摘　要　直齒圓柱齒輪精鍛研究是塑性成形領(lǐng)域的重要課題.筆者從理論計算、模具及工藝設(shè)計、質(zhì)量和精度控制等幾個方面論述了國內(nèi)外直齒圓柱齒輪精鍛成形研究的現(xiàn)狀,并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討.
     關(guān)鍵詞　直齒圓柱齒輪,精鍛,模具,工藝
    齒輪精鍛工藝是指輪齒由坯料經(jīng)過鍛造直接鍛出,而齒面不需切削加工或僅需少許精加工即可使用的齒輪制造技術(shù).與傳統(tǒng)的切削加工工藝相比,齒輪精鍛工藝具有以下特點(diǎn):
       1)提高了精鍛齒輪的機(jī)械性能.齒輪精鍛時,變形金屬由齒根逐漸流向齒頂,其材料的纖維組織沿齒形均勻連續(xù)分布,晶粒及組織細(xì)密,微觀缺陷少,因此精鍛齒輪的機(jī)械性能優(yōu)越,齒的彎曲強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和耐沖擊性明顯高于切削加工的齒輪零件.一般來說,精鍛可使輪齒抗沖擊強(qiáng)度提高約15%,抗彎曲疲勞強(qiáng)度提高約20%.
       2)生產(chǎn)效率高,材料利用率高.精鍛成形的齒輪精度達(dá)到精密級公差或余量標(biāo)準(zhǔn),不需或僅需少量后續(xù)精加工即可進(jìn)行熱處理或直接投入使用,提高了生產(chǎn)效率和材料利用率,降低了生產(chǎn)成本.一般來說,精鍛可使生產(chǎn)效率提高1倍以上,材料利用率提高40%以上,批量生產(chǎn)成本降低30%以上.
      (3)減少了熱處理時的齒形變形,提高了齒的耐磨性和齒輪嚙合時的平穩(wěn)性,提高了齒輪的使用壽命.
        齒輪是各類機(jī)械中應(yīng)用廣泛的重要傳動零件,易于磨損,需求量大,因此齒輪精鍛技術(shù)受到國內(nèi)外的高度重視.目前,直傘齒輪精鍛技術(shù)已成功的應(yīng)用于生產(chǎn).由于直齒圓柱齒輪精鍛具有齒形型腔角隅充填困難、成形力大、模具設(shè)計與制造精度要求嚴(yán)格等特點(diǎn),同時存在著成形過程中的潤滑處理、模具材料選擇、無拔模斜度下齒輪脫模等一系列相關(guān)技術(shù)問題,因此直齒圓柱齒輪精鍛成形比錐齒輪困難的多,目前尚未發(fā)展成熟.

 1　直齒圓柱齒輪冷精鍛成形研究
  1.1　直齒圓柱齒輪冷精鍛成形的理論研究
          Dohamann F等用數(shù)值逼近法和主應(yīng)力法分析了冷精鍛齒輪時的金屬流動和模具應(yīng)力情況,給出了沿齒面輪廓的法向應(yīng)力分布圖.Chitkara N R等用基于主應(yīng)力法的自由體平衡法模擬了各種軸對稱坯料增量鍛造直齒輪的過程.1986年英國Birmingham大學(xué)的Abdul N A等用上限法進(jìn)行了直齒圓柱齒輪精鍛的分析計算,論述了齒根圓直徑、齒數(shù)以及工件與型腔之間的摩擦對金屬流動和鍛造成形力的影響[1].1996年Choj J C等用上限法對實(shí)心圓柱坯料精鍛直齒圓柱齒輪進(jìn)行了較為精確的分析[2].Chitkara N R等用上限元法分析了鐓鍛直齒圓柱齒輪的變形規(guī)律,在此基礎(chǔ)上用計算機(jī)模擬了增量鍛造直齒圓柱齒輪時的變形力和應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律[3],1997年江雄心利用上限法建立了帶轂直齒圓柱齒輪精鍛過程的數(shù)學(xué)模型,并利用該模型對帶轂直齒圓柱齒輪精鍛過程中坯料外形尺寸和力—行程曲線進(jìn)行了計算機(jī)模擬[4].1998年譚險峰等對空心坯料精鍛帶轂直齒圓柱齒輪工藝進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),并用座標(biāo)網(wǎng)格法著重對精鍛終了階段進(jìn)行了變形分析[5].
