直齿圆柱齿轮精锻研究的现状及发展趋势

摘　要　直齿圆柱齿轮精锻研究是塑性成形领域的重要课题.笔者从理论计算、模具及工艺设计、质量和精度控制等几个方面论述了国内外直齿圆柱齿轮精锻成形研究的现状,并对其发展趋势进行了探讨.
     关键词　直齿圆柱齿轮,精锻,模具,工艺
    齿轮精锻工艺是指轮齿由坯料经过锻造直接锻出,而齿面不需切削加工或仅需少许精加工即可使用的齿轮制造技术.与传统的切削加工工艺相比,齿轮精锻工艺具有以下特点:
       1)提高了精锻齿轮的机械性能.齿轮精锻时,变形金属由齿根逐渐流向齿顶,其材料的纤维组织沿齿形均匀连续分布,晶粒及组织细密,微观缺陷少,因此精锻齿轮的机械性能优越,齿的弯曲强度、接触疲劳强度和耐冲击性明显高于切削加工的齿轮零件.一般来说,精锻可使轮齿抗冲击强度提高约15%,抗弯曲疲劳强度提高约20%.
       2)生产效率高,材料利用率高.精锻成形的齿轮精度达到精密级公差或余量标准,不需或仅需少量后续精加工即可进行热处理或直接投入使用,提高了生产效率和材料利用率,降低了生产成本.一般来说,精锻可使生产效率提高1倍以上,材料利用率提高40%以上,批量生产成本降低30%以上.
      (3)减少了热处理时的齿形变形,提高了齿的耐磨性和齿轮啮合时的平稳性,提高了齿轮的使用寿命.
        齿轮是各类机械中应用广泛的重要传动零件,易于磨损,需求量大,因此齿轮精锻技术受到国内外的高度重视.目前,直伞齿轮精锻技术已成功的应用于生产.由于直齿圆柱齿轮精锻具有齿形型腔角隅充填困难、成形力大、模具设计与制造精度要求严格等特点,同时存在着成形过程中的润滑处理、模具材料选择、无拔模斜度下齿轮脱模等一系列相关技术问题,因此直齿圆柱齿轮精锻成形比锥齿轮困难的多,目前尚未发展成熟.

 1　直齿圆柱齿轮冷精锻成形研究
  1.1　直齿圆柱齿轮冷精锻成形的理论研究
          Dohamann F等用数值逼近法和主应力法分析了冷精锻齿轮时的金属流动和模具应力情况,给出了沿齿面轮廓的法向应力分布图.Chitkara N R等用基于主应力法的自由体平衡法模拟了各种轴对称坯料增量锻造直齿轮的过程.1986年英国Birmingham大学的Abdul N A等用上限法进行了直齿圆柱齿轮精锻的分析计算,论述了齿根圆直径、齿数以及工件与型腔之间的摩擦对金属流动和锻造成形力的影响[1].1996年Choj J C等用上限法对实心圆柱坯料精锻直齿圆柱齿轮进行了较为精确的分析[2].Chitkara N R等用上限元法分析了镦锻直齿圆柱齿轮的变形规律,在此基础上用计算机模拟了增量锻造直齿圆柱齿轮时的变形力和应力应变规律[3],1997年江雄心利用上限法建立了带毂直齿圆柱齿轮精锻过程的数学模型,并利用该模型对带毂直齿圆柱齿轮精锻过程中坯料外形尺寸和力—行程曲线进行了计算机模拟[4].1998年谭险峰等对空心坯料精锻带毂直齿圆柱齿轮工艺进行了模拟实验,并用座标网格法着重对精锻终了阶段进行了变形分析[5].
   1.2　直齿圆柱齿轮冷精锻成形的模具和工艺研究
         1984年Kondo K提出带凸台齿轮冷锻的向心流动和离心流动条件,对平齐端面的圆柱齿轮冷锻采取在毛坯或模具上设减压孔的措施,来达到分流减压的目的[6][7].1990年美国Battle公司利用“推着穿过”原理进行了挤压圆柱齿轮成形的研究[8].1993年Ohgqa K进一步论述了分流减压原理的适用范围,从而使直齿圆柱齿轮分流精锻技术更加完善[9].Nagai Y提出将预制杯形件作为某些圆柱齿轮冷锻的制坯措施,即通过拉延、整形、变薄拉延和压缩这四个工步实现具有较大沉孔的圆柱齿轮冷锻成形[10].
          
