弧齒錐齒輪塑性成型工藝研究

郝 喆

（西安理工大學(xué)，陜西西安 710048）

對現(xiàn)階段的弧齒錐齒輪利用進行分析發(fā)現(xiàn)其在實踐中可以實現(xiàn)比較大的荷載傳遞，而且工作的平穩(wěn)性突出，噪聲小，振動也比較小，所以其成為汽車、飛機等動力傳遞中的核心零件。正是因為弧齒錐齒輪的地位突出，使用價值巨大，所以其質(zhì)量會直接影響到整機的質(zhì)量和機械自身使用的安全性。出于弧齒錐齒輪使用穩(wěn)定性和安全性的考慮，需要對其生產(chǎn)進行質(zhì)量控制。在傳統(tǒng)生產(chǎn)中，弧齒錐齒輪的加工工藝是切削加工，這種加工方式切斷了金屬纖維，破壞了連續(xù)性，所以齒輪的壽命會降低。相比于傳統(tǒng)工藝，塑性成型齒輪解決了傳統(tǒng)工藝的缺點，齒輪的強度、齒面的耐磨能力等明顯提升，所以塑性成型工藝的具體利用對齒輪自身的質(zhì)量提高和性能優(yōu)化有積極的意義。

1 弧齒錐齒輪加工存在的問題

對弧齒錐齒輪的加工做具體的分析會發(fā)現(xiàn)其擠壓和直齒錐齒輪相比難度要大得多，所以在精擠的時候，通常的閉式模具是無法使用的。早期的弧齒錐齒輪擠壓主要利用的是開式模具，而利用此種模式生產(chǎn)的弧齒直齒輪，其內(nèi)外存在著飛邊，這種情況會導(dǎo)致如下的問題。

1）飛邊會造成材料的浪費，這對于經(jīng)濟性生產(chǎn)和綠色生產(chǎn)而言是非常不利的。

2）飛邊會增加所需要的變形力，這種情況容易引發(fā)零件齒大端齒頂和小端齒頂出現(xiàn)缺肉的情況。

3）因為齒輪大和飛邊厚的原因，切邊設(shè)備的噸位會被 增大。

4）在擠壓變形力比較大的情況下，模具受到超負(fù)荷沖擊的影響容易出現(xiàn)斷裂失效問題。

5）坯料在粗?jǐn)D之后需要進行切邊、沖連皮，而零件的溫降過大，所以需要進行加熱后方能進行精擠壓。總之，對傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪加工進行分析發(fā)現(xiàn)，模具利用不科學(xué)會導(dǎo)致多方面問題，所以需要基于模具進行新工藝的分析與利用。

2 弧齒錐齒輪新工藝

傳統(tǒng)工藝會導(dǎo)致飛邊的出現(xiàn)，而飛邊又會對弧齒錐齒輪的加工與利用產(chǎn)生諸多不好的影響，所以必須要對工藝進行改變與革新，這樣，相應(yīng)的問題才會得到解決。

2.1 要實現(xiàn)生產(chǎn)無飛邊，需要執(zhí)行如下新工藝

（1）對原材料進行目測和檢查，保證原材料本身的質(zhì)量，然后在檢查的基礎(chǔ)上對其進行常規(guī)的理化檢測，獲得準(zhǔn)確的材料參數(shù)。

（2）進行剪切和下料。

（3）進行加熱。如果坯料較少，可以不采取氧化加熱。

（4）進行制坯。制坯主要涉及鐓粗、沖孔和擴孔三方面內(nèi)容。

（5）進行粗?jǐn)D壓。

（6）進行精擠壓。在擠壓之后需要進行表面的清理，之后再進行加工以及加熱處理，弧齒錐齒輪可以檢驗入庫。就工藝的具體利用來看，該工藝的創(chuàng)新之處在于僅需要經(jīng)過依次加熱就可以實現(xiàn)粗?jǐn)D壓和精擠壓。閉式精擠壓和開式精擠壓比較，其顯著的優(yōu)勢是節(jié)省了粗?jǐn)D壓之后的切飛邊工作，而且還減少了一些工序，這樣的結(jié)果不僅實現(xiàn)了鋼材的節(jié)省，還降低了能源消耗，這對于人員和設(shè)備耗損有積極的意義。

就新工藝的具體利用來看，該工藝能否順利實施，關(guān)鍵性因素是成型的溫度。在實踐中，成型溫度的確定需要遵循三個基本的原則：

2.2 成型溫度的確定

（1）要選擇在金屬材料塑性好，變形抗力顯著下降的溫度范圍內(nèi)進行成型。

（2）需要選擇在金屬材料發(fā)生劇烈氧化前的溫度范圍內(nèi)成型。

（3）需要選擇在金屬材料成型后能強化并且不改變組織結(jié)構(gòu)的溫度內(nèi)成型。基于具體的原則進行溫度成型的基本分析，這樣可以為成型溫度的準(zhǔn)確界定提供參考與幫助。

