采用三阶非均匀有理B样条设计齿轮锻件锻模的方法

摘要

一种采用三阶非均匀有理B样条设计齿轮锻件锻模的方法，根据齿轮锻件的尺寸形状，确定代表齿轮锻件轴对称基本形状的特征点K

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料热加工的锻模设计领域，具体是一种采用三阶非均匀有理B 样条设计齿轮锻件锻模的方法。

背景技术

预成形是利用锻模将一个简单形状的原始坯料逐步变形，以获得适合成形为复杂 锻件所需的坯料形状的过程。目前传统模锻生产中经常出现飞边过大、打不靠、充不 满、折叠等成形缺陷的事实表明，按照传统模锻工艺设计方法设计的预成形坯料/模膛 没有能够更好地适应复杂锻件的基本形状特征和材料的体积分配特征，没有能够更好 地反映金属材料的流动规律。据统计，开式模锻的飞边材料消耗为锻件重量的10%～ 50%，平均为30%。传统模锻生产中经常出现的飞边过大、打不靠、充不满、折叠等成 形缺陷，造成了材料、能源和资金的极大浪费，增加了生产成本。

传统模锻工艺设计中，复杂锻件的预成形坯料/模膛是通过平面、柱面、锥面、旋 转曲面等规则曲面来逼近的，它实质上是一种经典解析几何的方法。数学理论证明利 用平面、柱面、锥面、旋转曲面等规则曲面是不能够精确逼近任意曲面的。利用平面、 柱面、锥面、旋转曲面等规则曲面不能够表达复杂锻件预成形坯料/模膛的理想的几何 形状，是传统模锻工艺预成形设计方法存在的重大缺陷和技术瓶颈，也是造成目前传 统模锻生产中经常出现飞边过大、打不靠、充不满、折叠等成形缺陷的主要原因之一。

目前常规齿轮模锻工艺流程为：镦粗、预锻、终锻。常规模锻工艺生产齿轮锻件 需要三个工序，两火加热，两套锻模。齿轮锻件常规模锻生产过程中常常出现打不靠、 充不满、折叠等成形缺陷。

马新武利用三阶非均匀有理B样条曲线对形状上下对称的简单齿轮预锻模进行了 优化设计，得到了少无飞边的终锻件。该简单齿轮锻件的模锻工艺优化设计采用传统 的模锻工艺流程，即，镦粗-预锻-终锻，仍然需要三个工序、两次加热和两套锻模，仅 对第二工序的预锻模形状进行了优化设计。该优化设计没有改变传统的齿轮模锻工艺 流程，节约材料和降低能耗的效果并不明显。该优化设计仅对形状上下对称的简单齿 轮的预锻模进行了优化设计，没有给出复杂齿轮预锻坯料/模膛形状设计的一般方法， 没有揭示出齿轮锻件的结构特征与用以优化预锻模形状的B样条曲线型值点的对应关 系。

发明内容

为克服现有技术中存在的多个工序，多套锻模，生产周期长，生产成本高的不足， 本发明提出了一种采用三阶非均匀有理B样条设计齿轮锻件锻模的方法。

本发明包括以下步骤：

步骤1设计终锻模膛。

步骤2，确定齿轮锻件的特征点；所述确定齿轮锻件的特征点是根据齿轮锻件的 尺寸形状，确定代表齿轮锻件轴对称基本形状的特征点K₁、K₂、K₃、K₄在齿轮锻件剖面 上的位置，并以各特征点作为设计齿轮锻件成形镦粗模膛三阶非均匀有理B样条曲线 的依据，并且所述齿轮锻件上的特征点K₁、K₂、K₃、K₄轴对称。所述的K₁特征点位于锻 件连皮上表面中心处，并与该锻件的轴线重合；所述K₂特征点位于齿轮锻件轮毂内侧 最高点；所述K₃特征点位于齿轮锻件轮毂外侧最高点；所述K₄特征点位于齿轮锻件轮 缘外侧最高点。