   1.2　直齒圓柱齒輪冷精鍛成形的模具和工藝研究
         1984年Kondo K提出帶凸臺齒輪冷鍛的向心流動和離心流動條件,對平齊端面的圓柱齒輪冷鍛采取在毛坯或模具上設(shè)減壓孔的措施,來達(dá)到分流減壓的目的[6][7].1990年美國Battle公司利用“推著穿過”原理進(jìn)行了擠壓圓柱齒輪成形的研究[8].1993年Ohgqa K進(jìn)一步論述了分流減壓原理的適用范圍,從而使直齒圓柱齒輪分流精鍛技術(shù)更加完善[9].Nagai Y提出將預(yù)制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施,即通過拉延、整形、變薄拉延和壓縮這四個工步實(shí)現(xiàn)具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形[10].
          
 2　直齒圓柱齒輪熱精鍛成形研究
   2.1　直齒圓柱齒輪熱精鍛成形的理論研究
           1991年Yang D Y采用剛、粘塑性有限元法對直齒圓柱齒輪精鍛成形進(jìn)行了數(shù)值模擬.1996年李洪波等人采用UBET技術(shù)對直齒圓柱齒輪精鍛過程進(jìn)行了模擬研究,得到了成形過程中成形力和金屬充填齒腔過程中邊界形狀的變化規(guī)律[11].1998年譚險峰等利用上限法,根據(jù)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的變形模式建立了直齒圓柱齒輪精鍛終了時的動可容速度場[12].田福祥等利用上限法,對帶有幅板的直齒內(nèi)齒輪精鍛過程的金屬流動規(guī)律進(jìn)行了研究,建立了求解帶有幅板內(nèi)齒輪鍛壓變形力的數(shù)學(xué)模型,為鍛壓設(shè)備選擇和鍛坯形狀設(shè)計提供了依據(jù).
   2.2　直齒圓柱齒輪熱精鍛成形的模具和工藝研究
           60年代,國內(nèi)有人對直齒圓柱齒輪精鍛工藝作過探索,用高速錘精鍛直齒圓柱齒輪,由于鍛件精度低、模具壽命低等原因而未能應(yīng)用.英國Birmingham大學(xué)對直齒圓柱齒輪精鍛進(jìn)行了廣泛研究[13][14][15],于1987年提出了用空心鍛坯精鍛直齒圓柱齒輪的浮動凹模原理,降低了直齒圓柱齒輪精鍛的材料、鍛壓能量、鍛壓力消耗,且齒形易于充滿[16],但這種模具不適用于較大鍛造力的情況,模具壽命低;1988年,在上述工作的基礎(chǔ)上把厚壁管截成的環(huán)形坯料熱鍛成具有大中心孔的直齒圓柱齒輪,齒面上留有0.6mm以上的切削余量[17],這一工藝僅適用于極少數(shù)具有大中心孔的直齒圓柱齒輪,而且未解決成形齒輪精度低和模具壽命低的問題,齒面仍需切削加工.1991年林治平等根據(jù)文獻(xiàn)[16][17]制作了簡易模具,在液壓機(jī)上壓鉛和鋁分別模擬直齒圓柱齒輪的熱鍛和冷鍛,得出了型腔充填情況及成形力的一些有益結(jié)論[18],但是變形材料、溫度、模具結(jié)構(gòu)、工作連續(xù)性和設(shè)備等方面都與生產(chǎn)實(shí)際相差較大;近年來,他總結(jié)了直齒圓柱齒輪精鍛的多種工藝方案,設(shè)計了專用組合模,并進(jìn)行了相應(yīng)的工藝實(shí)驗(yàn)[19],但上述研究均是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的,尚未應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中.Drecun V M等開發(fā)了一套參數(shù)化的直齒圓柱齒輪精鍛模CAD軟件.