齒輪齒部特征的鍛造與機加工制造工藝對其性能影響的機理分析

汽車自動變速器中的P擋齒輪內外齒面同時受載，屬于結構較復雜的齒輪類零件，目前行業內普遍采用切削加工工藝生產。此種工藝周期長、成本高,經過不斷改進，實現了P擋齒輪內外齒的溫冷精鍛復合近凈成形，無需后續切削加工對齒形部位二次修形，解決了切削加工工藝材料浪費嚴重、齒形誤差大、生產效率低、加工成本高等問題。本次，我們將以某P擋齒輪(圖1)為例，探討不同工藝制程對其性能的影響。

對于設有高壓疏水的系統，在布置設計時應盡量讓暖風器高位布置，使其疏水能自流到疏水箱，疏水箱的安裝高度還應滿足疏水泵汽蝕余量的要求[8]，把系統設計和布置設計充分結合起來，才能從源頭上得以解決暖風器的疏水問題。

上海實業振泰化工有限公司是國內外首屈一指的鎂鹽生產企業，專業從事特種鎂鹽產品的研發、生產、銷售和服務。振泰化工以高校技術力量為后盾，注重科技創新，與華東師范大學等高校有著長期的產學研合作,并在東北建立了原料基地，實現了部分產品生產的屬地化轉移，產品遠銷國內外；企業連年榮獲上海市文明單位、上海市高新技術企業、上海市專精特新中小企業等稱號，產品獲得上海市名牌產品、上海市著名商標等榮譽，是目前中國專業生產特種氧化鎂系列產品的現代化龍頭企業。

受力分析

P擋齒輪具有內花鍵和外齒兩個齒輪特征：(1)內花鍵與差速器殼體或輸出軸上的外花鍵采用齒側過盈配合，裝配方式為壓裝；(2)外齒與棘爪互相作用達到駐車效果(圖2)。

本次襯砌結構破壞的渠段均沒有埋設內排水設施，本次修復增設內排水措施。內排水系統由集水暗管、反濾土工織物、集水箱和出水管組成。集水暗管采用Φ150的塑料排水盲溝，外面包裹200 g/m2的土工布，集水箱采用逆止式排水器，出水管采用管徑為6 cm或8 cm的硬質聚乙烯塑料管。

初步分析靜態受力情況

棘爪與齒圈以漸開線齒面或平面配合，使用有限元分析軟件進行穩態受力分析，邊界條件加載為：⑴內花鍵處單側齒面完全固定；⑵外部駐車齒選取分度圓上的一條直線作為加載位置，添加漸變力矩。

經過模擬計算得出結果：零件在使用過程中，應力集中區域(圖3)為齒根部位的R角處，應當關注此處的屈服斷裂。

試驗及機理分析

在產品開發過程中，為了驗證實際使用情況，除了需要進行靜扭試驗外，還需要進行耐久試驗，甚至于怠速駐車試驗，以確保產品的性能達到設計要求。經過與不同客戶的溝通及試驗現場獲得的數據，下面針對影響試驗結果的各個因素進行分析，以得到在鍛造與機加工的不同工藝制程下的產品性能的區別。

P擋齒輪在使用過程中，單齒不同側受拉、壓兩種力，視鋼材為彈塑性材料，鋼材達到屈服載荷下的彈性極限應變為屈服，達到彈塑性極限應變為破壞。有流幅鋼和無流幅鋼兩種情況的應力應變曲線及屈服點如圖4所示。

灰色關聯法是屬于灰色系統理論中的一種動態分析方法，其基本思想是通過比較各研究對象呈現的空間形態來判斷它們之間的關聯程度。灰色關聯法的優點是可以通過有限的樣本數據推斷出模糊的相互關系，對數據庫的要求不高，計算過程清晰簡捷，也能通過Matlab軟件編程實現大數據分析。其計算步驟如下：

