目前商用車差速器齒輪普遍采用熱精鍛或溫精鍛工藝生產(chǎn)。在生產(chǎn)中為了保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，目前采用更多的是精鍛后再對齒形進行冷精整。差速器齒輪在熱精鍛和冷精整后還需以輪齒定位機加工安裝基準(zhǔn)及其他特征。在差速器齒輪生產(chǎn)中容易出現(xiàn)熱精鍛模具壽命低、冷精整模具精度低以及后續(xù)機加工精度低的問題。針對上述問題，通過優(yōu)化差速器齒輪結(jié)構(gòu)、選取高壽命的熱精鍛模具材料、開發(fā)冷精整模具硬銑削工藝以及創(chuàng)新開發(fā)機加工定位夾具等措施，達到提高差速器齒輪精度和降低鍛造成本的目的。

　　一、差速器齒輪設(shè)計優(yōu)化

　　差速器齒輪設(shè)計優(yōu)化主要包括差速器齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化和齒形優(yōu)化兩部分內(nèi)容。

　　齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

　　冷精鍛成形與機械切削加工的直齒錐齒輪相比，可以充分發(fā)揮精鍛成形工藝的特點，在產(chǎn)品形狀和結(jié)構(gòu)上可以改進設(shè)計，如齒間可以設(shè)計成后端面封閉的結(jié)構(gòu)，這樣可大大提高齒輪的抗疲勞強度，前端面可將以往機加工結(jié)構(gòu)相配的零件合并設(shè)計成一個整體結(jié)構(gòu)。

　　差速器齒輪是典型的直齒錐齒輪，如圖1所示，國內(nèi)某差速器半軸齒輪采用無背錐、齒間有連皮的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的差速器齒輪鍛造工藝性好，熱鍛模具壽命高，熱鍛齒輪質(zhì)量好。

　　如圖2所示，另一種差速器半軸齒輪采用有背錐、齒間無連皮的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的差速器齒輪鍛造工藝性差，熱鍛模具壽命短，熱鍛齒輪質(zhì)量不容易保證。

　　為了提高有背錐無連皮差速器齒輪的鍛造工藝性，在差速器齒輪的齒間設(shè)計局部小連皮，如圖3所示，經(jīng)過有限元分析確定齒間連皮能夠有效減小差速器齒輪齒根彎曲應(yīng)力。經(jīng)過鍛造試驗驗證，帶小連皮結(jié)構(gòu)的差速器齒輪鍛造工藝性明顯改善，熱鍛齒輪的表面質(zhì)量和精度明顯提高。適當(dāng)減小差速器齒輪外徑尺寸，也能夠提高差速器齒輪的鍛造工藝性，對提高熱鍛齒輪質(zhì)量有好處。

　　齒形優(yōu)化設(shè)計

　　差速器齒輪的齒形設(shè)計是基礎(chǔ)，十分重要，因此必須保證差速器齒輪三維造型設(shè)計正確，通?？梢允褂脭?shù)控銑床加工差速器齒輪樣件并使用齒輪測量機檢測差速器齒輪的齒形設(shè)計是否正確。

　　差速器齒輪接觸區(qū)可以按照DIN 3965進行設(shè)計，如圖4 所示。在差速器齒輪接觸區(qū)設(shè)計中常常給出鼓形值，比如商用車差速器齒輪的鼓形值為0.05~0.06mm。采用在理論齒面上增高設(shè)計鼓形齒的方法是不正確的，這種設(shè)計方法違背了直齒錐齒輪齒面設(shè)計原理，因為差速器齒輪的理論齒面是由節(jié)錐點與大端齒廓形成的直紋面。因此在理論齒面三維設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用把鼓形區(qū)的周邊修低的設(shè)計方法更為合理，經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，采用這種方法設(shè)計差速器齒輪接觸區(qū)是正確的。

　　在齒形方向上對靠近齒頂?shù)凝X廓修形可以有效降低輪齒嚙入嚙出的噪聲，但修形量不宜過大，因為齒廓修形過大會造成齒輪異常嚙合。在一對差速器齒輪中可以只對兩個齒輪靠近齒頂?shù)凝X廓修形，而不需要對靠近齒根的齒廓修形。

　　有根切的差速器齒輪的輪齒彎曲強度低，鍛造工藝性差。在有根切的差速器齒輪設(shè)計中，為了增大齒根強度，在保證不發(fā)生干涉的前提下，除了加大齒根圓角半徑以外，可以在差速器齒輪的齒形設(shè)計中對靠近齒根的齒廓進行優(yōu)化設(shè)計，即在靠近齒根不嚙合的齒廓位置，使用直線等線型代替漸開線，增大根切處的齒厚。除此之外，在差速器行星齒輪設(shè)計中，應(yīng)該盡量選用較多的齒數(shù)，適當(dāng)加大根錐角，或者選用較大壓力角，都可以有效減小行星齒輪根切。

