齒輪精鍛成形的研究綜述

張 琳 賀辛亥

（1.西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048；2.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

齒輪精鍛成形的研究綜述

張 琳1、2賀辛亥1

（1.西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048；2.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

介紹了精鍛成形技術(shù)及其分類，從成形工藝、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面綜述了齒輪精鍛成形的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，闡明了精鍛成形技術(shù)和計算機模擬技術(shù)在現(xiàn)代齒輪制造業(yè)中發(fā)揮的的重要性。

齒輪；精鍛成形技術(shù)；有限元；數(shù)值模擬

（一）前言

齒輪作為傳遞運動和動力的關(guān)鍵零部件，在車輛、機床、船舶等工程領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，生產(chǎn)批量大，精度要求高已成為齒輪生產(chǎn)的主要特點。齒輪的質(zhì)量、性能、壽命會影響整臺機器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),而齒輪的加工方法直接影響著齒輪的質(zhì)量、性能和壽命。所以從一定意義上說，齒輪的加工技術(shù)是我國機械制造業(yè)水平高低的一個衡量指標(biāo)。

齒輪傳統(tǒng)的加工方法是利用鍛造毛坯通過滾齒、插齒、銑齒、刨齒等方法切削而成[1]，而切削加工的方法材料利用率低、加工工時長、生產(chǎn)成本高，最主要的是將毛坯的鍛造流線切斷而使齒輪的力學(xué)性能降低。為了克服齒輪切削加工的種種缺點，各國學(xué)者將注意力集中到了齒輪精鍛成形上來，用精鍛工藝快速生產(chǎn)高質(zhì)量的齒輪已經(jīng)成為全球趨勢。

（二）齒輪精鍛成形的研究

1.精鍛成形技術(shù)及分類

精鍛成形技術(shù)（即近凈成形技術(shù)或凈成形技術(shù)）是指坯料經(jīng)過精密鍛壓直接獲得完整的形狀后，僅需少量加工或不再加工，就可用作機械構(gòu)件的成形技術(shù)。與傳統(tǒng)的切削加工工藝相比，精鍛成形具有材料利用率及生產(chǎn)率高，產(chǎn)品的力學(xué)性能好、使用壽命長等優(yōu)點。精鍛成形工藝按變形溫度鍛壓可分為熱精鍛、冷精鍛、溫精鍛和等溫精鍛等。

2.齒輪精鍛成形國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外許多學(xué)者對齒輪精鍛成行技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得的效果很顯著。德國從二十世紀(jì)五十年代開始最先在齒輪加工中應(yīng)用了精鍛成形技術(shù)，以后各國學(xué)者的研究主要集中在成形工藝設(shè)計與優(yōu)化、模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面。

首先，成形工藝研究進(jìn)行得廣泛且深入，為齒輪精鍛技術(shù)的實際應(yīng)用提供了強大的理論依據(jù)。經(jīng)過不斷的發(fā)展，精密鍛造技術(shù)先后出現(xiàn)了多種不同的工藝。

（1）冷精鍛閉塞成形工藝，典型代表為：美國的 I Moriguchi[2]利用CAE技術(shù)研究了直齒圓柱齒輪的冷閉塞精鍛成形工藝。吉林大學(xué)的寇淑清[3]教授等對轎車差速器的行星齒輪、半軸齒輪進(jìn)行了冷閉塞精密成形工藝與有限元模擬研究。閉塞成形(即閉塞復(fù)動成形)原理如圖1所示：

圖1 閉塞成形原理

閉塞成形過程中，上下模具首先閉合，這樣就形成了成形的型腔，有利于提高零件的成形性，并且除了需要毛坯的制備外，一般只需要一道工序即可完成成形。省去了普通成形的預(yù)成形工序，因此減少了成形工序。

（2）冷精鍛分流工藝：傳統(tǒng)的閉式模鍛方法成形齒輪載荷大，影響模具壽命。日本的Kondo[4]等提出了齒輪分流鍛造法，用來降低成形力。原理是在鍛件某一位置設(shè)置溢流口，在充填型腔的過程中多余的材料始終有自由流動的余地，從而降低了變形阻力和加工載荷。韓國的 J C Choi[5]等發(fā)展了分流法，提出向內(nèi)分流成形直齒圓柱齒輪的精鍛工藝。山東大學(xué)的王廣春教授等提出了用預(yù)鍛分流區(qū)-分流終鍛工藝成形直齒圓柱齒輪，對空心坯料和實心圓柱坯料進(jìn)行了傳統(tǒng)的閉式鐓擠和新的分流成形試驗。吉林大學(xué)的寇淑清教授等對直齒圓柱齒輪進(jìn)行了閉式模鍛預(yù)鍛，閉式模鍛、孔分流終鍛及約束孔分流的兩步成形過程的數(shù)值模擬。山東大學(xué)的張清萍等提出了預(yù)制分流孔-分流鍛造工藝，成形直齒圓柱齒輪。預(yù)鍛時通過上下凸模上的凸臺，在坯料兩端面中心部位鍛出分流區(qū)，終鍛時利用坯料上已鍛出的分流區(qū)分流材料，從而降低了成形載荷，改善了材料的充填性能。

目前常用的分流方式有孔約束分流和軸約束分流兩種，應(yīng)用如圖2所示：

圖2 預(yù)鍛分流區(qū)-分流終鍛工藝

上圖中的預(yù)鍛為軸分流原理（依靠模具上的成型零件的結(jié)構(gòu)空間分流），終鍛為孔分流原理（依靠預(yù)制的坯料上的結(jié)構(gòu)空間分流）。

