編者按：

　　各位粉絲朋友們，歡迎閱讀本期小編推送的《齒輪精密塑性成形理論技術(shù)裝備研究與應(yīng)用》文章。文章主要介紹了齒輪精密成形典型裝備及產(chǎn)線和齒輪無(wú)切削擺輾精密成形和鍛造精密成形應(yīng)用情況。為高性能齒輪無(wú)切削成形制造技術(shù)裝備研究與應(yīng)用提供了參考。

　　齒輪精密塑性成形制造技術(shù)具有節(jié)能、節(jié)材、高效和優(yōu)質(zhì)等特點(diǎn), 是高性能齒輪技術(shù)發(fā)展方向。

　　本篇文章因篇幅較長(zhǎng)，特安排兩期推送。

　　本期推出：齒輪精密塑性成形理論技術(shù)裝備研究與應(yīng)用(一)

　　齒輪是傳動(dòng)系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)件, 被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車(chē)、航空航天裝備等領(lǐng)域。齒輪傳統(tǒng)制造技術(shù)為切削加工, 其材料利用率低、加工周期長(zhǎng), 特別是金屬流線切斷, 損害齒輪性能, 無(wú)法滿(mǎn)足高端裝備發(fā)展需求。齒輪精密塑性成形制造技術(shù)具有節(jié)能、節(jié)材、高效和優(yōu)質(zhì)等特點(diǎn), 是高性能齒輪技術(shù)發(fā)展方向。闡述了齒輪精密塑性成形理論方法, 分析了國(guó)內(nèi)外圓錐直齒輪、圓柱直齒輪和圓柱螺旋/ 斜齒輪精密成形技術(shù)特點(diǎn); 介紹了齒輪精密成形典型裝備及產(chǎn)線, 總結(jié)了齒輪無(wú)切削擺輾精密成形和鍛造精密成形應(yīng)用情況。此外, 展示了圓錐螺旋齒輪多自由度包絡(luò)成形和非圓齒輪鍛造成形新方法, 為高性能齒輪無(wú)切削成形制造技術(shù)裝備研究與應(yīng)用提供了參考。

　　齒輪是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的核心基礎(chǔ)件, 在航空、航天、高鐵、風(fēng)電和汽車(chē)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用, 齒輪性能直接決定了高端裝備的運(yùn)行性能、服役壽命、安全性和可靠性。根據(jù)齒輪節(jié)曲面結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 齒輪可以分為圓齒輪和非圓齒輪。圓齒輪的節(jié)曲面是旋轉(zhuǎn)曲面, 包括圓錐直齒輪、圓柱直齒輪、圓柱螺旋/ 斜齒輪和圓錐螺旋齒輪等。非圓齒輪的節(jié)曲面是非旋轉(zhuǎn)曲面, 包括非圓柱直齒輪、非圓錐直齒輪和非圓錐螺旋齒輪等。目前, 齒輪制造方法主要有切削加工和精密塑性成形兩大類(lèi)。齒輪切削加工方法是將齒輪毛坯通過(guò)插齒、銑齒、刨齒、滾齒、磨齒和珩齒等切削加工工藝獲得齒形, 切削加工切斷了齒形部分金屬纖維, 導(dǎo)致加工齒輪金屬流線不連續(xù), 損害了齒輪機(jī)械性能, 嚴(yán)重影響了齒輪服役壽命。此外, 切削加工齒輪還存在材料利用率低、生產(chǎn)效率低、制造周期長(zhǎng)以及制造成本高等問(wèn)題。

