齒輪的冷擠壓成形技術研究進展

尹存宏

(貴州交通職業技術學院，貴州貴陽 550001)

齒輪的冷擠壓成形技術研究進展

尹存宏

(貴州交通職業技術學院，貴州貴陽 550001)

隨著汽車生產的大規模化，高效率、高質量、低污染、低成本的齒輪冷擠壓制造技術越來越受到國內外學者和專家的關注，有限元分析和上限法等理論依據越來越多地被應用到齒輪冷擠壓成形的工藝改進，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的關鍵工藝。從理論研究和工藝研究兩方面論述了汽車齒輪的冷擠壓成形技術研究現狀，并對其發展進行了討論。

齒輪；冷擠壓；分流成形；閉式精鍛

0 引言

齒輪作為傳動件大量應用于汽車、船舶等機械工程領域，其中又以汽車齒輪品種最多、數量最大，大約占據了60%的市場份額。隨著我國汽車生產的大規模化，傳統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，發展高效率、高質量、低污染、低成本的齒輪制造工藝變得越來越重要。作為一種先進的近凈成形技術，冷擠壓在齒輪制造領域的應用，受到國內外學者和專家越來越多的關注。直齒圓柱、圓錐齒輪和螺旋圓柱齒輪的冷擠壓工藝也越來越多地運用于企業大規模生產。我國直齒圓柱、圓錐齒輪的冷擠壓技術取得了飛速發展，而螺旋圓柱齒輪冷擠壓因成形難度大、脫模困難導致發展相對較緩。國外，諸如日本、德國、美國等工業發達的國家，螺旋圓柱齒輪的冷擠壓己開始進入批量生產階段[1]。文中將從理論研究和工藝研究兩方面，系統地介紹國內外轎車齒輪冷擠壓技術的研究進展。

1 有限元法在齒輪冷擠壓中的應用

利用有限元方法對冷擠壓工藝參數進行計算分析、比較和優化，可以找出冷擠壓工藝的缺陷，加快模具開發設計制造，使模具結構更加合理，縮短產品的生產周期。目前，常用的冷擠壓成形有限元數值模擬軟件有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程中的金屬流動、牙齒填充情況，還可以獲得變形體內的應力、應變分布圖和載荷與行程關系曲線圖。有限元數值模擬具有較高的可靠性，國內外學者均研究了采用該方法進行齒輪冷擠壓分析出的結果與實驗數據之間的區別與聯系，如：吉林大學寇淑清等[2]首先采用DEFORM軟件對轎車差速器傘齒輪的冷擠壓過程作了對應的有限元模擬，并分析了金屬的流動情況和齒形填充缺陷情況，之后采用專用液壓模架進行了冷擠壓工藝試驗研究，結果表明：有限元模擬結果和實驗數據是一致的，驗證了采用閉塞式冷鍛工藝加工轎車差速器傘齒輪是可行的；Miroslav Plancak等[3]通過模擬和試驗對比手段總結出采用FE對漸開線齒輪反向冷擠壓進行工藝分析所得出的應力應變結果與實際實驗數據相一致； Myeong-Sik Jeong等[4]使用Deform軟件對一種螺旋圓柱齒輪的冷擠壓工藝進行了分析，分別對在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備載荷情況和輪齒充型情況作了對比分析，最終選擇最優的參數進行了冷擠壓方案制定和實驗，實驗結果顯示：入模角為45°、摩擦因子為0.1、變形程度為27%時，輪齒充型飽滿，設備負載較小。

2 上限法在齒輪冷擠壓中的應用

上限法求解簡單，不用解大量復雜的偏微分方程，綜合了各影響因素，通過功率平衡來計算擠壓力等參數。國內外學者都利用上限法對齒輪冷擠壓成形過程中擠壓力的影響因素進行了分析，為制定合理的工藝和模具參數奠定了理論基礎。如：江雄心等[5]依據上限法經典理論對帶轂直齒圓柱齒輪的精鍛過程進行了數學建模,并運用得到的模型建立了動可容速度場，得到了和實驗數據相匹配的上限解；燕山大學李洪波等[6]利用上限法對直齒圓柱齒輪精鍛過程進行了模擬研究，獲得了成形過程中擠壓力分布情況和金屬填充齒廓過程中邊界形狀的變化規律；北京機電研究所尉喆等人[7]在沒有對齒形漸開線進行簡化的情況下，用上限法對直齒圓柱齒輪的徑向冷擠壓進行了分析,根據分析結果提出了一種動可容速度場,并運用這種速度場計算分析了齒輪模數、齒數以及摩擦因數等對成形力的影響；河南科技大學陳拂曉等[8]利用上限法UBET模擬圓柱直齒輪徑向擠壓過程的變形力和金屬流動規律,分析了工藝參數和模具幾何參數對變形過程中金屬流動的影響；Grover等[9]將齒形輪廓線簡化設定成梯形之后，利用上限法分析了模數、齒數等參數對成形力的影響，為直齒輪鍛造奠定了上限解基礎；Abdul 等[10]用上限法進行了直齒圓柱齒輪精鍛的數值分析,論述了齒根圓直徑、齒數以及工件與模具之間的摩擦狀況等因素對金屬流動和成形力的影響；Chitkara等[11]利用主應力法和上限元法對直齒圓柱齒輪鍛造進行了研究,并進行了不同齒形、不同高徑比的齒輪鍛造實驗,得到了有關變形力及齒形充填的一些結論。