步骤3，设计成形镦粗模膛。采用三阶非均匀有理B样条设计成形镦粗模膛。其 具体过程是：确定成形镦粗模膛的轮廓形状；所述成形镦粗模膛的轮廓剖面形状为曲 线，其中，曲线段P₁～P₅代表成形镦粗模膛在齿轮锻模上模的轮廓形状，直线段P₆～ P₇代表成形镦粗模膛在齿轮锻模下模的轮廓形状。曲线段P₁～P₄是三阶非均匀有理B 样条曲线，P₄～P₅是直线段，三阶非均匀有理B样条曲线P₁～P₄段和直线段P₄～P₅在 点P₄处相切。

确定成形镦粗模膛轮廓剖面形状的坐标系原点О位于成形镦粗模膛对称轴线与下 模的上表面的交点P₆处。

P₁点的位置与所述K₁点相对应，位于成形镦粗模膛对称轴线上，该P₁点的坐标为 X₁，Y₁；其中X₁＝0，Y₁=1/3×h₂±2mm，所述的h₂为轮毂的高度。

P₂点的位置与所述K₂点相对应。P₂点的坐标为X₂，Y₂,其中X₂，Y₂分别对应轮毂的 内径和轮毂高度；其中X₂=1/2×d₁-(1～4)mm，Y₂=2/3×h₂±3mm。所述的d₁为轮毂的 内径。P₃点的位置与所述K₃点相对应。P₃点的坐标为X₃，Y₃,其中X₃，Y₃分别对应轮毂 的外径和高度；其中X₃=1/2×d₂+(10～14)mm，Y₃=2/3×h₂±3mm。所述的d₂为轮毂的外 径。

P₄点的位置与所述K₄点相对应。P₄点的坐标为X₄，Y₄,其中X₄，Y₄分别对应轮缘 的外径和高度；其中X₄=1/2×d₃+(8～12)mm，Y₄=2/3×h₁+(2～4)mm。所述的d₃为齿轮 锻件的外径。

P₅点位于直线上。P₅点的坐标为X₅，Y₅；其中X₅=X₄+(20～24)mm，Y₅=Y₄。

P₆点位于坐标系原点О。P₆点的坐标为X₆=0，Y₆=0mm。

P₇点位于直线上。P₇点的坐标为X₇=X₅，Y₇=0。

至此，完成了成形镦粗模膛的设计。

本发明提出了采用三阶非均匀有理B样条设计齿轮锻件锻模的方法。三阶非均匀 有理B样条曲线/曲面能够精确的表示规则曲线/曲面，从而能用统一的形式表示规则 曲线/曲面与自由曲线/曲面；能够通过移动控制点或者改变曲线和曲面形状的权因子， 使形状更易控制和实现；能够通过节点插入、节点细化、节点去除、升阶、降阶等几 何工具有效地修改曲线与曲面，便于在交互设计中增加控制的灵活性；三阶非均匀有 理B样条曲线/曲面能够逼近任意复杂的曲线/曲面。因此，将三阶非均匀有理B样条 曲线与曲面这一现代计算几何的成果引入到预成形坯料/模膛设计中，从而实现预成形 坯料/模膛设计的几何原理的创新。三阶非均匀有理B样条曲线与曲面能够充分地反映 锻件的基本形状特征和材料的体积分配规律，精确、自由、灵活地表达预成形坯料和 模膛的几何形状，改善金属材料在模膛中的流动状况。

较复杂齿轮锻件是典型的短轴类锻件，其基本形状由轮毂、辐板和轮缘三部分组 成，其中，轮毂和轮缘的直径和高度及辐板的厚度决定了该类锻件的基本形状特征和 材料的体积分配特征，同时决定了该类锻件成形的难易程度。根据齿轮锻件轮毂和轮 缘的直径和高度确定用以表示预锻坯料/模膛形状的三阶非均匀有理B样条曲线的型 值点，通过型值点创建三阶非均匀有理B样条曲线，以反映该类锻件的基本形状特征 和材料的体积分配特征，从而改善金属材料的流动状况和充型质量，并改进较复杂齿 轮锻件的常规模锻工艺流程。