　　齒輪精密塑性成形是將齒輪毛坯通過(guò)設(shè)計(jì)帶齒形的模具在壓力機(jī)的作用下, 使材料發(fā)生塑性變形充填齒形型腔獲得齒形, 而齒面不需切削加工或僅需少許磨削精加工即可進(jìn)行使用的齒輪先進(jìn)制造技術(shù), 是一種凈成形或近凈成形制造方法。齒輪精密塑性成形技術(shù)不但具有節(jié)材、節(jié)能、低成本及高效率等顯著優(yōu)勢(shì), 而且有助于在齒輪內(nèi)部形成致密、均勻的材料組織, 金屬流線沿齒形輪廓連續(xù)合理分布, 顯著提高齒輪的耐磨損、抗腐蝕能力及根部的彎曲強(qiáng)度, 大幅提升齒輪的疲勞性能, 是高性能齒輪抗疲勞制造技術(shù)的發(fā)展方向。齒輪精密塑性成形技術(shù)主要有精鍛、擺輾、擠壓、滾壓和精沖等。我國(guó)齒輪精鍛技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代, 目前已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、農(nóng)機(jī)及工程機(jī)械等齒輪制造。20 世紀(jì) 70 年代, 武漢理工大學(xué)與武鋼粉末冶金公司合作用粉末冶金精密熱鍛成形了世界最大重量 25 kg 軋鋼機(jī)滾道圓錐直齒輪; 上海汽車(chē)齒輪廠用熱精鍛成形汽車(chē)差速器圓錐直齒輪。20 世紀(jì) 80 年代, 山東工業(yè)大學(xué)與青島精鍛齒輪廠合作開(kāi)發(fā)了錐齒輪熱精鍛工藝。20 世紀(jì) 90 年代, 隨著汽車(chē)工業(yè)發(fā)展, 對(duì)汽車(chē)齒輪的高強(qiáng)輕質(zhì)要求越來(lái)越高。武漢理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了圓錐直齒輪冷擺輾精密成形技術(shù), 用于乘用車(chē)行星齒輪、半軸齒輪及結(jié)合齒輪等生產(chǎn), 齒形精度達(dá)到 6~ 7 級(jí), 取消了齒形后續(xù)磨削加工, 首次實(shí)現(xiàn)了齒形無(wú)切削成形制造, 生產(chǎn)效率達(dá)到每分鐘 6 ~ 10 件, 大幅度提高了齒輪疲勞壽命和生產(chǎn)效率。進(jìn)一步, 武漢理工大學(xué)、華中科技大學(xué)與江蘇太平洋精鍛科技公司等合作, 將齒輪冷擺輾技術(shù)擴(kuò)展到熱精鍛, 進(jìn)而發(fā)展了熱精鍛+冷擺輾等齒輪復(fù)合精密成形技術(shù), 并開(kāi)發(fā)了系列齒輪精密成形自動(dòng)化產(chǎn)線。21 世紀(jì)初, 武漢理工大學(xué)在非圓錐直齒輪設(shè)計(jì)、成形制造和精度控制等方面進(jìn)行了深入研究, 取得了重要進(jìn)展。近年來(lái), 武漢理工大學(xué)針對(duì)難變形材料航空齒輪精密成形, 發(fā)明了多自由度包絡(luò)成形新方法, 實(shí)現(xiàn)了航空?qǐng)A錐螺旋齒輪和面齒輪包絡(luò)精密成形。

　　隨著我國(guó)航空航天、國(guó)防武器裝備發(fā)展, 對(duì)齒輪傳動(dòng)性能提出了更高要求, 因此迫切需要發(fā)展高性能長(zhǎng)壽命齒輪精密成形制造技術(shù)。本文從齒輪精密塑性成形理論、技術(shù)、裝備與應(yīng)用等方面進(jìn)行總結(jié), 為高性能齒輪精密塑性成形制造研究與應(yīng)用發(fā)展提供了參考。

　　一、齒輪精密塑性成形理論

　　齒輪精密塑性成形理論研究主要有采用塑性力學(xué)解析法分析速度場(chǎng)和成形載荷、采用剛塑性/ 剛粘塑性有限元法研究齒輪宏微觀變形規(guī)律和工藝參數(shù)優(yōu)化、采用彈塑性有限元法研究齒形成形精度影響規(guī)律和控制方法等。

　　齒輪成形塑性力學(xué)解析法

　　成形載荷可以用來(lái)確定模具材料、設(shè)備噸位等參數(shù), 是齒輪塑性成形重要的力能參數(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)圓柱齒輪精鍛成形工藝特點(diǎn), 基于簡(jiǎn)化漸開(kāi)線齒輪形狀, 采用上限法、滑移線法及主應(yīng)力法等塑性力學(xué)解析方法建立齒輪塑性成形載荷預(yù)測(cè)方法。圖 1 所示為圓柱螺旋/ 斜齒輪閉式鍛造中使用上限法對(duì)塑性變形區(qū)進(jìn)行分區(qū)求解其成形載荷。雖然通過(guò)解析法從理論上可以預(yù)測(cè)齒輪精密塑性成形載荷, 但由于齒輪塑性成形過(guò)程復(fù)雜, 理論計(jì)算過(guò)程復(fù)雜, 工業(yè)應(yīng)用不便。