青島建筑工程學(xué)院的田福祥對直齒圓柱齒輪熱精鍛進(jìn)行了深入研究,發(fā)明了直齒圓柱齒輪熱精鍛和冷推擠聯(lián)合成形工藝,研制了用于生產(chǎn)的模具,實(shí)心坯料一次加熱,經(jīng)鐓粗制坯,在摩擦壓力機(jī)上一次鍛擊就使全部輪齒成形,型腔完全充滿,鍛件出模順利,而且無飛邊,精鍛成形齒輪經(jīng)過余熱退火和表面清理,在液壓機(jī)上用新型推擠模進(jìn)行齒面精整,精度達(dá)到9級,齒面無須切削加工即可使用[20][21];提出了漸開線齒廓線膨脹定理和推論,并論述了直齒圓柱齒輪精鍛模具齒形參數(shù)的設(shè)計計算方法及慣用公式[22];提出了漸開線齒廓曲線擬合方法,該方法應(yīng)用于國產(chǎn)電火花線切割機(jī)床,可加工出具有較高精度的漸開線齒廓[23][24][25].
      機(jī)動車變速箱里的內(nèi)齒輪是直齒圓柱齒輪的一種特殊形式,其特點(diǎn)是內(nèi)齒一端與幅板相連,無法切削加工內(nèi)齒.田福祥等研究開發(fā)了帶有強(qiáng)力脫模裝置的內(nèi)齒輪熱精鍛模具和工藝,徹底解決了精鍛時成形難和脫模難的問題,并成功的應(yīng)用于生產(chǎn),取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[26].
  2.3　直齒圓柱齒輪熱精鍛質(zhì)量和精度控制方面的研究
          目前,關(guān)于直齒圓柱齒輪精鍛質(zhì)量和精度控制方面的研究比較少.Abdel-Rahman A R O等研究了鍛前加熱和鍛后冷卻方式對鍛件性能的影響;一般性氣體、非氧化性氣體、坯料表面滲碳對齒輪鍛件硬度的影響,以及鍛后熱收縮、齒輪齒數(shù)、模數(shù)及鍛造溫度對齒形成形的影響[27].林治平等對直齒圓柱齒輪熱精鍛的研究表明,模具設(shè)計、坯料尺寸、溫度控制等因素是保證齒輪鍛件精度的關(guān)鍵,模具的加工方法、磨損和彈性變形、潤滑與冷卻、能否充分排氣排污都影響著齒形精度;計算坯料尺寸時要充分考慮自身膨脹和模具應(yīng)力脹形的影響,加熱的溫度要保持在一定的范圍內(nèi),防止過熱過燒.
           
 3　直齒圓柱齒輪精鍛研究的發(fā)展趨勢
         綜上所述,直齒圓柱齒輪精鍛研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展,但還有許多方面需要進(jìn)一步研究和探索;今后將向以下幾個方向發(fā)展:
     (1)充分利用計算機(jī)技術(shù),研究塑性成形過程的金屬流動規(guī)律.目前關(guān)于直齒圓柱齒輪精鍛方面的理論研究僅能得出變形金屬的部分特征,而不能研究在整個塑性變形過程中金屬的流動規(guī)律和所具有的變形力學(xué)特征,即不能得出應(yīng)力場、應(yīng)變速率場和溫度場,只能粗糙的分析金屬的整體流動.今后應(yīng)充分利用高新計算機(jī)技術(shù),結(jié)合塑性或彈塑性有限元方法,模擬或仿真直齒圓柱齒輪整個鍛壓變形過程的金屬流動,找出變形坯料自由表面和內(nèi)部的金屬流動及應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,以期通過控制材料的塑性流動達(dá)到零件的精確成形.