图1(b)是较复杂齿轮锻件剖面图，其中d₁和d₂分别为轮毂的内径和外径，d₃是轮缘的外径，h₁和h₂分别为轮缘和轮毂的高度，K₁、K₂、K₃、K₄分别是齿轮锻件基本形 状的特征点，其中K₁是齿轮锻件剖面图中锻件连皮上侧中心点，K₂是齿轮锻件轮毂内 侧最高点，K₃是齿轮锻件轮毂外侧最高点，K₄是齿轮锻件轮缘外侧最高点。所述特征 点K₁、K₂、K₃、K₄是设计三阶非均匀有理B样条曲线的依据。图1(a)是较复杂齿轮锻 件成形镦粗模膛的轮廓形状，曲线段P₁～P₅表示上模，直线段P₆～P₇表示下模。P₁～P₄是三阶非均匀有理B样条曲线，P₄～P₅是直线段，样条曲线P₁～P₄段和直线P₄～P₅段 在点P₄处相切。坐标系原点位于齿轮锻件对称轴线与表示下模2的直线的交点P₆处。

本发明中，P₁点的位置与所述K₁点相对应，P₂点的位置与所述K₂点相对应，P₃点的位置与所述K₃点相对应，P₄点的位置与所述K₄点相对应。

本发明还提出了齿轮锻件成形镦粗模膛的轮廓形状各坐标点的确定方法。

利用本发明设计的齿轮锻件锻模，使较复杂齿轮锻件的传统模锻工艺流程化为经 过两个工序、一次加热，仅使用一套锻模即可完成较复杂齿轮锻件的成形。该齿轮锻 件模锻新工艺流程可以减少1/3模锻生产工时，节约锻模费用5～7万元，减少能耗1～ 2万元(按生产批量5000件计算)。而采用常规齿轮模锻工艺生产较复杂齿轮锻件需要 三个工序、两次加热，使用两套锻模。

本发明提出的采用三阶非均匀有理B样条设计的齿轮锻件锻模不需要预锻工序， 简化了传统的齿轮模锻工艺流程；节省了预锻锻模，减少了一次锻造加热，对于锻造 行业节约材料、降低能耗、实现少、无飞边或近净成型，推动锻造技术进步具有重大 意义。

附图说明

附图1是采用三阶非均匀有理B样条设计齿轮锻件成形镦粗模膛的示意图；其中， 图1a是成形镦粗模膛的几何轮廓；图1b是齿轮锻件的几何轮廓

附图2采用非均匀有理B样条设计齿轮锻件锻模的流程图

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种采用三阶非均匀有理B样条设计齿轮锻件锻模的方法。所述齿轮 锻件锻模用于生产图1(b)所示的齿轮锻件。该齿轮锻件是典型的短轴类锻件，由轮毂、 辐板和轮缘三部分组成，根据齿轮锻件轮毂和轮缘的直径和高度确定三阶非均匀有理 B样条曲线的型值点，通过该型值点建立三阶非均匀有理B样条曲线。

本实施例所述的齿轮锻件锻模包括终锻模膛和成形镦粗模膛。具体的设计过程包 括以下步骤：

步骤1设计终锻模膛。按照锻压手册中关于终锻模膛的设计方法，根据齿轮锻件 设计终锻模膛。

步骤2，确定齿轮锻件的特征点；所述确定齿轮锻件的特征点是根据图1(b)所示 齿轮锻件的尺寸形状，确定代表齿轮锻件轴对称基本形状的特征点K₁、K₂、K₃、K₄在齿 轮锻件剖面上的位置，并以各特征点作为设计齿轮锻件成形镦粗模膛三阶非均匀有理 B样条曲线的依据，并且所述齿轮锻件上的特征点K₁、K₂、K₃、K₄轴对称。所述的K₁特 征点位于锻件连皮上表面中心处，并与该锻件的轴线重合；所述K₂特征点位于齿轮锻 件轮毂内侧最高点；所述K₃特征点位于齿轮锻件轮毂外侧最高点；所述K₄特征点位于 齿轮锻件轮缘外侧最高点。

