摘　要　直齒圓柱齒輪精鍛研究是塑性成形領域的重要課題.筆者從理論計算、模具及工藝設計、質量和精度控制等幾個方面論述了國內外直齒圓柱齒輪精鍛成形研究的現狀,并對其發展趨勢進行了探討.
     關鍵詞　直齒圓柱齒輪,精鍛,模具,工藝
    齒輪精鍛工藝是指輪齒由坯料經過鍛造直接鍛出,而齒面不需切削加工或僅需少許精加工即可使用的齒輪制造技術.與傳統的切削加工工藝相比,齒輪精鍛工藝具有以下特點:
       1)提高了精鍛齒輪的機械性能.齒輪精鍛時,變形金屬由齒根逐漸流向齒頂,其材料的纖維組織沿齒形均勻連續分布,晶粒及組織細密,微觀缺陷少,因此精鍛齒輪的機械性能優越,齒的彎曲強度、接觸疲勞強度和耐沖擊性明顯高于切削加工的齒輪零件.一般來說,精鍛可使輪齒抗沖擊強度提高約15%,抗彎曲疲勞強度提高約20%.
       2)生產效率高,材料利用率高.精鍛成形的齒輪精度達到精密級公差或余量標準,不需或僅需少量后續精加工即可進行熱處理或直接投入使用,提高了生產效率和材料利用率,降低了生產成本.一般來說,精鍛可使生產效率提高1倍以上,材料利用率提高40%以上,批量生產成本降低30%以上.
      (3)減少了熱處理時的齒形變形,提高了齒的耐磨性和齒輪嚙合時的平穩性,提高了齒輪的使用壽命.
        齒輪是各類機械中應用廣泛的重要傳動零件,易于磨損,需求量大,因此齒輪精鍛技術受到國內外的高度重視.目前,直傘齒輪精鍛技術已成功的應用于生產.由于直齒圓柱齒輪精鍛具有齒形型腔角隅充填困難、成形力大、模具設計與制造精度要求嚴格等特點,同時存在著成形過程中的潤滑處理、模具材料選擇、無拔模斜度下齒輪脫模等一系列相關技術問題,因此直齒圓柱齒輪精鍛成形比錐齒輪困難的多,目前尚未發展成熟.

 1　直齒圓柱齒輪冷精鍛成形研究
  1.1　直齒圓柱齒輪冷精鍛成形的理論研究
          Dohamann F等用數值逼近法和主應力法分析了冷精鍛齒輪時的金屬流動和模具應力情況,給出了沿齒面輪廓的法向應力分布圖.Chitkara N R等用基于主應力法的自由體平衡法模擬了各種軸對稱坯料增量鍛造直齒輪的過程.1986年英國Birmingham大學的Abdul N A等用上限法進行了直齒圓柱齒輪精鍛的分析計算,論述了齒根圓直徑、齒數以及工件與型腔之間的摩擦對金屬流動和鍛造成形力的影響[1].1996年Choj J C等用上限法對實心圓柱坯料精鍛直齒圓柱齒輪進行了較為精確的分析[2].Chitkara N R等用上限元法分析了鐓鍛直齒圓柱齒輪的變形規律,在此基礎上用計算機模擬了增量鍛造直齒圓柱齒輪時的變形力和應力應變規律[3],1997年江雄心利用上限法建立了帶轂直齒圓柱齒輪精鍛過程的數學模型,并利用該模型對帶轂直齒圓柱齒輪精鍛過程中坯料外形尺寸和力—行程曲線進行了計算機模擬[4].1998年譚險峰等對空心坯料精鍛帶轂直齒圓柱齒輪工藝進行了模擬實驗,并用座標網格法著重對精鍛終了階段進行了變形分析[5].
   1.2　直齒圓柱齒輪冷精鍛成形的模具和工藝研究
         1984年Kondo K提出帶凸臺齒輪冷鍛的向心流動和離心流動條件,對平齊端面的圓柱齒輪冷鍛采取在毛坯或模具上設減壓孔的措施,來達到分流減壓的目的[6][7].1990年美國Battle公司利用“推著穿過”原理進行了擠壓圓柱齒輪成形的研究[8].1993年Ohgqa K進一步論述了分流減壓原理的適用范圍,從而使直齒圓柱齒輪分流精鍛技術更加完善[9].Nagai Y提出將預制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施,即通過拉延、整形、變薄拉延和壓縮這四個工步實現具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形[10].
