齿轮的冷挤压成形技术研究进展

尹存宏

(贵州交通职业技术学院，贵州贵阳 550001)

齿轮的冷挤压成形技术研究进展

尹存宏

(贵州交通职业技术学院，贵州贵阳 550001)

随着汽车生产的大规模化，高效率、高质量、低污染、低成本的齿轮冷挤压制造技术越来越受到国内外学者和专家的关注，有限元分析和上限法等理论依据越来越多地被应用到齿轮冷挤压成形的工艺改进，闭式冷精锻和分流冷挤压成为直锥齿轮和圆柱直齿轮大批量生产的关键工艺。从理论研究和工艺研究两方面论述了汽车齿轮的冷挤压成形技术研究现状，并对其发展进行了讨论。

齿轮；冷挤压；分流成形；闭式精锻

0 引言

齿轮作为传动件大量应用于汽车、船舶等机械工程领域，其中又以汽车齿轮品种最多、数量最大，大约占据了60%的市场份额。随着我国汽车生产的大规模化，传统的齿轮切削加工工艺因加工效率低、零件寿命短、齿轮综合性能差等诸多弊端亟待改进，发展高效率、高质量、低污染、低成本的齿轮制造工艺变得越来越重要。作为一种先进的近净成形技术，冷挤压在齿轮制造领域的应用，受到国内外学者和专家越来越多的关注。直齿圆柱、圆锥齿轮和螺旋圆柱齿轮的冷挤压工艺也越来越多地运用于企业大规模生产。我国直齿圆柱、圆锥齿轮的冷挤压技术取得了飞速发展，而螺旋圆柱齿轮冷挤压因成形难度大、脱模困难导致发展相对较缓。国外，诸如日本、德国、美国等工业发达的国家，螺旋圆柱齿轮的冷挤压己开始进入批量生产阶段[1]。文中将从理论研究和工艺研究两方面，系统地介绍国内外轿车齿轮冷挤压技术的研究进展。

1 有限元法在齿轮冷挤压中的应用

利用有限元方法对冷挤压工艺参数进行计算分析、比较和优化，可以找出冷挤压工艺的缺陷，加快模具开发设计制造，使模具结构更加合理，缩短产品的生产周期。目前，常用的冷挤压成形有限元数值模拟软件有DEFORM、QFORM等。利用上述软件模拟直齿圆柱齿轮冷挤压工艺，不仅可以直接观察到变形过程中的金属流动、牙齿填充情况，还可以获得变形体内的应力、应变分布图和载荷与行程关系曲线图。有限元数值模拟具有较高的可靠性，国内外学者均研究了采用该方法进行齿轮冷挤压分析出的结果与实验数据之间的区别与联系，如：吉林大学寇淑清等[2]首先采用DEFORM软件对轿车差速器伞齿轮的冷挤压过程作了对应的有限元模拟，并分析了金属的流动情况和齿形填充缺陷情况，之后采用专用液压模架进行了冷挤压工艺试验研究，结果表明：有限元模拟结果和实验数据是一致的，验证了采用闭塞式冷锻工艺加工轿车差速器伞齿轮是可行的；Miroslav Plancak等[3]通过模拟和试验对比手段总结出采用FE对渐开线齿轮反向冷挤压进行工艺分析所得出的应力应变结果与实际实验数据相一致； Myeong-Sik Jeong等[4]使用Deform软件对一种螺旋圆柱齿轮的冷挤压工艺进行了分析，分别对在40°、45°、50°、60°的入模角，0、0.1、0.12、0.2的摩擦因子，15%、40%、27%变形程度等情况下的设备载荷情况和轮齿充型情况作了对比分析，最终选择最优的参数进行了冷挤压方案制定和实验，实验结果显示：入模角为45°、摩擦因子为0.1、变形程度为27%时，轮齿充型饱满，设备负载较小。

