尹存宏

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550001)

齒輪的冷擠壓成形技術(shù)研究進(jìn)展

尹存宏

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550001)

隨著汽車(chē)生產(chǎn)的大規(guī)模化，高效率、高質(zhì)量、低污染、低成本的齒輪冷擠壓制造技術(shù)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專(zhuān)家的關(guān)注，有限元分析和上限法等理論依據(jù)越來(lái)越多地被應(yīng)用到齒輪冷擠壓成形的工藝改進(jìn)，閉式冷精鍛和分流冷擠壓成為直錐齒輪和圓柱直齒輪大批量生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝。從理論研究和工藝研究?jī)煞矫嬲撌隽似?chē)齒輪的冷擠壓成形技術(shù)研究現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了討論。

齒輪；冷擠壓；分流成形；閉式精鍛

0 引言

齒輪作為傳動(dòng)件大量應(yīng)用于汽車(chē)、船舶等機(jī)械工程領(lǐng)域，其中又以汽車(chē)齒輪品種最多、數(shù)量最大，大約占據(jù)了60%的市場(chǎng)份額。隨著我國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)的大規(guī)模化，傳統(tǒng)的齒輪切削加工工藝因加工效率低、零件壽命短、齒輪綜合性能差等諸多弊端亟待改進(jìn)，發(fā)展高效率、高質(zhì)量、低污染、低成本的齒輪制造工藝變得越來(lái)越重要。作為一種先進(jìn)的近凈成形技術(shù)，冷擠壓在齒輪制造領(lǐng)域的應(yīng)用，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專(zhuān)家越來(lái)越多的關(guān)注。直齒圓柱、圓錐齒輪和螺旋圓柱齒輪的冷擠壓工藝也越來(lái)越多地運(yùn)用于企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。我國(guó)直齒圓柱、圓錐齒輪的冷擠壓技術(shù)取得了飛速發(fā)展，而螺旋圓柱齒輪冷擠壓因成形難度大、脫模困難導(dǎo)致發(fā)展相對(duì)較緩。國(guó)外，諸如日本、德國(guó)、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，螺旋圓柱齒輪的冷擠壓己開(kāi)始進(jìn)入批量生產(chǎn)階段[1]。文中將從理論研究和工藝研究?jī)煞矫?，系統(tǒng)地介紹國(guó)內(nèi)外轎車(chē)齒輪冷擠壓技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 有限元法在齒輪冷擠壓中的應(yīng)用

利用有限元方法對(duì)冷擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析、比較和優(yōu)化，可以找出冷擠壓工藝的缺陷，加快模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)制造，使模具結(jié)構(gòu)更加合理，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。目前，常用的冷擠壓成形有限元數(shù)值模擬軟件有DEFORM、QFORM等。利用上述軟件模擬直齒圓柱齒輪冷擠壓工藝，不僅可以直接觀察到變形過(guò)程中的金屬流動(dòng)、牙齒填充情況，還可以獲得變形體內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變分布圖和載荷與行程關(guān)系曲線圖。有限元數(shù)值模擬具有較高的可靠性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均研究了采用該方法進(jìn)行齒輪冷擠壓分析出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的區(qū)別與聯(lián)系，如：吉林大學(xué)寇淑清等[2]首先采用DEFORM軟件對(duì)轎車(chē)差速器傘齒輪的冷擠壓過(guò)程作了對(duì)應(yīng)的有限元模擬，并分析了金屬的流動(dòng)情況和齒形填充缺陷情況，之后采用專(zhuān)用液壓模架進(jìn)行了冷擠壓工藝試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：有限元模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是一致的，驗(yàn)證了采用閉塞式冷鍛工藝加工轎車(chē)差速器傘齒輪是可行的；Miroslav Plancak等[3]通過(guò)模擬和試驗(yàn)對(duì)比手段總結(jié)出采用FE對(duì)漸開(kāi)線齒輪反向冷擠壓進(jìn)行工藝分析所得出的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致； Myeong-Sik Jeong等[4]使用Deform軟件對(duì)一種螺旋圓柱齒輪的冷擠壓工藝進(jìn)行了分析，分別對(duì)在40°、45°、50°、60°的入模角，0、0.1、0.12、0.2的摩擦因子，15%、40%、27%變形程度等情況下的設(shè)備載荷情況和輪齒充型情況作了對(duì)比分析，最終選擇最優(yōu)的參數(shù)進(jìn)行了冷擠壓方案制定和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：入模角為45°、摩擦因子為0.1、變形程度為27%時(shí)，輪齒充型飽滿，設(shè)備負(fù)載較小。