          
 2　直齒圓柱齒輪熱精鍛成形研究
   2.1　直齒圓柱齒輪熱精鍛成形的理論研究
           1991年Yang D Y采用剛、粘塑性有限元法對直齒圓柱齒輪精鍛成形進行了數值模擬.1996年李洪波等人采用UBET技術對直齒圓柱齒輪精鍛過程進行了模擬研究,得到了成形過程中成形力和金屬充填齒腔過程中邊界形狀的變化規律[11].1998年譚險峰等利用上限法,根據有實驗基礎的變形模式建立了直齒圓柱齒輪精鍛終了時的動可容速度場[12].田福祥等利用上限法,對帶有幅板的直齒內齒輪精鍛過程的金屬流動規律進行了研究,建立了求解帶有幅板內齒輪鍛壓變形力的數學模型,為鍛壓設備選擇和鍛坯形狀設計提供了依據.
   2.2　直齒圓柱齒輪熱精鍛成形的模具和工藝研究
           60年代,國內有人對直齒圓柱齒輪精鍛工藝作過探索,用高速錘精鍛直齒圓柱齒輪,由于鍛件精度低、模具壽命低等原因而未能應用.英國Birmingham大學對直齒圓柱齒輪精鍛進行了廣泛研究[13][14][15],于1987年提出了用空心鍛坯精鍛直齒圓柱齒輪的浮動凹模原理,降低了直齒圓柱齒輪精鍛的材料、鍛壓能量、鍛壓力消耗,且齒形易于充滿[16],但這種模具不適用于較大鍛造力的情況,模具壽命低;1988年,在上述工作的基礎上把厚壁管截成的環形坯料熱鍛成具有大中心孔的直齒圓柱齒輪,齒面上留有0.6mm以上的切削余量[17],這一工藝僅適用于極少數具有大中心孔的直齒圓柱齒輪,而且未解決成形齒輪精度低和模具壽命低的問題,齒面仍需切削加工.1991年林治平等根據文獻[16][17]制作了簡易模具,在液壓機上壓鉛和鋁分別模擬直齒圓柱齒輪的熱鍛和冷鍛,得出了型腔充填情況及成形力的一些有益結論[18],但是變形材料、溫度、模具結構、工作連續性和設備等方面都與生產實際相差較大;近年來,他總結了直齒圓柱齒輪精鍛的多種工藝方案,設計了專用組合模,并進行了相應的工藝實驗[19],但上述研究均是在實驗室中進行的,尚未應用到生產實踐中.Drecun V M等開發了一套參數化的直齒圓柱齒輪精鍛模CAD軟件.青島建筑工程學院的田福祥對直齒圓柱齒輪熱精鍛進行了深入研究,發明了直齒圓柱齒輪熱精鍛和冷推擠聯合成形工藝,研制了用于生產的模具,實心坯料一次加熱,經鐓粗制坯,在摩擦壓力機上一次鍛擊就使全部輪齒成形,型腔完全充滿,鍛件出模順利,而且無飛邊,精鍛成形齒輪經過余熱退火和表面清理,在液壓機上用新型推擠模進行齒面精整,精度達到9級,齒面無須切削加工即可使用[20][21];提出了漸開線齒廓線膨脹定理和推論,并論述了直齒圓柱齒輪精鍛模具齒形參數的設計計算方法及慣用公式[22];提出了漸開線齒廓曲線擬合方法,該方法應用于國產電火花線切割機床,可加工出具有較高精度的漸開線齒廓[23][24][25].
      機動車變速箱里的內齒輪是直齒圓柱齒輪的一種特殊形式,其特點是內齒一端與幅板相連,無法切削加工內齒.田福祥等研究開發了帶有強力脫模裝置的內齒輪熱精鍛模具和工藝,徹底解決了精鍛時成形難和脫模難的問題,并成功的應用于生產,取得了顯著的經濟效益[26].
  2.3　直齒圓柱齒輪熱精鍛質量和精度控制方面的研究
          目前,關于直齒圓柱齒輪精鍛質量和精度控制方面的研究比較少.Abdel-Rahman A R O等研究了鍛前加熱和鍛后冷卻方式對鍛件性能的影響;一般性氣體、非氧化性氣體、坯料表面滲碳對齒輪鍛件硬度的影響,以及鍛后熱收縮、齒輪齒數、模數及鍛造溫度對齒形成形的影響[27].林治平等對直齒圓柱齒輪熱精鍛的研究表明,模具設計、坯料尺寸、溫度控制等因素是保證齒輪鍛件精度的關鍵,模具的加工方法、磨損和彈性變形、潤滑與冷卻、能否充分排氣排污都影響著齒形精度;計算坯料尺寸時要充分考慮自身膨脹和模具應力脹形的影響,加熱的溫度要保持在一定的范圍內,防止過熱過燒.