 2　直齿圆柱齿轮热精锻成形研究
   2.1　直齿圆柱齿轮热精锻成形的理论研究
           1991年Yang D Y采用刚、粘塑性有限元法对直齿圆柱齿轮精锻成形进行了数值模拟.1996年李洪波等人采用UBET技术对直齿圆柱齿轮精锻过程进行了模拟研究,得到了成形过程中成形力和金属充填齿腔过程中边界形状的变化规律[11].1998年谭险峰等利用上限法,根据有实验基础的变形模式建立了直齿圆柱齿轮精锻终了时的动可容速度场[12].田福祥等利用上限法,对带有幅板的直齿内齿轮精锻过程的金属流动规律进行了研究,建立了求解带有幅板内齿轮锻压变形力的数学模型,为锻压设备选择和锻坯形状设计提供了依据.
   2.2　直齿圆柱齿轮热精锻成形的模具和工艺研究
           60年代,国内有人对直齿圆柱齿轮精锻工艺作过探索,用高速锤精锻直齿圆柱齿轮,由于锻件精度低、模具寿命低等原因而未能应用.英国Birmingham大学对直齿圆柱齿轮精锻进行了广泛研究[13][14][15],于1987年提出了用空心锻坯精锻直齿圆柱齿轮的浮动凹模原理,降低了直齿圆柱齿轮精锻的材料、锻压能量、锻压力消耗,且齿形易于充满[16],但这种模具不适用于较大锻造力的情况,模具寿命低;1988年,在上述工作的基础上把厚壁管截成的环形坯料热锻成具有大中心孔的直齿圆柱齿轮,齿面上留有0.6mm以上的切削余量[17],这一工艺仅适用于极少数具有大中心孔的直齿圆柱齿轮,而且未解决成形齿轮精度低和模具寿命低的问题,齿面仍需切削加工.1991年林治平等根据文献[16][17]制作了简易模具,在液压机上压铅和铝分别模拟直齿圆柱齿轮的热锻和冷锻,得出了型腔充填情况及成形力的一些有益结论[18],但是变形材料、温度、模具结构、工作连续性和设备等方面都与生产实际相差较大;近年来,他总结了直齿圆柱齿轮精锻的多种工艺方案,设计了专用组合模,并进行了相应的工艺实验[19],但上述研究均是在实验室中进行的,尚未应用到生产实践中.Drecun V M等开发了一套参数化的直齿圆柱齿轮精锻模CAD软件.青岛建筑工程学院的田福祥对直齿圆柱齿轮热精锻进行了深入研究,发明了直齿圆柱齿轮热精锻和冷推挤联合成形工艺,研制了用于生产的模具,实心坯料一次加热,经镦粗制坯,在摩擦压力机上一次锻击就使全部轮齿成形,型腔完全充满,锻件出模顺利,而且无飞边,精锻成形齿轮经过余热退火和表面清理,在液压机上用新型推挤模进行齿面精整,精度达到9级,齿面无须切削加工即可使用[20][21];提出了渐开线齿廓线膨胀定理和推论,并论述了直齿圆柱齿轮精锻模具齿形参数的设计计算方法及惯用公式[22];提出了渐开线齿廓曲线拟合方法,该方法应用于国产电火花线切割机床,可加工出具有较高精度的渐开线齿廓[23][24][25].
      机动车变速箱里的内齿轮是直齿圆柱齿轮的一种特殊形式,其特点是内齿一端与幅板相连,无法切削加工内齿.田福祥等研究开发了带有强力脱模装置的内齿轮热精锻模具和工艺,彻底解决了精锻时成形难和脱模难的问题,并成功的应用于生产,取得了显著的经济效益[26].
  2.3　直齿圆柱齿轮热精锻质量和精度控制方面的研究
          目前,关于直齿圆柱齿轮精锻质量和精度控制方面的研究比较少.Abdel-Rahman A R O等研究了锻前加热和锻后冷却方式对锻件性能的影响;一般性气体、非氧化性气体、坯料表面渗碳对齿轮锻件硬度的影响,以及锻后热收缩、齿轮齿数、模数及锻造温度对齿形成形的影响[27].林治平等对直齿圆柱齿轮热精锻的研究表明,模具设计、坯料尺寸、温度控制等因素是保证齿轮锻件精度的关键,模具的加工方法、磨损和弹性变形、润滑与冷却、能否充分排气排污都影响着齿形精度;计算坯料尺寸时要充分考虑自身膨胀和模具应力胀形的影响,加热的温度要保持在一定的范围内,防止过热过烧.
           