2 上限法在齒輪冷擠壓中的應(yīng)用

上限法求解簡(jiǎn)單，不用解大量復(fù)雜的偏微分方程，綜合了各影響因素，通過(guò)功率平衡來(lái)計(jì)算擠壓力等參數(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者都利用上限法對(duì)齒輪冷擠壓成形過(guò)程中擠壓力的影響因素進(jìn)行了分析，為制定合理的工藝和模具參數(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。如：江雄心等[5]依據(jù)上限法經(jīng)典理論對(duì)帶轂直齒圓柱齒輪的精鍛過(guò)程進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,并運(yùn)用得到的模型建立了動(dòng)可容速度場(chǎng)，得到了和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配的上限解；燕山大學(xué)李洪波等[6]利用上限法對(duì)直齒圓柱齒輪精鍛過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，獲得了成形過(guò)程中擠壓力分布情況和金屬填充齒廓過(guò)程中邊界形狀的變化規(guī)律；北京機(jī)電研究所尉喆等人[7]在沒(méi)有對(duì)齒形漸開(kāi)線進(jìn)行簡(jiǎn)化的情況下，用上限法對(duì)直齒圓柱齒輪的徑向冷擠壓進(jìn)行了分析,根據(jù)分析結(jié)果提出了一種動(dòng)可容速度場(chǎng),并運(yùn)用這種速度場(chǎng)計(jì)算分析了齒輪模數(shù)、齒數(shù)以及摩擦因數(shù)等對(duì)成形力的影響；河南科技大學(xué)陳拂曉等[8]利用上限法UBET模擬圓柱直齒輪徑向擠壓過(guò)程的變形力和金屬流動(dòng)規(guī)律,分析了工藝參數(shù)和模具幾何參數(shù)對(duì)變形過(guò)程中金屬流動(dòng)的影響；Grover等[9]將齒形輪廓線簡(jiǎn)化設(shè)定成梯形之后，利用上限法分析了模數(shù)、齒數(shù)等參數(shù)對(duì)成形力的影響，為直齒輪鍛造奠定了上限解基礎(chǔ)；Abdul 等[10]用上限法進(jìn)行了直齒圓柱齒輪精鍛的數(shù)值分析,論述了齒根圓直徑、齒數(shù)以及工件與模具之間的摩擦狀況等因素對(duì)金屬流動(dòng)和成形力的影響；Chitkara等[11]利用主應(yīng)力法和上限元法對(duì)直齒圓柱齒輪鍛造進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了不同齒形、不同高徑比的齒輪鍛造實(shí)驗(yàn),得到了有關(guān)變形力及齒形充填的一些結(jié)論。

3 齒輪冷擠壓成形工藝研究進(jìn)展

齒輪冷擠壓由于變形過(guò)程中溫度較低、金屬流動(dòng)性差導(dǎo)致成形壓力較大，齒形填充往往達(dá)不到理想要求。復(fù)雜的漸開(kāi)線齒形精度要求較高，如果一味加大載荷迫使金屬填充齒廓，將導(dǎo)致模具變形、磨損非常嚴(yán)重，甚至斷裂。因此，齒輪冷擠壓成形的難點(diǎn)就是要在保證齒形充填完整的情況下最大限度地降低成形壓力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)齒輪冷擠壓成形工藝均采用不同的方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括了閉式冷精鍛、分流成形兩種工藝。

