压坯装粉实际装粉线是 C线这样b边装粉高度比理论值高，而 a边装粉高度比理论值低但在压制开始阶段，由于粉末受压缩程度不同而由 b边向a边横向流动，从而减少由于装粉不合理所造成的密度差一方面斜面压坯的密度差随着节锥角3的减小而增大，但 另一方面，粉末的横向流动也随节锥角的减小而增大综合考虑I、H部分，将I部 分的下模冲下移，如图 3不仅有利于压坯脱模，而且可减小H部分装粉不合理所造成的密度差，也能降低整体上模冲压制时I部分的装粉不合理性若这样仍不能达到密 度均匀的要求，可将上模冲做成由I、H部分组成的组合上模冲利用先压缩粉末的 横向流动，可进一步降低装粉的不合理性，使压坯密度更趋均匀压制时，上下模冲 的移动距离在保证压坯平均密度的前提下，通过计算和试模确定值得注意的是，若 装粉比例不合理，造成I、H部分密度差过大，在压制过程的最后瞬间，压坯I部分 截面上的粉末将对H部分产生很大的压力，由于弹性后效导致裂纹。

图3直齿锥齿轮装粉为便于模具加工，将阴模分为上阴模和下阴模，上、下阴模用两个定位销定位， 分别加工齿形根据零件结构和压制方法，可以一次脱模也可以分步脱模2.2 型腔设计齿轮齿形是由齿形参数决定的，包括轴向的、径向的和齿厚各齿形参数间存在 着复杂的几何关系粉末冶金直齿锥齿轮模具型腔设计的难点在于渐开线齿形部位 影响型腔尺寸变化的工艺参数可分为线性工艺参数 （收缩和回弹）和非线性工艺参数 （整形余量和整形回弹 ）线性工艺参数使产品尺寸发生线性变化，符合相似形原理非线性工艺参数可按渐开线齿形的高变位原理变化，在齿形外侧留出一圈整形余量，见图4变位后齿顶高变化量 mx比齿侧单面变化量 mxsin a大，可通过增大锥齿轮电极的齿厚（切变位）而使压坯留有均匀的一圈精整余量考虑到电极的放电间隙和阴模抛光量 及齿轮啮合过程中的齿侧间隙，电极还应做进一步的径向高变位和切向变位图4渐开线齿形径向变位221 锥齿大端及小端型腔设计直齿锥齿轮的制造和检测是以大端齿形参数为基准的设某直齿锥齿轮径向高变位后如图5中虚线所示，变位前为实线变位前后分度圆直径 d,节锥角3不变，大端设为m “xs小端设为m 2、x2首先分析变位后大端小端齿顶变化和齿厚变化的差由图1图5直齿锥齿轮径向变位图5知:一0()1即大端与小端变位系数相同。

由式(1)齿顶高变化分别为Axm^ A)2m2o-A局I«v-Atiznj Sx\d\/z\ Ax\ (X)|」心叫 亠#?/*i 00i由图5知」 ' '：△加2 ” 06, " （XX「•△x 1= Ax 2即大端与小端变位系数变化量相同Tm i>m 2•「△x imi >Ax 2口2即大端齿顶精整余量大于小端齿顶精整余量但这种差别很小，通常为大端齿顶 精整余量的 25%〜30%由图4可知齿侧法向变化量A W=A xmsin aTm i>m 2•「△W 1>AW 2即大端齿侧精整余量大于小端齿侧精整余量，这种差别很小，通常为大端齿侧精 整余量的25%〜30%再分析大端与小端线性膨胀率 （收缩率）由图5知即大端与小端线性膨胀率 （收缩率）相同，同时也与变位的结果相同 换句话说，齿轮的径向线性膨胀 （收缩）可用变位方式加以调整由于变位前后齿高相同，使产品的齿高与理想状态稍有差别，即齿高的膨胀 （收缩）量，但与顶隙相比微乎其微，可以忽略一般来说，由于膨胀 （收缩）引起的齿厚本身变化远小于精整余量及齿厚公差，可以忽略也可以通过切变位调整综合以上分析，粉末冶金直齿锥齿轮的线性收缩、回弹、精整余量及回弹引起的 模具尺寸变化可以通过齿形变位调整。