           
 3　直齒圓柱齒輪精鍛研究的發展趨勢
         綜上所述,直齒圓柱齒輪精鍛研究已經取得了較大進展,但還有許多方面需要進一步研究和探索;今后將向以下幾個方向發展:
     (1)充分利用計算機技術,研究塑性成形過程的金屬流動規律.目前關于直齒圓柱齒輪精鍛方面的理論研究僅能得出變形金屬的部分特征,而不能研究在整個塑性變形過程中金屬的流動規律和所具有的變形力學特征,即不能得出應力場、應變速率場和溫度場,只能粗糙的分析金屬的整體流動.今后應充分利用高新計算機技術,結合塑性或彈塑性有限元方法,模擬或仿真直齒圓柱齒輪整個鍛壓變形過程的金屬流動,找出變形坯料自由表面和內部的金屬流動及應力應變分布規律,以期通過控制材料的塑性流動達到零件的精確成形.
     (2)優化模具結構和工藝,控制精鍛齒輪的質量和精度.質量和精度控制是直齒圓柱齒輪精鍛研究的重點內容.目前關于這方面的研究還比較少.今后要進一步優化模具結構,選用優質模具材料,提高模具加工精度和使用壽命,使用合適的鍛壓設備;研究精確下料的新途徑,提高毛坯的下料精度和表面質量;采用少無氧化加熱,盡量減少毛坯的氧化燒損,并盡量減少熱鍛件與空氣的接觸時間,以減少二次氧化,控制熱鍛件表面的脫碳層厚度;嚴格控制模具溫度、鍛造溫度和潤滑條件等工藝因素,減少因模具和鍛件溫度波動而造成的鍛件尺寸誤差.使直齒圓柱齒輪精鍛技術向著凈成形方向發展.
      (3)后續加工過程中齒輪定位問題的研究.直齒圓柱齒輪在工作時以孔定位來傳遞運動和動力,必須保證齒輪零件齒面與內孔中心線平行.現有的精鍛工藝不能同時鍛出高精度的輪齒和內孔,加工內孔就成為圓柱齒輪精鍛后續加工中不可缺少的一環.齒輪精鍛模采用浮動式凹模結構,不能保證鍛件的齒面與其端面垂直,故加工內孔時不能以其端面進行定位,只能以輪齒定位,勢必造成機加工時一個定位基準,且齒輪不是軸對稱零件,當以三齒定位時,不能保證夾具的三個銷子沿圓周方向等角度分布,而引起齒輪軸線發生偏移,造成加工出的內孔軸線與齒輪軸線不同軸,不能保證所需的加工精度.因此,解決直齒圓柱齒輪后續加工中的定位問題是其精鍛工藝研究的一個重要內容.
      (4)實現模具和工藝設計的CAD/CAE/CAM一體化,建立相應的專家系統.當前,工藝和模具設計很少應用計算機技術,模具從設計到加工都是分離的,生產周期長,浪費人力和物力,產品的競爭力小.今后工藝和模具設計應和計算機技術緊密結合起來.一方面,使直齒圓柱齒輪精鍛研究向著CAD/CAE/CAM一體化方向發展,實現對直齒圓柱齒輪模具設計、制造及工藝設計過程中信息的產生、轉換、存儲、流通管理進行分析和控制.另一方面,建立直齒圓柱齒輪工藝和模具設計的專家系統,即把專家的知識經識別、概念化和形式化處理,匯集成知識庫來解決直齒圓柱齒輪精鍛成形的CAD和CAE問題.這兩個方面對促進直齒圓柱齒輪精鍛技術的提高及向生產的轉化具有重要的意義
      
         
          1　Abdul N A and Dean TA.An Analysis of the forging of the forging of Spur Gear Forms.Int.J.Mach.Tool Des.Res.,1986,26(2):113～123
         2　Choi J C.A study on the forging of spur gears.Int.J.Mech.Sci.,1996,38(12):1331～1347
         3　Chitkara N R.Near—net shape forging of spur gear forms:an analysis and someexperiments.Int.J.Mech.Sci.,1996,38(8～9):891～916
         4　江雄心,林治平.帶轂直齒圓柱齒輪精鍛的計算機模擬.金屬成形工藝,1997(2):12～15
         5　譚險峰,林治平.帶輪轂直齒圓柱齒輪精鍛的變形分析.金屬成形工藝,1998(1):31～33
         6　Kondo K.Development of New Precision Cold Die Forging Processes.Advanced Technology of Plasticity—Proc.Of lst.ICTP,Tokyo,1984.701～709