3.1 閉式冷精鍛

閉式冷精鍛是對(duì)轎車(chē)齒輪如傳統(tǒng)的直錐齒輪或修形齒輪冷擠壓加工的一種理想加工工藝，該工藝是利用凸模在一個(gè)或幾個(gè)方向上對(duì)金屬施加壓力p2和p3，迫使金屬在封閉的型腔內(nèi)流動(dòng)并充滿齒腔。直錐齒輪冷精鍛示意圖如圖1所示,上沖頭和下沖頭分別以相同或者不同的速度，對(duì)凹模封閉型腔內(nèi)的金屬皮料施加壓力p2和p3，迫使金屬充滿型腔最終成形為齒輪。

針對(duì)直齒圓錐齒輪冷閉塞精鍛，寇淑清等[12]以差速器行星齒輪作為研究對(duì)象，對(duì)冷閉塞鍛造成形過(guò)程的模具曲面描述、接觸搜索、接觸約束、摩擦模型等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題作了相關(guān)處理。利用有限元模擬技術(shù)，分析了擠壓過(guò)程中變形瞬間狀態(tài)及力學(xué)量場(chǎng)，得到了齒形填充情況和成形缺陷情況的直觀表達(dá)圖，最后依據(jù)模擬采用的工藝參數(shù)進(jìn)行了行星齒輪的冷閉塞鍛造工藝實(shí)驗(yàn)，得到了滿足工作要求的齒輪成形件。另外，韓國(guó)J-H Song等[13]對(duì)汽車(chē)變速器錐齒輪的冷閉塞精鍛工藝進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬研究，對(duì)相關(guān)的工藝參數(shù)如壓制形式、凸模位置和坯料直徑進(jìn)行了對(duì)比分析和選擇，最終確定了最優(yōu)工藝，該工藝避免了充不足和折疊等缺陷，并且通過(guò)試驗(yàn)得到了具備完整齒形且無(wú)任何成形缺陷的錐齒輪件。但是，這個(gè)工藝，所涉及的凸模出現(xiàn)了破裂的現(xiàn)象，且冷擠壓件有一定的飛邊。因此，針對(duì)該工藝，需要對(duì)凹模固定模塊再次進(jìn)行修正以提高定位性和改善模具安全性。在閉式冷精鍛產(chǎn)品的質(zhì)量及性能方面，吉林大學(xué)的黃良駒等[14-15]使用X射線衍射儀測(cè)量了采用閉塞冷鍛方式成形的行星齒輪的位錯(cuò)密度，并對(duì)晶粒改變、纖維硬度分布規(guī)律、微觀殘余應(yīng)力等微觀組織性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)切削加工而言，采用閉塞冷鍛工藝生產(chǎn)的行星齒輪具有完整的金屬流線分布，內(nèi)部位錯(cuò)密度大量萌生和增殖形成了微觀殘余應(yīng)力和加工硬化。因此，閉塞冷鍛的行星齒輪齒根強(qiáng)度、硬度和耐磨性均要優(yōu)于傳統(tǒng)切削加工的齒輪。

3.2 分流成形

傳統(tǒng)的閉式冷精鍛是一個(gè)封閉的模鍛環(huán)境，成形過(guò)程中，金屬呈徑向流動(dòng)，這導(dǎo)致擠壓力直線上升，特別是在充齒中和齒廓充滿時(shí)，成形力急劇增大并達(dá)到最大值，造成凸模和凹模內(nèi)腔磨損過(guò)快甚至破裂。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出分流成形的概念，其原理圖如圖2所示。

圖2(a)、(c)為孔分流成形：將毛坯制造為空心形式，有利于擠壓過(guò)程中構(gòu)成一個(gè)環(huán)形分流面，金屬以分流面為界，一部分向內(nèi)側(cè)流動(dòng)使孔徑縮小，一部分向外側(cè)流動(dòng)填充齒頂腔；圖2(b)、(d)為軸分流成形：將模具制造為中空形式，在鍛件中心軸的外徑和鍛件外徑之間出現(xiàn)一個(gè)分流面, 金屬以分流面為界，一部分向凸凹模的中心空腔中流動(dòng)形成分流軸，一部分作徑向流動(dòng)填充齒頂腔。這兩種分流成形的工藝主要用于汽車(chē)變速箱結(jié)合齒輪、倒擋中間齒輪和各種直齒圓柱齒輪的冷擠壓成形。