包括径向高变位和切变位由式 （2成确定了D之后，计算出对应的齿顶高，便可根据式 （1）计算型腔锥齿大端变位系数 xD成=(D min- 1)(1+c-g)+ △ ⑵式中D min 产品外径最小尺寸， mm8 1 外径整形回弹量， mmC——烧结收缩率， %g――压坯回弹率， %△ 1 外径整形余量， mm+ 2；rtana + xrfile:///E|/qk/fmyjjs/fmyj2000/0001/000104.htm (第 # / 15 页)2010-3-22 19:04:26粉末冶金技术 000104file:///E|/qk/fmyjjs/fmyj2000/0001/000104.htm (第 # / 15 页)2010-3-22 19:04:26粉末冶金技术 000104式中 m 模数， mmx 径向变位系数x T——切变位系数 S――弧齿厚⑶可知，变位后齿顶及齿侧变化量之差为 xm(1-sin a )，与a )/COS a用切变位弥补这个差别则^m=xm(1-sin a )/由图4及弧齿厚计算公式 之对应的弧齿厚为 xm(1-sinCOS a「•XT =x(1-sin a )/cos a有了 x和Xt ,可根据有关公式计算型腔大端的其它齿形参数，如d a、df、.、，等。

这样计算的齿形参数可以满足设计制造的需要确定了型腔大端的齿形参数之后，可根据图 5的几何关系先算出小端的分度圆直径d=mz,然后也可根据公式计算型腔小端的齿形参数2.2.2 大端直齿及小端直齿的型腔设计大端直齿是指为压制锥齿大端而设计的直齿圆柱齿轮的齿形小端直齿是指为压制锥齿小端而设计的直齿圆柱齿轮的齿形确定了锥齿型腔大端的齿形参数后，便可根据直齿圆柱齿轮的计算公式计算大端直齿型腔的齿形参数原则是齿数 z、模数m压力角a不变与锥齿型腔大端齿形在水平面内的投影齿形相比，大端直齿的齿高较大，齿厚也不同，需要变位与投影齿形的齿顶圆或齿根圆对正变位后的大端直齿将比投影齿形小一圈或大一圈，如图 6,不可能完全对正，其弦齿厚之差、齿根圆或齿顶圆之差根据公式可以计算这样有利于脱模，制品上的毛刺精整后可去掉所计算的齿形参数可以使两种齿形较好地接近，并且便于模具制造，可以满足设计和生产的需要当然也可以高变位使齿厚相同，再改变大端直齿的齿顶高系数h *a和顶隙系数C*,使齿顶圆与齿根圆分别对正这在 CAD/CAM条件下很容易实现同理可以根据锥齿型腔小端的齿形参数计算小端直齿型腔的齿形参数经变位后，其齿顶或齿根与锥齿型腔小端齿形在水平面内的投影齿形的齿 顶或齿根对正，或齿顶、齿根、齿侧全对正。

齿台阶冶權舍阶图6锥齿大端齿形的投影齿形与大端直齿齿形的差别3直齿锥齿轮模具设计实例某厂引进系列电动阀门装置中有一种直齿锥齿轮，如图 7它实际上是直齿圆柱齿轮与锥齿轮组成的双联齿轮锥齿部分起传动作用，根据产品零件图及使用要求，在 铁粉中加适当的合金元素，使制品烧结后回弹和收缩系数之和等于零，并且不留精整 余量模具结构如图 3所示大端在上面上压加后压，分步脱模图7产品零件图锥齿大端齿形参数如下：齿数z=13模数 m=1.588mm压力角a 1=20 °全齿高h 1=3.49齿顶咼h a〔=2.261顶隙系数c *0.2径向变位系数x 1=0.4238 切向变位系数x T [=0.0816节锥角3 =15.15 °分度圆齿厚S 1=3.114mm分度圆弦齿厚..1=3.10mm分度圆弦齿高.a1=2.37mm3.1 锥齿大端型腔分度圆直径d〔，见图&file:///E|/qk/fmyjjs/fmyj2000/0001/000104.htm (第 # / 15 页)2010-3-22 19:04:26粉末冶金技术 000104file:///E|/qk/fmyjjs。