初步認定P擋齒輪的靜扭試驗結論差異是受不同工藝制程的影響，主要體現在鍛后組織與原材料組織的差異性。

以下是我司生產P擋齒輪的工藝路線，如圖5所示。

邢玠勘播后，楊應龍并沒有收斂其暴虐之心。“二十四年，應龍殘余慶，掠大阡、都壩，焚劫草堂、余慶二司，遍及興隆、都勻各衛。又遣兆龍圍黃平，戮重安長官家，勢復大熾。二十五年，應龍流劫江津及南川，臨合江，索其仇袁子升縋城下，磔之。秋七月，播州宣慰使楊應龍叛”[3]1254。楊應龍的再次反叛，似乎暗示邢玠勘播的失敗，其沒有遏制住楊應龍的叛逆之心。朝臣及時人對邢玠的勘播事提出質疑，其勘播事究竟如何？

(2)冷鍛外齒：等溫球化退火→制坯→拋丸→表面處理→冷精鍛外齒。

(3)冷鍛內花鍵：去應力退火→制坯→拋丸→表面處理→冷精鍛內花鍵。

在與棘爪的配合接觸中，相對來說更容易產生疲勞磨損——接觸疲勞失效。

圖6為等溫球化退火金相，鍛后的材料組織與原材料組織在滲碳淬火中的不同演變，將會對零件的使用效果起到重要的影響。為了得到較好的塑性，在球化工藝中，我們加強了工藝管控，獲得了均勻的細粒狀珠光體。但在此之前，鍛造工藝過程的好壞又會對等溫球化退火有較大的影響，因此，在等溫球化退火前的工藝參數控制方面需要有較為嚴格的把控和準確可行的工藝方法。

鍛造對材料性能的影響：鍛造時，金屬定向流動，形成纖維。隨著鍛造比的增加，沿著纖維方向(徑向)的塑性和韌性指標得到提高，而垂直纖維方向(軸向)的力學性能指標降低。圖7為使用有限元分析軟件DEFORM進行的纖維流線分析結果，在駐車齒部的流線總數量為15根，出現了3根紊流，平穩流線12根占比80%；內花鍵處的金屬流線無紊流現象。圖8為量產P擋齒輪產品的纖維流線樣塊試驗結果。

對比可發現，有限元分析結果與現實結果一致：流線狀態完整且分布均勻。下面就不同金屬纖維流線方向以及原材料原始組織試樣的力學性能進行拉伸試驗，以驗證其在使用過程中能夠起到的效果。

將經過不同鍛造比的鍛坯與原材料，按照相同方向取樣，進行對比試驗，驗證不同鍛造比對力學性能的影響；按照不同方向取樣，進行對比試驗，驗證不同鍛造方向對力學性能的影響。

在一般情況下，對多數藥品貯藏溫度要求在2℃以上時，溫度愈低，對保管愈有利。在使用和保存藥品前務必看清藥品說明書，以免有差錯。

(1)鋼材坯料縱向的抗拉強度優于橫向的，棒料的軋制方向應為橫向；

(2)不同鍛造比鍛造后，同一鍛件的橫向抗拉強度優于縱向抗拉強度，當鍛造比K=4(B4)時,鍛件縱向與橫向的抗拉強度差別較小,即當鍛造比達到一定值時,不同方向的強度指標差異性較小,鍛件的均勻性提高。

圖12為兩張不同位置的熱前加工熱后不加工零件表面，其熱后組織無異常，但在零件表面有較多凹坑、缺口，并且在凹坑內有黑色物質，初步判斷為氧化物。

(1)溫鍛：下料→輾環→空冷。

通過試驗數據對比，P擋齒輪的鍛造方式為輾環坯等溫球化退火后再做冷鍛，以外部駐車齒計算，鍛前面積為127mm

，鍛后面積為47mm

，其鍛造比為2.7，理論計算其抗拉強度約提升1.15倍。在機加工齒部制程中，零件的金相組織組成、分布及形態皆受原材料本身的限制，雖然可以通過正火進行相對的改善，但始終無法達到如鍛造般的形態組織。不僅如此，在熱處理前拉削過程中還會存在切削殘余應力，在一定程度上會影響熱處理的晶粒及其他組織表現，弱剛度回轉體對于機加工的殘余應力反應尤為明顯。

