圓柱直齒輪雙輥滾軋成形工藝數值模擬及優化

孫育竹，戶燕會

（河南工業職業技術學院 機械工程學院，南陽 473000）

0 引言

齒輪軋制成形工藝按照軋制模具的不同可以分為楔橫軋成形工藝、兩凹板模成形工藝、凹板與圓柱軋輥成形工藝、圓柱軋輥成形工藝。

楔橫軋采用漸變的齒狀條板依據咬入，滾軋，校正三個漸變工序完成齒輪軋制。軋條上的軋齒成直線排布，軋條相對運動使坯料旋轉[1]。這種工藝的軋條加工便捷，但由于齒形誤差累積引起加工齒輪精度降低。兩凹板軋制和凹板圓柱輥軋制成形工藝相似，都通過相對運動完成軋坯到齒輪的轉化。但模具加工困難，模具安裝配合要求精度較高，使用不便捷。用圓柱軋輥成形工藝可根據軋輥數量分為單軋輥、雙軋輥、三軋輥成形。單軋輥工藝操作簡單，但軋件單方向受力較大，軋件易失穩。三軋輥成形工藝成形精度和效率都較高，但相位差控制困難，容易在軋制過程中出現花齒現象。

本文中采用的雙輥軋成形的齒輪，在確定的相位差下利用局部塑性變形方法軋制齒輪，軋制力小且均衡，加工效率高，若采用配合齒輪進行加工，精度更高。

1 雙軋輥成形工藝

輥軋成形按照軋輥的數量可以分為單軋成形，雙軋成形和三軋成形。單軋成形工藝中，軋坯單方向受較大的軋制力，坯料易失穩，設備也應為長期單方向受力容易失穩，成品精度較低。三軋成形工藝中要求軋輥有相當高的相位差，以保證在軋制軋坯的過程中不會出現亂齒。雙軋成形工藝雖然對軋輥相位差的要求也較高，但在實際生產過程中校正簡單，同時軋坯受力均衡，變形對稱，有利于齒輪成形。

雙軋輥成形工藝如圖1所示采用一對分別安裝在兩根主軸上的參數相同的軋輥，并且在驅動裝置的作用下同時同步進行旋轉進給工作。軋件兩端由頂尖定位并在兩軋輥進給運動的過程中隨著軋輥旋轉。在軋輥的壓力作用下軋件表面產生塑性變形，隨著軋輥的進給與旋轉軋件表面生成輪齒形狀。

圖1 雙軋輥成形工藝示意圖

1.1 齒坯尺寸的確定

軋件尺寸是影響軋制件質量的主要因素之一。軋制成形齒輪齒坯尺寸的確定遵循體積不變原則。如圖2所示，伴隨著軋輥逐漸滲透進入軋件，軋輥軋制方向和速度等運動參數的調整配合，軋件A2部分的金屬流入軋輥與軋件接觸時的空隙部分，當工藝達到所需軋制件尺寸時，A2部分體積轉入A1部分，形成軋制件[2,3]。即A1=A2如圖2所示。

圖2 體積不變條件下的軋件尺寸

1.2 軋輥工藝參數的確定

本文中采用齒輪副中的從動輪作為齒輪軋制模型的軋輥，并對從動輪進行一些參數優化，削薄軋輥輪齒齒形，改善齒頂倒角和齒根倒角，使之在軋制過程中，減少打滑，防止軋輥所受彎矩過大和軋件齒形堆疊等情況發生。

1.3 齒輪軋制模型的建立

圖3 齒輪軋制模型

在實際生產過程中，軋件以兩端中心孔定位加緊，頂尖控制軋件位置。軋件由于與軋輥間的摩擦，隨著軋輥自由旋轉。但是在DEFORM-3D模擬過程中，由于軟件自身協調不當，當軋件設置為自由旋轉時，會因為約束條件無法正常使用而脫離軋制模型。因此，采用軋件無運動，軋輥做徑向進給運動的同時，進行自轉和圍繞軋件的公轉運動[4]如圖3所示。

本文中采用齒輪模型參數如下：

根據齒輪尺寸計算關系可得出構件齒輪模型的主要參數如表1所示。

表1 圓柱直齒輪軋制模型基本參數

2 雙軋輥成形模擬分析

軋件成形過程主要分為三個階段：軋入階段，成形階段和校正階段。

1）在輥軋的軋入階段（如圖4(a)所示），軋輥與軋件之間可能會出現純滾動情況，變形力無規律。隨著軋輥的逐漸深入，軋件表面金屬流動產生凸起和凹槽。軋件局部變形。

2）在成形階段（如圖4(b)所示），凸起和凹槽會逐漸增大，形成輪齒和齒槽。此時軋件表層應力分布規律變化。伴隨著凸起和凹槽有規律的環形分布，軋件呈現穩態的塑性變形。