2 上限法在齿轮冷挤压中的应用

上限法求解简单，不用解大量复杂的偏微分方程，综合了各影响因素，通过功率平衡来计算挤压力等参数。国内外学者都利用上限法对齿轮冷挤压成形过程中挤压力的影响因素进行了分析，为制定合理的工艺和模具参数奠定了理论基础。如：江雄心等[5]依据上限法经典理论对带毂直齿圆柱齿轮的精锻过程进行了数学建模,并运用得到的模型建立了动可容速度场，得到了和实验数据相匹配的上限解；燕山大学李洪波等[6]利用上限法对直齿圆柱齿轮精锻过程进行了模拟研究，获得了成形过程中挤压力分布情况和金属填充齿廓过程中边界形状的变化规律；北京机电研究所尉喆等人[7]在没有对齿形渐开线进行简化的情况下，用上限法对直齿圆柱齿轮的径向冷挤压进行了分析,根据分析结果提出了一种动可容速度场,并运用这种速度场计算分析了齿轮模数、齿数以及摩擦因数等对成形力的影响；河南科技大学陈拂晓等[8]利用上限法UBET模拟圆柱直齿轮径向挤压过程的变形力和金属流动规律,分析了工艺参数和模具几何参数对变形过程中金属流动的影响；Grover等[9]将齿形轮廓线简化设定成梯形之后，利用上限法分析了模数、齿数等参数对成形力的影响，为直齿轮锻造奠定了上限解基础；Abdul 等[10]用上限法进行了直齿圆柱齿轮精锻的数值分析,论述了齿根圆直径、齿数以及工件与模具之间的摩擦状况等因素对金属流动和成形力的影响；Chitkara等[11]利用主应力法和上限元法对直齿圆柱齿轮锻造进行了研究,并进行了不同齿形、不同高径比的齿轮锻造实验,得到了有关变形力及齿形充填的一些结论。

3 齿轮冷挤压成形工艺研究进展

齿轮冷挤压由于变形过程中温度较低、金属流动性差导致成形压力较大，齿形填充往往达不到理想要求。复杂的渐开线齿形精度要求较高，如果一味加大载荷迫使金属填充齿廓，将导致模具变形、磨损非常严重，甚至断裂。因此，齿轮冷挤压成形的难点就是要在保证齿形充填完整的情况下最大限度地降低成形压力。国内外学者对齿轮冷挤压成形工艺均采用不同的方式进行了优化设计，主要包括了闭式冷精锻、分流成形两种工艺。

3.1 闭式冷精锻

闭式冷精锻是对轿车齿轮如传统的直锥齿轮或修形齿轮冷挤压加工的一种理想加工工艺，该工艺是利用凸模在一个或几个方向上对金属施加压力p2和p3，迫使金属在封闭的型腔内流动并充满齿腔。直锥齿轮冷精锻示意图如图1所示,上冲头和下冲头分别以相同或者不同的速度，对凹模封闭型腔内的金属皮料施加压力p2和p3，迫使金属充满型腔最终成形为齿轮。

针对直齿圆锥齿轮冷闭塞精锻，寇淑清等[12]以差速器行星齿轮作为研究对象，对冷闭塞锻造成形过程的模具曲面描述、接触搜索、接触约束、摩擦模型等关键技术问题作了相关处理。利用有限元模拟技术，分析了挤压过程中变形瞬间状态及力学量场，得到了齿形填充情况和成形缺陷情况的直观表达图，最后依据模拟采用的工艺参数进行了行星齿轮的冷闭塞锻造工艺实验，得到了满足工作要求的齿轮成形件。另外，韩国J-H Song等[13]对汽车变速器锥齿轮的冷闭塞精锻工艺进行了有限元数值模拟研究，对相关的工艺参数如压制形式、凸模位置和坯料直径进行了对比分析和选择，最终确定了最优工艺，该工艺避免了充不足和折叠等缺陷，并且通过试验得到了具备完整齿形且无任何成形缺陷的锥齿轮件。但是，这个工艺，所涉及的凸模出现了破裂的现象，且冷挤压件有一定的飞边。因此，针对该工艺，需要对凹模固定模块再次进行修正以提高定位性和改善模具安全性。在闭式冷精锻产品的质量及性能方面，吉林大学的黄良驹等[14-15]使用X射线衍射仪测量了采用闭塞冷锻方式成形的行星齿轮的位错密度，并对晶粒改变、纤维硬度分布规律、微观残余应力等微观组织性能进行了研究，结果表明：相对于传统切削加工而言，采用闭塞冷锻工艺生产的行星齿轮具有完整的金属流线分布，内部位错密度大量萌生和增殖形成了微观残余应力和加工硬化。因此，闭塞冷锻的行星齿轮齿根强度、硬度和耐磨性均要优于传统切削加工的齿轮。