步骤3，设计成形镦粗模膛。采用三阶非均匀有理B样条设计成形镦粗模膛。其 具体过程是：确定如图1(a)所示的成形镦粗模膛的轮廓形状，所述成形镦粗模膛的轮 廓剖面形状为曲线，其中，曲线段P₁～P₅代表成形镦粗模膛在齿轮锻模上模1的轮廓 形状，直线段P₆～P₇代表成形镦粗模膛在齿轮锻模下模2的轮廓形状。曲线段P₁～P₄是三阶非均匀有理B样条曲线，P₄～P₅是直线段，三阶非均匀有理B样条曲线P₁～P₄段和直线段P₄～P₅在点P₄处相切。

确定成形镦粗模膛轮廓剖面形状的坐标系原点О位于成形镦粗模膛对称轴线与下 模2的上表面的交点P₆处。

P₁点的位置与所述K₁点相对应，位于成形镦粗模膛对称轴线上，该P₁点的坐标为 X₁，Y₁；其中X₁=0，Y₁=1/3×h₂±2mm，所述的h₂为轮毂的高度。

P₂点的位置与所述K₂点相对应。P₂点的坐标为X₂，Y₂,其中X₂，Y₂分别对应轮毂的 内径和轮毂高度；其中X₂=1/2×d₁-(1～4)mm，Y₂=2/3×h₂±3mm。所述的d₁为轮毂的 内径。P₃点的位置与所述K₃点相对应。P₃点的坐标为X₃，Y₃,其中X₃，Y₃分别对应轮毂 的外径和高度；其中X₃=1/2×d₂+(10～14)mm，Y₃=2/3×h₂±3mm。所述的d₂为轮毂的外 径。

P₄点的位置与所述K₄点相对应。P₄点的坐标为X₄，Y₄,其中X₄，Y₄分别对应轮缘 的外径和高度；其中X₄=1/2×d₃+(8～12)mm，Y₄=2/3×h₁+(2～4)mm。所述的d₃为齿轮 锻件轮缘的外径。

P₅点位于直线上。P₅点的坐标为X₅，Y₅；其中X₅＝X₄+(20～24)mm，Y₅=Y₄。

P₆点位于坐标系原点О。P₆点的坐标为X₆=0，Y₆=0mm。

P₇点位于直线上。P₇点的坐标为X₇=X₅，Y₇=0。

本实施例中，d₁=52.8mm,d₂=92.3mm,d₃=197.3mm,h₁＝31.5mm,h₂=50mm。

根据所述各坐标点的计算公式，确定各点的坐标如下：

P₁点位于对称轴线上。P₁点坐标为X₁＝0，Y₁＝15.5mm。

P₂点坐标为X₂=24mm，Y₂=31mm，P₃点坐标为X₃=58mm，Y₃=31mm。

P₄点坐标为X₄=108mm，Y₄=24mm。

P₅点位于直线端点，其坐标为X₅=130mm，Y₅=24mm。

P₆点位于坐标原点，其坐标为X₆=0，Y₆=0。

P₇点位于直线端点，其坐标为X₇=130mm，Y₇=0。

至此，完成了本实施例的成形镦粗模膛的设计。

实施例二

本实施例是一种采用三阶非均匀有理B样条设计齿轮锻件锻模的方法。所述齿轮 锻件锻模用于生产图1(b)所示的齿轮锻件。该齿轮锻件是典型的短轴类锻件，由轮毂、 辐板和轮缘三部分组成，根据齿轮锻件轮毂和轮缘的直径和高度确定三阶非均匀有理 B样条曲线的型值点，通过该型值点建立三阶非均匀有理B样条曲线。