3）當軋件輪齒成形完畢，軋件齒形已基本成形，飽滿，再將軋輥反轉校正（如圖4(c)所示）。在軋制成形過程中，由于軋件單方向受力引起軋件輪齒單方向傾斜。反轉校正不僅有利于均衡軋件輪齒，而且能夠改善在前期軋制過程中因軋輥單方向旋轉出現的輪齒傾斜的狀況，同時能夠改善應力集中現象。

圖4 圓柱直齒輪軋制過程

根據軋制過程模擬情況可以看出，在軋入階段，軋件的表面出現了不規則的塑性變化，而且也因為純滾動出現了毛刺。正是這些毛刺和凸起的出現，對軋輥運動起到了阻礙作用，同時也增加了軋輥與軋件之間的摩擦力。

根據軋制過程中溫度場和應力場的變化情況，可以看出，輥軋成形過程中，軋坯溫度幾乎無變化。齒輪成形所需的成形力小，尤其是在輥軋的軋入階段，由于軋輥與軋件之間的摩擦力小，純滾動情況較為嚴重，成形力分布很不均勻（如圖5(a)所示）。隨著軋制的繼續進行，軋件逐漸發生塑性變化，成形力穩態分布且較?。ㄈ鐖D5(b)所示）。溫度變化對軋輥影響小。同時，軋制過程中的塑性變形基本上都集中在軋件表層部分，而在校正階段齒坯會連續生大規模的塑性變形，成形應力也較大（如圖5(c)所示）。

圖5 軋制過程中等效應力分布情況

圖6 軋制過程中軋件齒數變化示意圖

在軋入階段進行過程中，初始階段的凸起為18個（如圖6(a)所示），并且形狀較小。在軋輥深入的過程中，凸起逐漸飽滿，數目減少（如圖6(b)所示）。最終達到所需數目并軋制成輪齒形狀（如圖6(c)所示）。這是由于齒輪副本來以分度圓為基準進行嚙合，但在軋制初始階段軋坯和軋輥分別以dpre和Dhd接觸嚙合，其嚙合時的圓周長比例小于以分度圓dp和Dp為基準嚙合時的圓周長比。此外，由于在軋入階段的純滾動現象，并對接下來的軋制過程產生了影響。因此，軋輥與軋坯在軋入階段會有較多凸起產生。根據軋制過程的應力變化得出，當軋件凸起數目發生變化時，應變范圍較大，同時，發生凸起合并處的金屬折疊較為嚴重。

3 優化方法與結論

1）軋輥齒輪階段化。將軋輥齒輪分為初軋、軋制和精修三種類型。初軋時按照軋輥和軋件分度圓相接觸的原則設計軋輥尺寸，軋制時利用完整軋輥尺寸，精修時軋輥齒輪尺寸精確，圓角略大。在分階段軋制過程中根據軋件和軋輥的配合，使軋輥在軋件表面，強制按照15齒所需弧長接觸，增加嚙合穩定性，減少軋輥和軋件之間的滑動。從而使咬入階段軋件塑性變形更加穩定。

2）優化數值模擬參數。在實際生產中的兩齒輪以分度圓相嚙合，齒輪轉速以分度圓轉速為準，齒輪徑向線速度隨著主動軋輥齒輪的深入發生變化。而在利用Deform-3D軟件進行齒輪軋制成形數值模擬時，由于軟件參數自身限制，無法設置動態的輥軋參數，因此模擬結果與實際略有差異。

3）工藝根據軋件體積不變原則通過軋輥與軋件間的擠壓旋轉，使軋件表層金屬流動產生塑性變形，形成齒輪輪齒。并且由于軋件是局部對稱變形，所需軋制力小，溫度變化小，軋輥使用率低，有利于模具的長時間使用，驗證齒輪軋制成形的可行性。

4）精密成形的鍛件至少部分表面的尺寸精度和形狀精度達到可直接應用裝配的程度或者僅需經過磨削加工就可直接裝配的程度。精密塑性成形齒輪有沿齒廓合理分布而連續的金屬纖維和致密組織，齒輪的強度、齒面的耐磨能力、熱處理變形量和嚙合噪音都比切削加工優越；塑性成形齒輪的強度、抗彎疲勞強度可提高20%，生產成本降低20%以上。但必須注意軋制成形過程中，由于金屬纖維流動引起的金屬堆疊的缺陷。

[1]王廣春,李錦,吳濤等.齒輪滾軋成形技術及其研究進展[J].航空制造技術,2016,(17):36-40

[2]喬碩,孫振,李曉東,等.圓柱斜齒輪滾軋成型技術工藝數值模擬[J].精密制造與自動化,2014,(3):48-50

[3]Dr.Ing.e.h.Heinz Tschaetsch, Kaiserplatzra. Metal forming practice[M].Germany,2005,56-76

[4]R.Neugebauer, M.Putz, U.Hellfritzsch. Improved process design and quality for gear manufacturing with flat and round rolling[J].Manufacturing Technology.2007,56(1):307-312.