　　二、優(yōu)選高壽命熱鍛模具材料

　　在差速器齒輪生產(chǎn)中通常選用H13作為熱鍛模具材料，熱鍛模具壽命一般為2000件左右，因熱鍛模具壽命低造成熱鍛模具成本居高不下，而且熱鍛齒輪質(zhì)量差，影響后續(xù)冷精整工序的齒輪精度。在不更改現(xiàn)有差速器齒輪鍛造工藝的前提下，只有選取合適的熱鍛模具材料，才能提高熱鍛模具壽命。高壽命的熱鍛模具材料需要具備高溫強度高、紅硬性高、沖擊韌性好等優(yōu)點，最終選擇大治特鋼和撫順特鋼的兩種熱鍛模具材料各四塊模具進行生產(chǎn)驗證。

　　試驗結(jié)果表明，大冶特鋼熱鍛模具材料的模具壽命達 6000件，撫順特鋼熱鍛模具材料的模具壽命達8000件，與H13相比，兩種新材料熱鍛模具的壽命提高2~3倍，雖然單塊 熱鍛模具成本有所提高，但單個鍛件的熱鍛模具成本大幅降低。

　　三、冷精整模具硬銑削工藝開發(fā)

　　冷精整模具的加工精度對冷精整齒輪的精度影響較大，采用電火花加工的冷精整模具齒形精度往往都要達到DIN7~8級，冷精整齒輪的精度為DIN8~9級，因差速器齒輪鍛后機加工和熱處理使成品齒輪精度進一步降低，成品齒輪的精度為DIN9～10級，無法完全滿足產(chǎn)品圖紙要求的DIN 9級。電火花加工的冷精整模具的表面粗糙度為 Ra1.6~3.2，因冷精整模具的表面粗糙度不夠好導(dǎo)致冷精整力過大，降低冷精整模具壽命至1萬件左右。

　　提高冷精整模具的加工精度是提高冷精整齒輪精度的最有效措施，而采用硬銑削工藝加工冷精整模具能夠大幅提高冷精整模具精度。由于冷精整模具硬度通常為HRC58-60，銑削難度大，在開發(fā)冷精整模具硬銑削工藝過程中遇到的最大困難是銑刀磨損過快，壽命低。銑刀壽命低的原因有兩個，一個原因是沒有選到合適的銑刀，另一個原因是銑削編程不合理導(dǎo)致銑刀在模具齒根處有異常沖擊。在試用過多個品牌的銑刀后，最終優(yōu)選出一種高壽命的銑刀，并對銑削程序和刀具切削參數(shù)進行優(yōu)化，保證精加工刀具在模具齒根處有較小的銑削量從而避免異常沖擊，并處于最佳的銑削狀態(tài)。

　　使用上述一把高壽命銑刀可以精加工兩塊冷精整模具，并保證高的加工精度?，F(xiàn)生產(chǎn)硬銑削的行星齒輪冷精整模具如圖5所示，齒形精度可達DIN5~6級，冷精整齒輪精度為DIN6~7級，成品齒輪精度為DIN7~9級，完全達到產(chǎn)品圖紙要求。硬銑冷精整模具齒面粗糙度達到Ra0.4，模具壽命大幅提高，達8萬件。

　　四、差速器齒輪機加工定位夾具優(yōu)化設(shè)計

　　在差速器齒輪生產(chǎn)過程中，輪齒精鍛完成后，需要以輪齒定位加工其他安裝基準(zhǔn)及其他特征。差速器齒輪機加工定位精度直接影響差速器齒輪安裝基準(zhǔn)的加工精度，并決定差速器齒輪輪齒相對于安裝基準(zhǔn)的形位公差的大小，最終影響差速器齒輪的使用性能，因此差速器齒輪機加工定位夾具設(shè)計十分重要，目前使用比較多的是采用鋼珠定位或是漸開線齒面定位，采用鋼珠定位時因鋼珠與齒面接觸面積小存在定位不足的問題，采用漸開線齒面定位時因接觸面積較大存在過定位的問題，以上兩種夾具定位精度不高。因此需要設(shè)計一種新型夾具，避免鋼球定位夾具和漸開線齒面定位夾具的不足。如圖6所示，新型定位夾具采用平面齒結(jié)構(gòu)，采用線接觸定位方式。使用新型夾具定位差速器齒輪時，差速器齒輪每個輪齒都與夾具的相應(yīng)齒槽平面線接觸。生產(chǎn)實踐證明，該種夾具的定位精度高，能夠滿足精鍛齒輪安裝基準(zhǔn)的高精度機加工要求。該種結(jié)構(gòu)的夾具已申請實用新型專利。

　　五、結(jié)論

　　由于差速器齒輪結(jié)構(gòu)影響差速器齒輪的鍛造工藝性和制造質(zhì)量，因此必須對差速器齒輪結(jié)構(gòu)和齒形進行優(yōu)化設(shè)計。在差速器齒輪制造中涉及精鍛、機加工以及熱處理工藝，通過提高熱鍛齒輪模具壽命和使用硬銑削工藝加工冷精整模具，能夠大幅提高差速器齒輪成品精度，降低鍛造模具成本，通過設(shè)計并使用平面齒結(jié)構(gòu)的定位夾具，保證了差速器齒輪后續(xù)機加工精度。上述技術(shù)在現(xiàn)生產(chǎn)中都得到了推廣應(yīng)用，差速器齒輪制造質(zhì)量顯著提高，并取得了良好的經(jīng)濟效益。