　　齒輪成形有限元法

　　金屬塑性成形有限元法根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系不同可分為彈塑性有限元法和剛塑性/ 剛粘塑性有限元法。彈塑性有限元法適用于同時(shí)考慮彈性變形和塑性變形的成形工藝; 剛塑性/ 剛粘塑性有限元法適用于可忽略彈性變形的成形工藝。近 30 年來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 學(xué)者們廣泛采用剛塑性/ 剛粘塑性、彈塑性有限元法模擬齒輪精密塑性成形過(guò)程,揭示其宏微觀變形規(guī)律、成形機(jī)理、溫度場(chǎng)分布和力能參數(shù)變化等。

　　在齒輪精密塑性成形技術(shù)中, 如齒輪鍛造成形、滾壓成形、擠壓成形和擺輾成形等, 在成形時(shí)金屬材料產(chǎn)生較大的塑性變形, 而彈性變形極小, 可忽略不計(jì), 因此將變形材料視為剛塑性材料或剛粘塑性材料。齒輪剛塑性有限元法可用來(lái)模擬剛塑性硬化材料的齒輪精密塑性成形過(guò)程, 如通過(guò)建立齒輪冷成形剛塑性有限元模型, 模擬齒輪冷鍛過(guò)程分析齒輪變形特點(diǎn)和變形規(guī)律等。齒輪剛粘塑性有限元法適用于模擬剛粘塑性材料齒輪精密塑性成形過(guò)程, 并且可以進(jìn)行變形與傳熱的熱力耦合分析, 如通過(guò)建立齒輪熱成形剛粘塑性有限元模型可以研究齒形充填特點(diǎn)、溫度場(chǎng)分布、變形和傳熱的耦合效應(yīng)等。

　　彈塑性有限元理論同時(shí)考慮變形零件的彈性變形和塑性變形, 彈性區(qū)采用虎克定律, 塑性區(qū)采用 Prandte-Reuss 方程和 Mises 屈服準(zhǔn)則。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模具彈性變形和成形齒輪的彈性回復(fù)過(guò)程, 提高齒輪成形精度, 需要使用彈塑性理論。即在模擬齒輪塑性成形過(guò)程中, 將坯料定義為彈塑性體, 模具定義為彈性體, 并進(jìn)行數(shù)值模擬分析, 不但可以揭示齒輪塑性變形特點(diǎn), 而且可以表征齒輪彈性回復(fù)和模具彈性變形對(duì)成形齒輪精度的影響程度。

　　1.材料本構(gòu)關(guān)系確定

　　利用單向室溫拉伸實(shí)驗(yàn)和高溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)得到材料真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線, 然后通過(guò)擬合方法得到齒輪本構(gòu)方程, 圖 2 所示分別為齒輪鋼 20CrMnTi 利用 Zwick Z100 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和 Gleeble-3500 熱壓縮模擬機(jī)得到的室溫和高溫真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線。從圖 2a 可知, 20CrMnTi齒輪材料在室溫下真實(shí)應(yīng)力隨真實(shí)應(yīng)變的增大而增大; 從圖 2b 可知, 20CrMnTi 齒輪材料在應(yīng)變速 率為 0. 01 s ^-1 時(shí), 其高溫變形真實(shí)應(yīng)力隨著真實(shí)應(yīng)變的增大先增大到峰值然后減小隨后趨于穩(wěn)定, 且溫度越高, 其真實(shí)應(yīng)力越小。

　　2.有限元網(wǎng)格模型建立

　　網(wǎng)格劃分是對(duì)幾何模型進(jìn)行離散化處理, 是有限元前處理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié), 合理的網(wǎng)格劃分能夠保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。齒輪形狀復(fù)雜, 增加網(wǎng)格單元數(shù)量可以更好地描述齒輪表面, 增加模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性, 但是隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加, 會(huì)花費(fèi)大量的模擬時(shí)間; 而網(wǎng)格單元數(shù)太少, 一方面會(huì)導(dǎo)致最終成形的零件的形狀很差, 另一方面會(huì)由于網(wǎng)格畸變而導(dǎo)致計(jì)算失敗, 因此需要合理劃分齒輪網(wǎng)格數(shù)量。如圖 3a~圖 3c 所示, 均勻劃分網(wǎng)格時(shí), 隨著網(wǎng)格數(shù)量增多, 齒形模擬成形的質(zhì)量較好, 但是齒輪精密塑性成形時(shí), 齒形部分是塑性變形的大變形區(qū)也是齒輪成形過(guò)程中重點(diǎn)研究的區(qū)域, 而中間部分材料的變形很小且近似于作剛性移動(dòng)。因此, 可采用局部細(xì)化網(wǎng)格的方法, 對(duì)齒形部分劃分較密的網(wǎng)格, 而對(duì)中間變形較小的坯料設(shè)置較稀疏的網(wǎng)格, 如圖 3d 所示。