3.2 分流成形

传统的闭式冷精锻是一个封闭的模锻环境，成形过程中，金属呈径向流动，这导致挤压力直线上升，特别是在充齿中和齿廓充满时，成形力急剧增大并达到最大值，造成凸模和凹模内腔磨损过快甚至破裂。为此，国内外学者提出分流成形的概念，其原理图如图2所示。

图2(a)、(c)为孔分流成形：将毛坯制造为空心形式，有利于挤压过程中构成一个环形分流面，金属以分流面为界，一部分向内侧流动使孔径缩小，一部分向外侧流动填充齿顶腔；图2(b)、(d)为轴分流成形：将模具制造为中空形式，在锻件中心轴的外径和锻件外径之间出现一个分流面, 金属以分流面为界，一部分向凸凹模的中心空腔中流动形成分流轴，一部分作径向流动填充齿顶腔。这两种分流成形的工艺主要用于汽车变速箱结合齿轮、倒挡中间齿轮和各种直齿圆柱齿轮的冷挤压成形。

早在1984年Kondo等[16]就提出了分流成形的概念，将带凸台齿轮冷挤压的坯料和模具分别开设了减压孔进行试验，发现这两种方法都能达到分流减压的目的。后来,Ohga等[17-21]又以直齿圆柱齿轮为研究对象对分流成形冷挤压工艺进行了改进，研究了模具结构和工艺参数对分流成形效果的影响，从而使直齿圆柱齿轮分流冷挤压技术更为完善。

不论是孔分流还是轴分流，均要涉及到毛坯尺寸、模具型腔尺寸的计算，应合理地分配毛坯孔径(或者模具中心孔径)与毛坯高度比、毛坯内外径之比。目前，采用的方法主要是依据主应力法建立毛坯内环和外环的应力平衡方程，求得挤压件分流面的位置，导出分流面半径的计算公式。依据上述理论方法，Song等[22-23]设计了直齿圆柱齿轮冷挤压成形的计算机辅助设计系统，并基于该系统分别对实心和空心分流齿轮的冷挤压过程进行了对比实验。实验结果表明：分流成形的齿轮填充效果明显优于实心齿轮，所开发的辅助设计系统预测的成形力与实验结果相吻合，该系统能有效地用于齿轮冷挤压工艺和模具设计。

4 结束语

国内针对直齿圆柱齿轮和锥齿轮的冷挤压技术研究较多，在现有两种基本的齿轮冷挤压成形工艺基础上，国内学者和工程师利用上限法、有限元分析模拟和物理实验等手段作出了许多工艺改进和模具结构创新，并且运用到了实际。但是，针对螺旋齿轮冷挤压的研究，由于成形难度大、脱模困难等因素，还未出现能够用于大批量生产的成形工艺。今后，轿车齿轮冷挤压成形技术的研究或将致力于螺旋齿轮冷挤压工艺的改进及其模具结构的优化设计。

学者和工程师们充分利用各种计算机技术和数学理论，研究了齿轮冷挤压过程中的金属流动规律，通过改进工艺参数和调整模具结构制定了可行的齿轮冷挤压工艺方案，也运用到了大批量生产中，但是，齿轮冷挤压模具的寿命依然不长。优化模具结构和模具制造工艺、提高模具的寿命将成为齿轮冷挤压成形技术新的发展方向。

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ResearchonColdExtrusionFormingTechnologyforGear

YIN Cunhong

(Guizhou Polytechnic College of Communications,Guiyang Guizhou 550001,China)

With large-scale of automotive manufacturing, high efficiency, high quality, low pollution, low-cost cold extrusion processes of automotive gear are more and more concerned by scholars and experts.Finite element analysis method and theoretical upper limit are used in cold extrusion forming process improvement of gear, closed forging and divided flow cold extrusion become key technologies of shunt straight bevel and spur gears for mass production.The status of cold extrusion process of automotive gear from was discussed from theoretical and process research, trend was also discussed.

Gear;Cold extrusion;Divided flow method;Closed forging

2014-09-18

尹存宏(1989—)，男，硕士研究生，助教，主要研究方向为机械制造技术。E-mail:13984356487@163.com。