     (2)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和工藝,控制精鍛齒輪的質(zhì)量和精度.質(zhì)量和精度控制是直齒圓柱齒輪精鍛研究的重點(diǎn)內(nèi)容.目前關(guān)于這方面的研究還比較少.今后要進(jìn)一步優(yōu)化模具結(jié)構(gòu),選用優(yōu)質(zhì)模具材料,提高模具加工精度和使用壽命,使用合適的鍛壓設(shè)備;研究精確下料的新途徑,提高毛坯的下料精度和表面質(zhì)量;采用少無氧化加熱,盡量減少毛坯的氧化燒損,并盡量減少熱鍛件與空氣的接觸時間,以減少二次氧化,控制熱鍛件表面的脫碳層厚度;嚴(yán)格控制模具溫度、鍛造溫度和潤滑條件等工藝因素,減少因模具和鍛件溫度波動而造成的鍛件尺寸誤差.使直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)向著凈成形方向發(fā)展.
      (3)后續(xù)加工過程中齒輪定位問題的研究.直齒圓柱齒輪在工作時以孔定位來傳遞運(yùn)動和動力,必須保證齒輪零件齒面與內(nèi)孔中心線平行.現(xiàn)有的精鍛工藝不能同時鍛出高精度的輪齒和內(nèi)孔,加工內(nèi)孔就成為圓柱齒輪精鍛后續(xù)加工中不可缺少的一環(huán).齒輪精鍛模采用浮動式凹模結(jié)構(gòu),不能保證鍛件的齒面與其端面垂直,故加工內(nèi)孔時不能以其端面進(jìn)行定位,只能以輪齒定位,勢必造成機(jī)加工時一個定位基準(zhǔn),且齒輪不是軸對稱零件,當(dāng)以三齒定位時,不能保證夾具的三個銷子沿圓周方向等角度分布,而引起齒輪軸線發(fā)生偏移,造成加工出的內(nèi)孔軸線與齒輪軸線不同軸,不能保證所需的加工精度.因此,解決直齒圓柱齒輪后續(xù)加工中的定位問題是其精鍛工藝研究的一個重要內(nèi)容.
      (4)實(shí)現(xiàn)模具和工藝設(shè)計的CAD/CAE/CAM一體化,建立相應(yīng)的專家系統(tǒng).當(dāng)前,工藝和模具設(shè)計很少應(yīng)用計算機(jī)技術(shù),模具從設(shè)計到加工都是分離的,生產(chǎn)周期長,浪費(fèi)人力和物力,產(chǎn)品的競爭力小.今后工藝和模具設(shè)計應(yīng)和計算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合起來.一方面,使直齒圓柱齒輪精鍛研究向著CAD/CAE/CAM一體化方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)對直齒圓柱齒輪模具設(shè)計、制造及工藝設(shè)計過程中信息的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、存儲、流通管理進(jìn)行分析和控制.另一方面,建立直齒圓柱齒輪工藝和模具設(shè)計的專家系統(tǒng),即把專家的知識經(jīng)識別、概念化和形式化處理,匯集成知識庫來解決直齒圓柱齒輪精鍛成形的CAD和CAE問題.這兩個方面對促進(jìn)直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)的提高及向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化具有重要的意義
      
         
          1　Abdul N A and Dean TA.An Analysis of the forging of the forging of Spur Gear Forms.Int.J.Mach.Tool Des.Res.,1986,26(2):113～123
         2　Choi J C.A study on the forging of spur gears.Int.J.Mech.Sci.,1996,38(12):1331～1347
         3　Chitkara N R.Near—net shape forging of spur gear forms:an analysis and someexperiments.Int.J.Mech.Sci.,1996,38(8～9):891～916
         4　江雄心,林治平.帶轂直齒圓柱齒輪精鍛的計算機(jī)模擬.金屬成形工藝,1997(2):12～15
         5　譚險峰,林治平.帶輪轂直齒圓柱齒輪精鍛的變形分析.金屬成形工藝,1998(1):31～33
         6　Kondo K.Development of New Precision Cold Die Forging Processes.Advanced Technology of Plasticity—Proc.Of lst.ICTP,Tokyo,1984.701～709