本实施例所述的齿轮锻件锻模包括终锻模膛和成形镦粗模膛。具体的设计过程包 括以下步骤：

步骤1设计终锻模膛。按照锻压手册中关于终锻模膛的设计方法，根据齿轮锻件 设计终锻模膛。

步骤2，所述确定齿轮锻件的特征点是根据图1(b)所示齿轮锻件的尺寸形状，确 定代表齿轮锻件轴对称基本形状的特征点K₁、K₂、K₃、K₄在齿轮锻件剖面上的位置，并 以各特征点作为设计齿轮锻件成形镦粗模膛三阶非均匀有理B样条曲线的依据，并且 所述齿轮锻件上的特征点K₁、K₂、K₃、K₄轴对称。所述的K₁特征点位于锻件连皮上表面 中心处，并与该锻件的轴线重合；所述K₂特征点位于齿轮锻件轮毂内侧最高点；所述 K₃特征点位于齿轮锻件轮毂外侧最高点；所述K₄特征点位于齿轮锻件轮缘外侧最高点。

步骤3，设计成形镦粗模膛。采用三阶非均匀有理B样条设计成形镦粗模膛。其 具体过程是：确定如图1(a)所示的成形镦粗模膛的轮廓形状，所述成形镦粗模膛的轮 廓剖面形状为曲线，其中，曲线段P₁～P₅代表成形镦粗模膛在齿轮锻模上模1的轮廓 形状，直线段P₆～P₇代表成形镦粗模膛在齿轮锻模下模2的轮廓形状。曲线段P₁～P₄是三阶非均匀有理B样条曲线，P₄～P₅是直线段，三阶非均匀有理B样条曲线P₁～P₄段和直线段P₄～P₅在点P₄处相切。

确定成形镦粗模膛轮廓剖面形状的坐标系原点О位于成形镦粗模膛对称轴线与下 模2的上表面的交点P₆处。

P₁点的位置与所述K₁点相对应，位于成形镦粗模膛对称轴线上，该P₁点的坐标为 X₁，Y₁；其中X₁＝0，Y₁=1/3×h₂±2mm，所述的h₂为轮毂的高度。

P₂点的位置与所述K₂点相对应。P₂点的坐标为X₂，Y₂,其中X₂，Y₂分别对应轮毂的 内径和轮毂高度；其中X₂=1/2×d₁-(1～4)mm，Y₂=2/3×h₂±3mm。所述的d₁为轮毂的 内径。P₃点的位置与所述K₃点相对应。P₃点的坐标为X₃，Y₃,其中X₃，Y₃分别对应轮毂 的外径和高度；其中X₃=1/2×d₂+(10～14)mm，Y₃=2/3×h₂±3mm。所述的d₂为轮毂的外 径。

P₄点的位置与所述K₄点相对应。P₄点的坐标为X₄，Y₄,其中X₄，Y₄分别对应轮缘 的外径和高度；其中X₄=1/2×d₃+(8～12)mm，Y₄=2/3×h₁+(2～4)mm。所述的d₃为齿轮 锻件轮缘的外径。

P₅点位于直线上。P₅点的坐标为X₅，Y₅；其中X₅＝X₄+(20～24)mm，Y₅=Y₄。

P₆点位于坐标系原点О。P₆点的坐标为X₆=0，Y₆=0mm。

P₇点位于直线上。P₇点的坐标为X₇=X₅，Y₇=0。

本实施例中，d₁=58.8mm,d₂=100.6mm,d₃=208.3mm,h₁=36.5mm,h₂=60mm。

根据所述各坐标点的计算公式，确定各点的坐标如下：

P₁点位于对称轴线上。P₁坐标点为X₁＝0，Y₁=21mm。

P₂点坐标为X₂=26mm，Y₂=40mm，P₃点坐标为X₃=62mm，Y₃=40mm。

P₄点坐标为X₄=114mm，Y₄=28mm。

P₅点位于直线端点，其坐标为X₅=134mm，Y₅＝28mm。

P₆点位于坐标原点，其坐标为X₆=0，Y₆=0。

P₇点位于直线端点，其坐标为X₇=134mm，Y₇=0。

至此，完成了本实施例的成形镦粗模膛的设计。