3 齒輪冷擠壓成形工藝研究進展

齒輪冷擠壓由于變形過程中溫度較低、金屬流動性差導致成形壓力較大，齒形填充往往達不到理想要求。復雜的漸開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，將導致模具變形、磨損非常嚴重，甚至斷裂。因此，齒輪冷擠壓成形的難點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。國內外學者對齒輪冷擠壓成形工藝均采用不同的方式進行了優化設計，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

閉式冷精鍛是對轎車齒輪如傳統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或幾個方向上對金屬施加壓力p2和p3，迫使金屬在封閉的型腔內流動并充滿齒腔。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，對凹模封閉型腔內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象，對冷閉塞鍛造成形過程的模具曲面描述、接觸搜索、接觸約束、摩擦模型等關鍵技術問題作了相關處理。利用有限元模擬技術，分析了擠壓過程中變形瞬間狀態及力學量場，得到了齒形填充情況和成形缺陷情況的直觀表達圖，最后依據模擬采用的工藝參數進行了行星齒輪的冷閉塞鍛造工藝實驗，得到了滿足工作要求的齒輪成形件。另外，韓國J-H Song等[13]對汽車變速器錐齒輪的冷閉塞精鍛工藝進行了有限元數值模擬研究，對相關的工藝參數如壓制形式、凸模位置和坯料直徑進行了對比分析和選擇，最終確定了最優工藝，該工藝避免了充不足和折疊等缺陷，并且通過試驗得到了具備完整齒形且無任何成形缺陷的錐齒輪件。但是，這個工藝，所涉及的凸模出現了破裂的現象，且冷擠壓件有一定的飛邊。因此，針對該工藝，需要對凹模固定模塊再次進行修正以提高定位性和改善模具安全性。在閉式冷精鍛產品的質量及性能方面，吉林大學的黃良駒等[14-15]使用X射線衍射儀測量了采用閉塞冷鍛方式成形的行星齒輪的位錯密度，并對晶粒改變、纖維硬度分布規律、微觀殘余應力等微觀組織性能進行了研究，結果表明：相對于傳統切削加工而言，采用閉塞冷鍛工藝生產的行星齒輪具有完整的金屬流線分布，內部位錯密度大量萌生和增殖形成了微觀殘余應力和加工硬化。因此，閉塞冷鍛的行星齒輪齒根強度、硬度和耐磨性均要優于傳統切削加工的齒輪。

3.2 分流成形

傳統的閉式冷精鍛是一個封閉的模鍛環境，成形過程中，金屬呈徑向流動，這導致擠壓力直線上升，特別是在充齒中和齒廓充滿時，成形力急劇增大并達到最大值，造成凸模和凹模內腔磨損過快甚至破裂。為此，國內外學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，有利于擠壓過程中構成一個環形分流面，金屬以分流面為界，一部分向內側流動使孔徑縮小，一部分向外側流動填充齒頂腔；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一個分流面, 金屬以分流面為界，一部分向凸凹模的中心空腔中流動形成分流軸，一部分作徑向流動填充齒頂腔。這兩種分流成形的工藝主要用于汽車變速箱結合齒輪、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，將帶凸臺齒輪冷擠壓的坯料和模具分別開設了減壓孔進行試驗，發現這兩種方法都能達到分流減壓的目的。后來,Ohga等[17-21]又以直齒圓柱齒輪為研究對象對分流成形冷擠壓工藝進行了改進，研究了模具結構和工藝參數對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、模具型腔尺寸的計算，應合理地分配毛坯孔徑(或者模具中心孔徑)與毛坯高度比、毛坯內外徑之比。目前，采用的方法主要是依據主應力法建立毛坯內環和外環的應力平衡方程，求得擠壓件分流面的位置，導出分流面半徑的計算公式。依據上述理論方法，Song等[22-23]設計了直齒圓柱齒輪冷擠壓成形的計算機輔助設計系統，并基于該系統分別對實心和空心分流齒輪的冷擠壓過程進行了對比實驗。實驗結果表明：分流成形的齒輪填充效果明顯優于實心齒輪，所開發的輔助設計系統預測的成形力與實驗結果相吻合，該系統能有效地用于齒輪冷擠壓工藝和模具設計。

4 結束語

國內針對直齒圓柱齒輪和錐齒輪的冷擠壓技術研究較多，在現有兩種基本的齒輪冷擠壓成形工藝基礎上，國內學者和工程師利用上限法、有限元分析模擬和物理實驗等手段作出了許多工藝改進和模具結構創新，并且運用到了實際。但是，針對螺旋齒輪冷擠壓的研究，由于成形難度大、脫模困難等因素，還未出現能夠用于大批量生產的成形工藝。今后，轎車齒輪冷擠壓成形技術的研究或將致力于螺旋齒輪冷擠壓工藝的改進及其模具結構的優化設計。

學者和工程師們充分利用各種計算機技術和數學理論，研究了齒輪冷擠壓過程中的金屬流動規律，通過改進工藝參數和調整模具結構制定了可行的齒輪冷擠壓工藝方案，也運用到了大批量生產中，但是，齒輪冷擠壓模具的壽命依然不長。優化模具結構和模具制造工藝、提高模具的壽命將成為齒輪冷擠壓成形技術新的發展方向。

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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，主要研究方向為機械制造技術。E-mail:13984356487@163.com。