　　3.邊界條件處理

　　摩擦邊界條件：在齒輪塑性成形過(guò)程中, 變形坯料與模具型腔之間會(huì)產(chǎn)生摩擦, 摩擦?xí)绊懡饘俚牧鲃?dòng), 進(jìn)而對(duì)工件的成形質(zhì)量、成形載荷及模具壽命等造成影響。因此, 在齒輪塑性成形有限元模擬中, 需要正確處理邊摩擦界條件, 選擇合理的摩擦模型。目前, 工程中最常用的摩擦模型是剪切摩擦模型和庫(kù)侖摩擦模型。庫(kù)倫摩擦模型不考慮接觸面上的粘合現(xiàn)象, 認(rèn)為接觸面上的摩擦力與接觸面上的正壓力成正比, 一般適用于描述板成形中的摩擦條件。剪切摩擦模型認(rèn)為剪切摩擦力由剪切屈服應(yīng)力 k 和摩擦因數(shù) m 所確定, 常適用于描述體積成形中的摩擦條件。齒輪精密成形屬于大變形過(guò)程, 常采用剪切摩擦條件來(lái)處理毛坯與模具間的摩擦邊界, 摩擦因數(shù)根據(jù)所采用的潤(rùn)滑劑不同而取不同的值。坯料與模具之間的接觸界面設(shè)置成剛體-柔體的接觸類(lèi)型, 即將模具定義為剛體, 將坯料定義為柔體。齒輪冷成形、溫成形和熱成形通常取摩擦因數(shù)分別為 0. 12、 0. 25 和 0. 30。

　　傳熱邊界條件：在齒輪熱變形和溫變形過(guò)程中, 模具與坯料之間由于存在溫度梯度, 所以存在熱量傳輸, 即坯料通過(guò)接觸面以對(duì)流或熱傳導(dǎo)的方式向模具傳熱。另外, 由于模具與坯料溫度與周?chē)h(huán)境溫度之間也存在差異, 因此, 坯料與模具和周?chē)h(huán)境之間也會(huì)以輻射的形式進(jìn)行換熱。同時(shí), 由于模具與坯料的接觸面上存在相對(duì)滑動(dòng), 因此還存在摩擦生熱。為了準(zhǔn)確地利用有限元方法分析齒輪溫成形過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化, 必須事先定義坯料、模具初始溫度以及各種材料的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和輻射換熱系數(shù)等, 以便齒輪熱成形過(guò)程中坯料和模具的熱量傳遞可以通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和熱輻射等傳熱理論公式進(jìn)行計(jì)算。

　　4.齒輪成形有限元模型建立

　　在確定了齒輪材料模型和邊界條件模型后, 選擇塑性成形模擬軟件 (如 DEFROM-3D、Abaquas、Simufact 等軟件) 建立齒輪成形的有限元模型。若研究齒輪冷成形工藝 , 則需建立室溫材料硬化模型; 或者在軟件材料庫(kù)中選擇相應(yīng)的材料模型, 導(dǎo)入坯料和模具幾何模型, 劃分坯料網(wǎng)格, 將坯料定義為變形體, 模具定義為剛體, 定義模具初始速度場(chǎng)和摩擦邊界條件, 建立齒輪剛塑性有限元模型。若進(jìn)行齒輪溫成形或者熱成形分析, 則需要導(dǎo)入高溫材料粘塑性模型或者在軟件材料庫(kù)中選擇相應(yīng)的材料模型, 且還需要定義傳熱邊界條件, 建立齒輪剛粘塑性有限元模型或者變形-傳熱耦合的有限元模型。若研究齒輪成形精度, 則需建立彈塑性有限元模型來(lái)分析齒輪成形過(guò)程中的成形齒輪或者模具彈性變形行為。