早在1984年Kondo等[16]就提出了分流成形的概念，將帶凸臺(tái)齒輪冷擠壓的坯料和模具分別開(kāi)設(shè)了減壓孔進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這兩種方法都能達(dá)到分流減壓的目的。后來(lái),Ohga等[17-21]又以直齒圓柱齒輪為研究對(duì)象對(duì)分流成形冷擠壓工藝進(jìn)行了改進(jìn)，研究了模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)分流成形效果的影響，從而使直齒圓柱齒輪分流冷擠壓技術(shù)更為完善。

不論是孔分流還是軸分流，均要涉及到毛坯尺寸、模具型腔尺寸的計(jì)算，應(yīng)合理地分配毛坯孔徑(或者模具中心孔徑)與毛坯高度比、毛坯內(nèi)外徑之比。目前，采用的方法主要是依據(jù)主應(yīng)力法建立毛坯內(nèi)環(huán)和外環(huán)的應(yīng)力平衡方程，求得擠壓件分流面的位置，導(dǎo)出分流面半徑的計(jì)算公式。依據(jù)上述理論方法，Song等[22-23]設(shè)計(jì)了直齒圓柱齒輪冷擠壓成形的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)分別對(duì)實(shí)心和空心分流齒輪的冷擠壓過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分流成形的齒輪填充效果明顯優(yōu)于實(shí)心齒輪，所開(kāi)發(fā)的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)預(yù)測(cè)的成形力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，該系統(tǒng)能有效地用于齒輪冷擠壓工藝和模具設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)針對(duì)直齒圓柱齒輪和錐齒輪的冷擠壓技術(shù)研究較多，在現(xiàn)有兩種基本的齒輪冷擠壓成形工藝基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)學(xué)者和工程師利用上限法、有限元分析模擬和物理實(shí)驗(yàn)等手段作出了許多工藝改進(jìn)和模具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，并且運(yùn)用到了實(shí)際。但是，針對(duì)螺旋齒輪冷擠壓的研究，由于成形難度大、脫模困難等因素，還未出現(xiàn)能夠用于大批量生產(chǎn)的成形工藝。今后，轎車(chē)齒輪冷擠壓成形技術(shù)的研究或?qū)⒅铝τ诼菪X輪冷擠壓工藝的改進(jìn)及其模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

學(xué)者和工程師們充分利用各種計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)理論，研究了齒輪冷擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)規(guī)律，通過(guò)改進(jìn)工藝參數(shù)和調(diào)整模具結(jié)構(gòu)制定了可行的齒輪冷擠壓工藝方案，也運(yùn)用到了大批量生產(chǎn)中，但是，齒輪冷擠壓模具的壽命依然不長(zhǎng)。優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和模具制造工藝、提高模具的壽命將成為齒輪冷擠壓成形技術(shù)新的發(fā)展方向。

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ResearchonColdExtrusionFormingTechnologyforGear

YIN Cunhong

(Guizhou Polytechnic College of Communications,Guiyang Guizhou 550001,China)

With large-scale of automotive manufacturing, high efficiency, high quality, low pollution, low-cost cold extrusion processes of automotive gear are more and more concerned by scholars and experts.Finite element analysis method and theoretical upper limit are used in cold extrusion forming process improvement of gear, closed forging and divided flow cold extrusion become key technologies of shunt straight bevel and spur gears for mass production.The status of cold extrusion process of automotive gear from was discussed from theoretical and process research, trend was also discussed.

Gear;Cold extrusion;Divided flow method;Closed forging

2014-09-18

尹存宏(1989—)，男，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造技術(shù)。E-mail:13984356487@163.com。