P擋齒輪的外齒尺寸最小值(齒根圓)僅為133mm，內花鍵尺寸(齒根圓)為122mm，單邊壁厚5.5mm，相對于內孔處的曲率半徑比例為11，雖不屬于弱剛度回轉體范疇，但其壁厚仍會受到夾持變形的影響，切削加工過程中，在切削力載荷與切削熱載荷等因素的共同作用下也會產生一定程度的加工變形及表面殘余應力。

圖13為兩張不同位置的熱后加工零件表面，其熱后組織無異常，在零件表面有輕微凹坑、缺口，凹坑、缺口為表面材料切削剝落后在基體表面留下的，在凹坑內無氧化物。

聲發射能量是指事件信號檢波包絡線下的面積，它可以反映事件的相對能量和強度。將實驗中兩類傳感器采集的信號繪制成能量-時間-軸向力關系曲線，對比兩種傳感器的特點。通過對所有試件的實驗結果進行數據分析，每組試件的數據呈現出相同的規律，限于篇幅本文只選取了部分試樣的實驗研究結果作為代表。

描述殘余應力分布的關鍵特征值可以由表面殘余應力(SRS)、一定層深處最大殘余壓應力(PRCS)、達到最大壓應力的深度(DPRCS)和殘余應力影響深度(DRS)。圖11所示為切削加工產生的典型殘余應力分布曲線。

耐久試驗

進行耐久試驗，是為了找出產品設計制造中零件的耐久性方面的問題，以此為依據進行設計優化，P擋齒輪的使用頻度決定了此零件不太可能出現疲勞斷裂的情況,在此我們只討論表面疲勞磨損。

公眾對轉基因食品的態度。在我國，民眾對轉基因食品還存在比較高的質疑，一方面主要是轉基因的技術相對不夠成熟，存在著許多未知因素，人們對轉基因食品的疑慮還難以消除；另一方面是人們對轉基因產品在認知水平上有一定的界限，以及對公眾機構體制機制的信任度下降，導致對轉基因存在著安全疑慮，接受程度相對較低。

(4)后續處理：機加工→熱處理→成品檢驗→清洗包裝入庫。

圖9為不同鍛造比鍛件的不同方向抗拉強度變化規律。從圖中可以看出：

從前述的鍛造對于屈服強度的影響結論可以得出，經過鍛造的零件的疲勞強度也將明顯優于使用原材料直接進行機加工的零件。

外部因素、在產品制造層面不做考慮，我們僅討論鍛造和機加工的不同制程對齒部的表面形狀的影響，進而研討關于不同表面形狀對接觸疲勞壽命的影響。

P擋齒輪的齒部表面可以通過鍛造成形熱后不加工、熱前加工熱后不加工和熱前加工熱后加工三種不同工藝進行生產得到。

圖10為不同鍛造比鍛件不同位置的抗拉強度變化規律。從圖中可以看出不同鍛造比鍛件(B2、B3、B4)橫向和縱向的抗拉強度變化規律:距縱向中心線(對稱軸)2r/3位置的抗拉強度優于r/3位置的抗拉強度。

齒輪在冷鍛前的制坯工序即使出現了同樣的夾持變形，但在我司的冷鍛半閉式擠壓鍛造中，表現為金屬軸向流動量不同，在有效長度外的鍛坯(高低落差約為0.5mm)，都會被車削去除。

結合相關文獻調查我們發現在發生CRE感染的科室中，急診科、ICU和手術科室是感染的“重災區”，這可能是由于以上科室的患者大多病情危重，機體免疫力較差，大多會接受抗生素治療，與醫護人員接觸更加密切等，因而更容易發生感染。多數學者都將既往接受過抗生素治療，老齡患者，機械通氣或其他有創支持治療，慢性疾病，曾接受過移植或進行免疫抑制相關治療等列為危險因素。還有研究者提出感染CRE為患者死亡的獨立危險因素，而這也促使我們在平時的工作中將更加關注具有相關危險因素的患者。