　　武漢理工大學(xué)華林教授團(tuán)隊(duì)提出用齒面綜合偏差來(lái)評(píng)價(jià)圓錐直齒輪冷擺輾變形齒形精度, 通過(guò)建立圓錐直齒輪冷擺輾變形彈塑性有限元模型, 分析得到圓錐直齒輪冷擺輾成形過(guò)程中齒形凹模受載產(chǎn)生的彈性變形以及成形齒輪回彈變形的分布, 如圖 4 所示。根據(jù)圓錐齒輪冷擺輾變形過(guò)程中影響齒形精度的因素, 結(jié)合彈塑性有限元理論揭示圓錐直齒輪冷擺輾模具加工精度-模具彈性變形-齒輪成形精度之間的傳遞規(guī)律, 從而建立了圓錐直齒輪冷擺輾成形精度預(yù)測(cè)模型, 如式 (1) 所示; 還提出了基于模具加工-模具預(yù)緊-冷擺輾工藝參數(shù)協(xié)同調(diào)控的直齒錐齒輪冷擺輾成形精度控制新方法, 如圖 5 所示。

　　式中: Δ₁ 、Δ₂ 、Δ₃ 和 Δ₄ 分別為模具加工偏差、模具磨損偏差、模具受載變形偏差和齒輪回彈變形偏差; ?₁、?₂ 、?₃ 和 ?₄ 分別為模具加工偏差、模具磨損偏差、模具受載變形和齒輪回彈變形的系數(shù); P₀ (x₀ , y₀ , z₀ ) 為模具偏差修正前的齒面點(diǎn)坐標(biāo); P(x, y, z) 為模具偏差修正后的齒面點(diǎn)坐標(biāo); n 為齒面法向量; F_PL 為模具預(yù)緊力; k₀ 為初始預(yù)緊力; k₁ 、k₂ 和 k₃ 為預(yù)緊力相關(guān)的系數(shù); m 為鍛造次數(shù)。

　　二、齒輪精密塑性成形技術(shù)

　　齒輪精密塑性成形技術(shù)按照成形溫度不同可以分為熱精鍛、冷精鍛、溫精鍛和復(fù)合精鍛等。根據(jù)不同類(lèi)型齒輪齒形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同, 國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面針對(duì)各種類(lèi)型的齒輪進(jìn)行了大量的研究, 開(kāi)發(fā)了多種齒輪精密塑性成形技術(shù), 主要有閉式鍛造、分流鍛造、浮動(dòng)凹模鍛造、擠壓成形、擺輾成形、滾壓成形以及各種成形技術(shù)組合的復(fù)合成形技術(shù)等, 如圖 6 所示。

　　閉式鍛造是在上凸模軸向力作用下, 使金屬坯料在齒形凹模型腔內(nèi)發(fā)生鐓粗變形, 徑向流動(dòng)逐步充滿(mǎn)齒形型腔。KONDO K 和 OHGA K首先提出, 分流鍛造是在金屬坯料上開(kāi)設(shè)分流孔, 使得金屬材料在向齒形流動(dòng)的同時(shí)也向分流孔流動(dòng), 從而避免了齒形充滿(mǎn)時(shí)成形力陡增的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上, 國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)發(fā)了約束分流、向內(nèi)分流等分流方法。浮動(dòng)凹模鍛造是在凹模下面設(shè)置諸如彈簧一類(lèi)的彈性元件, 成形時(shí)凹?？膳c凸模一起向下運(yùn)動(dòng), 坯料與凹模間的摩擦力轉(zhuǎn)變成了促使金屬流動(dòng)的有效動(dòng)力, 解決了固定凹模成形時(shí)齒輪下端齒部充填困難的問(wèn)題, 從而提高了齒輪下端角隅充填質(zhì)量。齒輪擠壓成形是利用實(shí)心或空心圓柱體坯料在擠壓凸模的作用下, 沿金屬凹模齒形線的方向擠出, 從而獲得所需要的齒輪。擺輾成形利用圍繞機(jī)器主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓錐形上模在工件上連續(xù)不斷地滾動(dòng)輾壓, 進(jìn)而連續(xù)對(duì)工件施加局部壓力使工件發(fā)生變形, 最后達(dá)到整體成形齒輪的目的。滾壓成形是利用一對(duì)或多對(duì)參數(shù)相同的滾壓齒輪以恒定的進(jìn)給速度徑向擠壓坯料, 產(chǎn)生摩擦力矩帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn), 使工件外圓產(chǎn)生塑性變形, 并逐漸擠入工件, 借助范成運(yùn)動(dòng)形成齒形。