以40CrMnTi為例進行分析，對其的溫度-強度關(guān)系曲線進行繪制可以發(fā)現(xiàn)在溫度升高的情況下，變形抗力會呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。在300℃左右的時候，曲線的下降趨勢會出現(xiàn)明顯的反彈，這說明在這個階段，金屬的變形抗力有了明顯的增大，其強度也在顯著的增加，而且其伸長率和斷面收縮率有了顯著的減小，換言之，其塑性有所下降。基于實踐經(jīng)驗來看，在塑性成型的時候需要盡可能的避開此溫度。

從具體分析來看，在溫度不斷升高的情況下塑性指標(biāo)有了顯著的提升。尤其是在溫度達到600℃的時候，金屬的強度會發(fā)生顯著的下降，此時相應(yīng)的塑性指標(biāo)會顯著上升，金屬的流動性也會得到顯著改善，這對于塑性幫助巨大。為了滿足擠壓時對剛塑性的具體要求，在高強度材料擠壓的過程中需要選擇在鋼的相變溫度上進行擠壓，這樣，擠壓成型的效果會更加顯著。

對材料進行繼續(xù)加熱分析發(fā)現(xiàn)，在溫度達到800℃的時候，金屬的氧化會變得非常強烈，在劇烈氧化的情況下，氧化皮的產(chǎn)生會對模具型腔造成磨損加劇，此時工件的尺寸精度以及表面的粗糙度值等均會受到很大的影響，所以此溫度是不適合塑性成型的。綜合來講，將40CrMnTi的塑性成型溫度確定在600～800℃是非常科學(xué)的。

3 模具結(jié)構(gòu)

從新工藝的具體利用來看，在新工藝實施的過程中需要將傳統(tǒng)的開式模具更換為閉式模具，所以為了實現(xiàn)模具的準(zhǔn)確利用，需要對模具結(jié)構(gòu)進行分析。

以用于螺旋壓力機上的螺旋齒輪閉式預(yù)加壓模具結(jié)構(gòu)為例進行分析，因為零件齒的大段頂部和小端頂部成型比較的困難，所以在上模位置進行齒模的調(diào)整安裝，這樣，零件齒部的成型會更加的簡單。與此同時，因為零件和齒模的接觸時間比較短，所以齒模不會出現(xiàn)升溫過高的情況，這樣，齒模退火和熱疲勞早期的失效情況可以有效避免。

對具體利用的模具進行分析，模具使用上、下凹模水平對分的預(yù)應(yīng)力進行凹模結(jié)構(gòu)和鎖扣導(dǎo)向的組合，在組合后，凹模和模芯需要保持浮動狀態(tài)。對齒模的外環(huán)、內(nèi)環(huán)等采用預(yù)應(yīng)力過盈配合的方式可以形成組合齒模。

對模具結(jié)構(gòu)進行具體的分析，發(fā)現(xiàn)其在使用中具備四個方面的突出特點：

1）模具上下位置的導(dǎo)向準(zhǔn)確性突出，沒有錯移的情況，而且上模和鍛坯在未接觸之前，鎖扣在沒有橫向作用力的情況下可以實現(xiàn)自由的導(dǎo)入，這樣有效規(guī)避了鎖扣的磨損以及磕傷，模具整體利用的位置準(zhǔn)確性更加突出。

2）坯料的定位具有迅速性和準(zhǔn)確性。從具體的定位分析來看，鍛坯可以依靠模具和自身的形狀實現(xiàn)快速定位，在不需要人工目測定位的情況下，鍛坯便可以保證定位的迅速性和準(zhǔn)確性，節(jié)約了擺放鍛坯的時間，而且可以規(guī)避鍛坯偏置的問題。

3）在進行粗?jǐn)D壓的時候，因為齒模在上模，齒模與熱擠壓件接觸的時間比較短，齒模升溫比較小，所以齒模退火和熱疲勞失效的問題有效規(guī)避。

4）在實踐中采用的是浮動凹模和浮動模芯的方式，金屬的變形主要是在封閉的模腔中完成的，所以擠壓件不存在連皮和飛邊的情況，這樣的方式一方面是降低了材料的消耗，同時還降低了擠壓變形力。不僅如此，粗?jǐn)D壓后還不需要進行沖連皮、切飛邊以及再加熱便可以開式精擠壓，能源得到了有效的節(jié)約。

總之，新模具本身的結(jié)構(gòu)特點顯著，在具體的成型工藝使用中，其改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)的不足，實現(xiàn)了生產(chǎn)的經(jīng)濟性和綠色化，所以在當(dāng)前實踐中，新磨具利用廣泛性不斷加強。

4 結(jié)束語

綜上所述，弧齒錐齒輪在現(xiàn)階段的實踐中有著重要的利用，而且其往往具有關(guān)鍵性價值，所以其質(zhì)量問題會直接對機械的運行效果和安全造成影響，基于此，控制弧齒錐齒輪的質(zhì)量便有了突出的現(xiàn)實意義。從傳統(tǒng)的工藝使用來看，開式模具在生產(chǎn)弧齒錐齒輪的過程中存在著諸多不足，這些不足引發(fā)的問題對弧齒錐齒輪的現(xiàn)實影響比較顯著，所以基于模具的改善對弧齒錐齒輪的塑性成型工藝進行分析與討論，可以為實踐提供幫助。