（3）溫鍛工藝研究：南昌大學(xué)的王建金等對直齒圓錐齒輪的溫鍛和冷鍛過程進(jìn)行了有限元模擬分析，對兩種成形工藝中的模具載荷、應(yīng)力應(yīng)變分布等進(jìn)行了比較。湖南科技大學(xué)的何旺枝等采用閉塞成形工藝成形弧齒錐齒輪，并利用剛塑性有限元法，對弧齒錐齒輪溫鍛成形時的摩擦條件、坯料溫度、模具溫度等的影響進(jìn)行了模擬分析。廈門理工大學(xué)的羅善明等在分流鍛造的基礎(chǔ)上，對弧齒錐齒輪進(jìn)行了閉式預(yù)鍛-分流終鍛溫鍛成形工藝研究，先后模擬了傳統(tǒng)閉式模鍛、閉式預(yù)鍛-分流終鍛兩種工藝的成形過程。

（4）復(fù)合精鍛工藝研究：北京機電研究所的蔣鵬等對直齒圓柱齒輪提出了溫?zé)岢尚?冷精整復(fù)合成形工藝，熱態(tài)下對金屬進(jìn)行預(yù)鍛，變形抗力小，冷態(tài)下完成終鍛獲得高的鍛造精度。青島建筑學(xué)院的田福樣等對直齒圓柱齒輪開發(fā)了熱精鍛-冷推擠的復(fù)合成形工藝，此工藝兼具熱精鍛變形抗力小、冷精鍛成形精度高的優(yōu)點，對模具壽命的提高很有意義。重慶工商大學(xué)的伍太賓等對汽車差速器錐齒輪提出了溫鍛制坯，冷擺輾工藝相結(jié)合的成形工藝。中北大學(xué)的張治民教授等[15]在閉式鐓擠工藝的基礎(chǔ)上，對直齒圓柱齒輪提出了開放式溫鐓擠-冷推擠復(fù)合成形的新工藝，并對兩種工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

其次，許多學(xué)者在模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計方面也做了大量的研究工作，取得了一定的成果。典型代表為：英國的T A Dean設(shè)計了利用浮動凹模模具成形直齒輪和斜齒輪的方案，并且對模具結(jié)構(gòu)形式的選擇，齒輪尺寸精度的影響因素等作了詳細(xì)而系統(tǒng)的研究。保加利亞的 B I Tomov等通過有限元法，對采用組合凹模閉式精鍛直齒圓柱齒輪過程中的應(yīng)力、應(yīng)變特點進(jìn)行了分析。華中科技大學(xué)的金俊松等[18]對閉式冷精鍛圓錐齒輪的齒形凹模的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。合肥工業(yè)大學(xué)的楊保年在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用精密塑性成形理論對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理設(shè)計，指出采用帶傾角凸模可以大大改善齒輪鍛造過程中齒形徑向充填性問題。

再次，還有一部分學(xué)者在齒輪精鍛的其他方面做了研究：山東大學(xué)的張艷娥對行星齒輪和半軸齒輪的“一火兩鍛”工藝進(jìn)行了研究，設(shè)計了鍛件、預(yù)鍛件和預(yù)制坯的形狀與尺寸，研究了鍛件齒形、模具齒形和電極齒形間的關(guān)系，推導(dǎo)出了它們基本齒形參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。湖南科技大學(xué)的方媛等采用三維有限元數(shù)值模擬方法，研究了模數(shù)、齒數(shù)、螺旋角、壓力角等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對弧齒錐齒輪精鍛成形過程的影響。

從以上綜述可以看出，學(xué)者們主要是借助計算機模擬，通過改變齒輪成形工藝，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)等降低成形載荷，提高坯料的充填性，從而延長模具壽命，提高產(chǎn)品的鍛造精度，可見計算機模擬技術(shù)在齒輪精鍛成形技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮了很大的作用。

（三）結(jié)束語

隨著工業(yè)競爭的日益加劇，鍛造行業(yè)要進(jìn)一步降低制造成本、提高設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量，就必須對鍛造工藝過程中影響鍛件質(zhì)量的各項工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。而采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法優(yōu)化其工藝參數(shù)往往很難達(dá)到預(yù)期的效果。隨著有限元理論和計算機技術(shù)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，基于有限元分析的優(yōu)化設(shè)計方法將在齒輪精鍛成形中的發(fā)揮更大的作用，齒輪精鍛成形技術(shù)也將有更好的發(fā)展前景。

[1]黃天銘,梁錫昌.齒輪加工技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].機械工藝師,1994,(4):29-31.

[2]I Moriguchi. Cold forging of gears and other complex shapes.Journal of Materials Processing Technology,1992,35(3-4):439-450.

[3]寇淑清,楊慎華,鄧春萍.轎車傘齒輪冷精鍛成形數(shù)值模擬及實驗研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報2003,(10):59-62.

[4]K Kondo，K Ohga.Precision cold die forging of a ring gear by divided flow method. International Journal of Machine Tools and Manufacture,1995,35(8): 1105-1113.

[5]J C Choi,Y Choi.Precision forging of spur gears with inside relief[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,1999,39(10):1575-1588.

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1008-1151(2011)04-0130-02

2011-01-21

張琳（1980－），女，西安工程大學(xué)在職研究生，西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，從事模具設(shè)計、材料成型專業(yè)教學(xué)。