　　圓錐直齒輪、圓柱直齒輪、圓柱螺旋/ 斜齒輪、圓錐螺旋齒輪和非圓錐直齒輪等不同的齒輪類(lèi)型齒形特點(diǎn)不同, 采用的精密塑性成形技術(shù)不同, 具體如表 1 所示。

　　齒輪熱精鍛成形技術(shù)

　　熱精鍛技術(shù)是將坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上, 在模具作用下坯料發(fā)生塑性變形填充型腔成形零件的技術(shù)。熱精鍛成形材料變形抗力低、塑性好, 容易成形比較復(fù)雜的工件。齒輪熱精鍛技術(shù)源于 20 世 紀(jì) 50 年代, 是由德國(guó)人最先開(kāi)始用閉式熱模鍛方法成形圓錐直齒輪。圓錐直齒輪是一種能夠傳遞相交軸間運(yùn)動(dòng)和扭矩的重要傳動(dòng)零件, 具有高效、穩(wěn)定及噪聲小等優(yōu)點(diǎn), 在汽車(chē)、機(jī)床等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于圓錐直齒輪齒形在背錐上, 相對(duì)于其他類(lèi)型齒輪成形好, 是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究最早、發(fā)展最快、最先實(shí)現(xiàn)塑性成形的一類(lèi)齒輪, 圖 7 所示為圓錐直齒輪精密塑性成形技術(shù)。

　　我國(guó)齒輪熱精鍛成形技術(shù)研究始于 20 世紀(jì) 70 年代, 從熱鍛圓錐直齒輪成形工藝、模具設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量的研究。為了保證齒形的充填, 齒輪熱精鍛技術(shù)一般需要預(yù)鍛、終鍛及切飛邊才能完成。直齒錐齒輪熱精鍛精度一般為 9~10 級(jí), 現(xiàn)已用于大批量生產(chǎn)載貨商用車(chē)、拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械及工程機(jī)械等行星錐齒輪、半軸錐齒輪。在此基礎(chǔ)上, 一些高校、研究院所、工廠企業(yè)還研究探索了圓柱直齒輪、圓柱螺旋/斜齒輪和圓錐螺旋齒輪熱精鍛成形技術(shù)。

　　由于圓柱直齒輪、圓柱螺旋/ 斜齒輪齒形在圓柱面上, 且在鍛造中金屬材料的塑性流動(dòng)方向垂直于其受力方向, 因此其齒形比錐齒輪更難形成, 而且閉式鍛造成形的最后階段存在成形力急劇增大、角隅難以充滿(mǎn)及模具壽命低等問(wèn)題, 尤其是圓柱螺旋/ 斜齒輪齒形呈螺旋形狀, 材料流動(dòng)更復(fù)雜, 因此圓柱直齒輪、圓柱螺旋/ 斜齒輪熱精鍛成形的應(yīng)用還存在較大困難。為了降低圓柱齒輪閉式模鍛最后階段成形載荷、改善金屬材料流動(dòng), 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者將分流減壓工藝和閉式鍛造工藝相結(jié)合的分流鍛造技術(shù)用于成形圓柱直齒輪、圓柱螺旋/ 斜齒輪, 即在坯料或者凸模上開(kāi)設(shè)分流孔, 在分流鍛造成形過(guò)程中, 坯料在充滿(mǎn)模膛的同時(shí), 部分坯料流向分流孔, 從而來(lái)改善材料的流動(dòng)、降低成形載荷。圖 8 所示為武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)的帶凸臺(tái)的凸模結(jié)構(gòu)在熱鍛成形時(shí)與坯料形成分流空腔的圓柱螺旋/ 斜齒輪分流- 擠壓熱鍛成形工藝圖。馮瑋等和秦飛研究了不同尺寸分流空腔對(duì)成形載荷、等效應(yīng)變分布的影響, 結(jié)果表明: 合理的分流腔設(shè)計(jì)可以有效減小成形載荷, 改善等效應(yīng)變分布的均勻性, 進(jìn)一步通過(guò)建立變形-傳熱-微觀組織耦合有限元模型, 揭示了圓柱螺旋/ 斜齒輪分流-擠壓宏微觀變形規(guī)律和耦合影響規(guī)律。

