齒輪冷滾打成形關鍵技術及有限元分析研究現狀

摘 要：文章介紹了齒輪高速冷滾打成形基本原理，對齒輪冷滾打成形的運動學、塑性變形機理、精度控制、有限元分析等關鍵技術的研究現狀進行了總結，分析了該項技術發展的核心和趨勢，對生產具有一定的指導意義。

關鍵詞：冷滾打；齒輪；研究現狀

中圖分類號：TG306 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）33-0003-01

高速冷滾打成形技術是一種先進的塑性成形方法，利用室溫狀態下金屬材料的固有塑性，通過高速旋轉的滾打輪對工件進行斷續擊打和滾壓，迫使金屬材料流動，漸變塑性成形，從而形成高性能零件的一種綠色、凈近成形先進制造技術，可以廣泛應用在齒輪、花鍵、絲桿等零部件的生產[1-3]。具有生產效率高、金屬無切削等優點，并且能夠顯著改善工件金屬組織和加工表面硬度，同時使冷滾打零件的表面質量大幅度提高[4]。

1 冷滾打成形原理

齒輪冷滾打成形是利用斷續往復高速擊打的方法實現動態沖擊局部加載，逐漸累計變形的自由成形方法，其成形過程是高速、瞬態、高沖擊、大變形的復雜成形過程，齒輪冷滾打成形原理圖如圖1所示。三個成形滾打輪均勻安裝在高速旋轉的滾打軸上，并可繞著自身的軸線旋轉，高速滾打軸每轉動一周，三個滾打輪分別擊打齒坯一次，齒坯成形三次，成形過程中，由于滾打輪和齒坯的摩擦力作用，使得滾打輪以角速度n繞著自身的軸線轉動，滾打輪和齒坯之間實現滾動。滾打過程中齒坯做分度轉動，同時軸向進給，使得齒坯在軸向方向上實現均勻、逐步的成形。齒坯相對于滾打輪的軸向進給速度為，齒坯相對于滾打輪的徑向進給量為。滾打過程中，成形不同的齒形時，只需要更換滾打輪，滾打軸和工件的轉動速度關系為：

2 冷滾打成形工藝研究現狀

冷滾打技術最早開展于實驗研究。國外對冷滾打技術的理論研究的較早。20世紀60年代，美國、瑞士和德國等國家進行了冷滾打成形技術方面的研究工作，并將此項技術成功應用在拖拉機、紡織工業、機床和汽車的花鍵、齒輪等方面的生產上。西安理工大學、河南科技大學等學者對該項技術進行了深入的研究，從理論上分析了冷滾打成形的運動和動力學基礎，并通過實驗、有限元分析等方法進行了深入的研究，該項技術得到不斷的完善和發展。

2.1 冷滾打運動學理論分析

崔鳳奎[5]等針對滾打輪設計方面進行了研究， 根據高速滾打成形中打輪和工件之間的運動關系，根據等升螺旋面的形成理論，根據嚙合原理，建立了滾打輪的理論輪廓設計模型，并根據該模型的尺寸和形狀，加工了滾打輪并進行了實驗，利用實驗的方法，針對滾打輪外輪廓形狀的彈性恢復進行了修正，獲得了符合實際生產要求的滾打輪設計模型。蘇志鵬等運用坐標變換的方法，對漸開線花鍵等4種運動關系進行了分析，建立其滾打運動仿真的數學模型，通過實驗的方法，研究了滾打過程中的干涉現象。呂耀峰等根據空間嚙合的原理，建立了漸開線花鍵齒面的數學模型，計算器理論誤差，活動了齒形和齒向誤差隨滾打輪安裝角度的變化規律及漸開線花鍵成形的范成法，奠定了滾打輪運動學基礎。