圖14為兩張不同位置的鍛造熱后不加工的零件表面，其熱后組織無異常，在零件表面無凹坑、缺口，表面較為光滑，無異常。

為了保證HPLC色譜分析時抑制樣品的電離，改善峰形，在流動相甲醇-水中添加不同量的甲酸(0、0.1%、0.3%)，并比較了其對質譜信號的影響，結果顯示，添加0.1%甲酸時質譜信號最高，隨著甲酸添加量加大信號反而降低。推斷少量氫離子對樹莓酮質子化具有促進作用，但氫離子的濃度過大則表現為抑制作用。所以本實驗選擇添加0.1%甲酸的甲醇-水作為流動相。

綜合看來，三種不同的工藝制程對零件的最大影響之一為表面狀態，衡量表面狀態的主要標準為表面粗糙度值，但究其在零件配合過程中的作用，則需要以摩擦系數作為變量進行分析驗證。

P擋齒輪嚙合接觸面在實際嚙合過程中受到摩擦力作用，在不同的潤滑狀態下，摩擦力的大小也不相同。當棘爪齒面壓力一定、棘輪扭矩一定時，基于三維瞬態動力學機構模型計算，分別將配合齒面在摩擦系數為 0.1、0.3 及 0.5 下進行數值分析。

不同摩擦系數下齒輪接觸應力分布對比結果見表1。

關于耐久試驗中的沖擊載荷，也就是怠速駐車試驗，其檢測的是沖擊載荷作用下的P擋齒輪使用壽命，考驗的是零件本身的抗沖擊強度，以及沖擊載荷下的沖擊疲勞強度。材料的沖擊疲勞性能與常規疲勞性能存在明顯差異。

結論

P擋齒輪及駐車齒系列產品，在汽車變速器中有著極其重要的作用，在零件設計的過程中除了要考慮功能性，更要考慮其安全特性。又因其特殊的零件形狀：弱剛度體、薄片狀體等，在加工過程中的工藝設計、設備選擇顯得尤為重要。本文從P擋齒輪的零件結構、駐車機構的使用工況出發，分析了零件使用過程中的受載荷情況；從靜扭試驗、耐久試驗項目著手，分析了屈服強度，接觸疲勞強度對表面缺口裂紋源試驗結果的影響，歸結了鍛造制程、機加工制程對于齒部特征的屈服極限、接觸疲勞強度和抗沖擊強度的作用原理；進行了原材料球化細化試驗，不同鍛造比下的坯料、不同方向取樣的拉伸試驗，弱剛度體夾持切削變形試驗，不同切削量下的薄壁零件熱處理變形試驗，鍛造、機加工零件的表面微觀形態，不同表面粗糙度下的接觸應力有限元分析等。通過這些試驗，得到如下結論：

針對山洪災害預警預報需求，美國國家水文研究中心（HRC）聯合其他機構或單位，提出了基于山洪預警指標 FFG（Flash Flood Guide）的預警系統建設思路，并自2004年開始在中美洲7個國家50萬km2的山丘區應用。經初步檢驗該系統預報準確度為65%，誤報率為35%，漏報率為3%。

(1)在合適的鍛造比下，會產生、加密駐車齒側的金屬纖維組織，獲得具有較高屈服強度，同時在沿纖維流線的方向上的彎曲強度也會得到加強，即駐車齒的抗拉、抗彎曲強度相對于使用原材料直接機加工得到的零件有一定的提升。

(2)類似于弱剛度的P擋齒輪在機加工夾持過程中產生的受力變形，或在不合適的切削參數下加工，殘余的切削應力會導致零件熱處理變形不均勻及晶粒異常長大的現象，這對零件精度與產品性能有一定的影響。

(3)熱前機加工齒面、熱后機加工齒面都難以避免齒面上的微觀凹坑，與鍛造齒面的平順相比，機加工的表面在微觀表現上較差，即存在有細微凹坑，最終可能演變為解理裂紋源。