　　在齒輪熱精鍛成形過(guò)程中, 坯料表面強(qiáng)烈的氧化作用導(dǎo)致成形齒輪表面質(zhì)量和尺寸精度較低, 因此熱精鍛成形主要用于齒形精度要求較低的商用車(chē)、拖拉機(jī)、農(nóng)用車(chē)行星錐齒輪和半軸錐齒輪以及一些電動(dòng)工具圓錐螺旋齒輪的生產(chǎn)制造。對(duì)于齒形精度較高的乘用車(chē)齒輪, 熱精鍛還不能應(yīng)用于成形制造。

　　齒輪冷精鍛成形技術(shù)

　　冷精鍛成形是坯料在室溫下發(fā)生塑性變形, 填充型腔, 從而成形各種形狀零件的精密鍛造工藝。冷精鍛成形避免了高溫氧化、熱脹冷縮等幾何誤差, 其成形零件幾何精度高、表面質(zhì)量好, 是高性能高 精度乘用車(chē)齒輪特別是圓錐直齒輪的主要成形制造技術(shù)。乘用車(chē)錐齒輪冷精鍛成形技術(shù)主要有齒輪閉式冷精鍛成形和齒輪冷擺輾精密成形等。

　　齒輪閉式冷精鍛成形技術(shù)

　　齒輪閉式冷精鍛成形是坯料在室溫下在密閉模具型腔中發(fā)生塑性變形并充滿(mǎn)型腔。齒輪閉式冷精鍛成形技術(shù)一般分為制坯和成形兩工步, 工藝流程短, 成形精度高, 且金屬流線沿齒廓連續(xù)分布, 齒輪力學(xué)性能好。但是齒輪閉式冷精鍛成形工藝變形抗力大, 需要的設(shè)備噸位大, 而且齒形填充效果差。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)圓錐直齒輪、圓柱直齒輪和圓柱螺旋/ 斜齒輪冷鍛成形工藝中齒形填充過(guò)程、模具失效形式以及成形缺陷等方面進(jìn)行了大量探索研究。齒輪浮動(dòng)凹模鍛造技術(shù)是將凹模設(shè)計(jì)成浮動(dòng)運(yùn)動(dòng)的一種閉式冷精鍛工藝, 通過(guò)在凹模下面設(shè)置彈性元件, 在成形過(guò)程中凸模、凹模和坯料一起運(yùn)動(dòng), 將凹模和坯料之間產(chǎn)生的摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)坯料充填型腔的積極摩擦力來(lái)減小金屬流動(dòng)的摩擦阻力, 從而有效降低成形載荷和提高齒形填充效果。依據(jù)浮動(dòng)凹模原理, 可以通過(guò)調(diào)控凸模和凹模之間的相對(duì)速度來(lái)調(diào)整凹模和坯料之間的摩擦力的大小和方向, 進(jìn)而調(diào)控金屬流動(dòng)過(guò)程、成形載荷、齒形填充效果以及成形缺陷等。為了降低齒輪閉式冷精鍛成形載荷, 改善齒形充填效果, 一些學(xué)者采用分流鍛造技術(shù)成形圓柱直齒輪、圓柱斜齒輪。CHOI J C 等提出了內(nèi)腔分流成形圓柱直齒輪的方法來(lái)提高齒形的填充效果?？苁缜宓群?WANG G C 等分別提出了閉式鐓擠-約束孔分流兩步成形 法、閉式模鍛-向內(nèi)分流法和預(yù)鍛分流區(qū)-分流終鍛工藝成形直齒圓柱齒輪, 不但顯著降低了成形力, 而且明顯改善了齒形充填效果。FENG W 等通過(guò)設(shè)計(jì)不同分流孔徑的坯料, 實(shí)現(xiàn)了圓柱螺旋/ 斜齒輪冷精鍛成形, 圖 9 為不同分流孔徑下齒輪成形載荷變化曲線以及成形樣件。由于齒輪冷精鍛成形載荷大, 主要用于小模數(shù)汽車(chē)圓錐直齒輪成形制造。

　　未完待續(xù)

　　參考文獻(xiàn)略.