2.2 冷滾打塑性成形機理研究

意大利的菲亞特的摩登那拖拉機廠采用該項技術生產搖臂軸、長軸等零件，并能夠行形成機群的自動化生產。目前，國外的一些公司生產出來的數控冷滾打機床，能夠實現對成形過程的精確控制，也使得該項技術進一步應用在復雜零件的的表面加工上，零件的加工精度也得到提高。瑞士的GROB公司是最早利用冷滾打技術的公司。

該公司的Krapfenbauer.H和Emst Grob首先利用冷滾技術生產花鍵，在文獻中簡要介紹了花鍵齒的成形過程，該方法主要是在數控機床上，利用兩個高速旋轉的滾打輪對齒坯進行高速連續擊打，以形成花鍵齒的過程，將這種花鍵齒成形的方法命名為Grob滾打法。

Krapfenbauer.H對冷滾打成形批量生產技術進行了研究，分析了滾打工藝對成形零件精度的影響。Weck.M通過實驗，將滾打產品和切削產品的表面質量進行了對比，實驗結果表明，滾打產品成形過程中形成了一定的硬化層，可以將產品的抗疲勞強度提高25%～35%。

2.3 冷滾打精度控制

冷滾打成形屬于塑性加工領域，和插齒、磨齒、剃齒等去除材料的機械加工方法相比，冷滾打成形齒形的精度較差，多年來，國內外學者通過多種方法致力于冷滾打精度的提高。我國從20世紀70年代開始研究冷滾打成形技術，研究人員多集中在齒輪、花鍵的生產制造企業，研究內容也主要是針對成形工藝及滾打輪的設計進行的。無錫縣拖拉機廠對齒輪冷滾打成形進行了實驗，通過冷滾打成形的齒輪精度等級可以達到9級以上，通過該項技術生產的齒輪，磨損量降低59.3%，生產成本大幅度降低。

2.4 冷滾打有限元分析

近年來，利用有限元分析的方法可以對冷滾打成形過程中的成形過程、力熱耦合規律以及應力應變、微觀組織等結構進行模擬分析，有助于進一步研究冷滾打成形的變形機理，對于提高冷滾打成形的零件精度、滾打輪壽命等有一定的幫助。目前，應用于冷滾打成形分析的軟件主要有ABAQUS、ANSYS以及Deform-3D。其中大型通用軟件ABAQUS在冷滾打成形中應用較為廣泛，在模型的合理簡化基礎上，對冷滾打成形過程中的滾打輪的各種運動學關系進行合理的模擬，廣泛應用在冷滾打成形過程中，在二次開發的基礎上，可以實現對了冷滾打成形過程中的組織變化情況進行分析，結果可信度較高。Deform-3D能夠準確的分析零件塑性變形過程中的材料的流動狀況以及塑性變形規律，但是由于冷滾打成形過程中，滾打輪的運動狀況較為復雜，而Deform-3D軟件對運動學的的功能受限，不能合理準確的冷滾打成形過程中滾打輪的部分運動進行自由度釋放，影響模擬結果的真實性，因而對于冷滾打成形技術，較為適合的軟件為ABAQUS、ANSYS等大型通用軟件。

3 結 語

冷滾打成形是一種綠色的近凈成形技術，目前該項技術在塑性變形機理、實驗研究方面取得了一定的進展，但是還有很多問題亟待解決，在微觀組織研究、精度控制、變形機理以及多因素耦合等方面還處于開始階段，若能在這些方面取得突破性的進展，將取得較大的經濟價值和社會價值。

參考文獻：

[1] 林曉磊，賀云花，石磊.用冷滾軋方法加工小模數花鍵[J].機械工程師，2004，（7）.

[2] 王潁玉，彭延紅，應富強.基于綠色制造的金屬塑性精成形[J].CMET鍛 壓裝備與制造技術，2006，（4）.

[3] 鄭偉剛.齒輪的滾壓塑性成形技術的研究現狀[J].塑性工程學報，2005，（4）.

[4] 劉春祥，彭云霞，王亞媚，等.薄壁件冷滾軋工藝探討[J].現代制造技術與 裝備，2007，（4）.