 3　直齿圆柱齿轮精锻研究的发展趋势
         综上所述,直齿圆柱齿轮精锻研究已经取得了较大进展,但还有许多方面需要进一步研究和探索;今后将向以下几个方向发展:
     (1)充分利用计算机技术,研究塑性成形过程的金属流动规律.目前关于直齿圆柱齿轮精锻方面的理论研究仅能得出变形金属的部分特征,而不能研究在整个塑性变形过程中金属的流动规律和所具有的变形力学特征,即不能得出应力场、应变速率场和温度场,只能粗糙的分析金属的整体流动.今后应充分利用高新计算机技术,结合塑性或弹塑性有限元方法,模拟或仿真直齿圆柱齿轮整个锻压变形过程的金属流动,找出变形坯料自由表面和内部的金属流动及应力应变分布规律,以期通过控制材料的塑性流动达到零件的精确成形.
     (2)优化模具结构和工艺,控制精锻齿轮的质量和精度.质量和精度控制是直齿圆柱齿轮精锻研究的重点内容.目前关于这方面的研究还比较少.今后要进一步优化模具结构,选用优质模具材料,提高模具加工精度和使用寿命,使用合适的锻压设备;研究精确下料的新途径,提高毛坯的下料精度和表面质量;采用少无氧化加热,尽量减少毛坯的氧化烧损,并尽量减少热锻件与空气的接触时间,以减少二次氧化,控制热锻件表面的脱碳层厚度;严格控制模具温度、锻造温度和润滑条件等工艺因素,减少因模具和锻件温度波动而造成的锻件尺寸误差.使直齿圆柱齿轮精锻技术向着净成形方向发展.
      (3)后续加工过程中齿轮定位问题的研究.直齿圆柱齿轮在工作时以孔定位来传递运动和动力,必须保证齿轮零件齿面与内孔中心线平行.现有的精锻工艺不能同时锻出高精度的轮齿和内孔,加工内孔就成为圆柱齿轮精锻后续加工中不可缺少的一环.齿轮精锻模采用浮动式凹模结构,不能保证锻件的齿面与其端面垂直,故加工内孔时不能以其端面进行定位,只能以轮齿定位,势必造成机加工时一个定位基准,且齿轮不是轴对称零件,当以三齿定位时,不能保证夹具的三个销子沿圆周方向等角度分布,而引起齿轮轴线发生偏移,造成加工出的内孔轴线与齿轮轴线不同轴,不能保证所需的加工精度.因此,解决直齿圆柱齿轮后续加工中的定位问题是其精锻工艺研究的一个重要内容.
      (4)实现模具和工艺设计的CAD/CAE/CAM一体化,建立相应的专家系统.当前,工艺和模具设计很少应用计算机技术,模具从设计到加工都是分离的,生产周期长,浪费人力和物力,产品的竞争力小.今后工艺和模具设计应和计算机技术紧密结合起来.一方面,使直齿圆柱齿轮精锻研究向着CAD/CAE/CAM一体化方向发展,实现对直齿圆柱齿轮模具设计、制造及工艺设计过程中信息的产生、转换、存储、流通管理进行分析和控制.另一方面,建立直齿圆柱齿轮工艺和模具设计的专家系统,即把专家的知识经识别、概念化和形式化处理,汇集成知识库来解决直齿圆柱齿轮精锻成形的CAD和CAE问题.这两个方面对促进直齿圆柱齿轮精锻技术的提高及向生产的转化具有重要的意义
      
         
          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.带毂直齿圆柱齿轮精锻的计算机模拟.金属成形工艺,1997(2):12～15
         5　谭险峰,林治平.带轮毂直齿圆柱齿轮精锻的变形分析.金属成形工艺,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