曲國波　鄧艷芳

摘要：齒輪是減速機(jī)行業(yè)最重要的傳動件。傳統(tǒng)齒輪加工工藝復(fù)雜，材料利用率和生產(chǎn)率低，能耗和成本高。楔橫軋作為一種零件成形新工藝，可大幅提高生產(chǎn)效率和材料利用率，本文將楔橫軋和齒輪加工有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)軋制模具，軋制齒形毛坯，節(jié)約原材料，降低制造成本，提高齒輪的疲勞強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：齒輪，楔橫軋，齒輪毛坯，生產(chǎn)效率，材料利用率，模具

引言

齒輪最常見加工的方法仍以切削加工為主，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、材料利用率低、能耗大、成本高。楔橫軋工藝是一種少切削或無切削加工的高效金屬零件成形新工藝、新技術(shù)。與傳統(tǒng)的切削、鍛造零件成形工藝相比較，它具有生產(chǎn)效率高3～7倍，節(jié)約材料率20%～40%，生產(chǎn)成本低30%左右等優(yōu)點(diǎn)。

楔橫軋工作原理

楔橫軋工作原理如圖1所示，兩個(gè)帶楔形模具的軋輥，以相同的方向旋轉(zhuǎn)并帶動圓柱形軋件旋轉(zhuǎn)，軋件在楔形模具的作用下，產(chǎn)生徑向壓縮、軸向延伸、橫向擴(kuò)展，最終軋制成各種軸類零件楔橫軋工藝目前已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)齒輪軸、汽車轉(zhuǎn)向螺桿、變速箱軸等零件。

楔橫軋技術(shù)和齒輪加工技術(shù)相結(jié)合，將楔橫軋和齒輪范成加工工藝有機(jī)結(jié)合，使階梯軸和齒輪輪齒一次成形，可以使齒輪制造工藝大大簡化，制造成本明顯降低，強(qiáng)度、耐磨性等技術(shù)指標(biāo)大大提高。

本文主要從楔橫軋軋制成形齒輪的模具設(shè)計(jì)、有限元模擬、成形機(jī)理等方面進(jìn)行研究。

楔橫軋軋制齒輪工作原理

如圖2所示：楔橫軋軋制齒輪工作原理為：左右兩個(gè)帶有模具齒形的軋輥同向旋轉(zhuǎn)，齒坯軋件反向旋轉(zhuǎn)，軋件在軋輥模具作用下軋出齒形，齒輪與軋輥之間的運(yùn)動類似于模數(shù)與壓力角相同的兩個(gè)齒輪嚙合傳動。

如圖3所示：以軋制模數(shù)m=2.5mm，齒數(shù)Z=17，分度圓壓力角α=20°，全齒高=6mm的標(biāo)準(zhǔn)直齒為例，軋制過程中分成型區(qū)和精整區(qū)；成型區(qū)分為四步驟，模具逐步楔入分為4步驟部分進(jìn)行，自第一步到第四步楔入量分別為1.251mn；第五步為精整區(qū)，目的是優(yōu)化齒形形狀，所以楔入量為0。

隨著模具從成型區(qū)到精整區(qū)各步驟不斷楔入軋件，最終軋出完整的齒形。在齒輪軋制過程中，模具的前幾步齒形采用較大壓力角α?xí)r，可以有效增加模具對軋件的徑向壓力、降低摩擦系數(shù)對傳動的影響，有利于后續(xù)齒形準(zhǔn)確壓入已經(jīng)軋出的軋件齒槽中。

楔橫軋軋制邊界條件

軋制成形齒輪的工藝參數(shù)包括：軋制溫度、摩擦系數(shù)、軋制速度、軋件原始尺寸、軋件材料以及模具基圓直徑、模具齒形高度等。

楔橫軋軋制溫度1200%，軋制速度9-15轉(zhuǎn)份，摩擦系數(shù)設(shè)為0.4，軋件棒料直徑尺寸50mm，本文中軋件的材料為18CrNiM07-6鋼，表面硬化鋼，是歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會的鋼號表示方法，其數(shù)字編號為1.6587。

有限元模型建立

應(yīng)用UG軟件建立模具和軋件的實(shí)體模型。圖4為楔橫軋軋制漸開線齒輪有限元模型，軋制過程中滾動模具逐漸軋入加熱的軋件，軋件上受擠壓的金屬向齒槽內(nèi)流動，逐漸形成齒形。模具視為剛體，軋件視為剛塑性，忽略模具和軋件之間的熱傳導(dǎo)，忽略軋件的自重。

如圖5所示：齒輪楔橫軋的成形過程是—個(gè)熱塑性變形的過程，在軋制過程中，兩個(gè)帶有齒形的輥式模具同方向轉(zhuǎn)動，帶動熱態(tài)金屬坯料作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在上下模具共同作用下，熱態(tài)軋件實(shí)現(xiàn)徑向壓縮，逐漸形成齒形。

從圖6中可看出，齒輪軋制過程中加熱的軋件齒槽逐漸變深，齒形高度逐漸變高，最后軋制出完整齒形。

楔橫軋軋制齒輪結(jié)果分析

如圖7所示，軋件完成軋制，從縱向看，軋件已基本形成完整的漸開線齒形，成形效果良好，而從橫向看，軋件齒高從軋件中心到邊緣逐漸降低，在齒寬兩側(cè)有“塌邊”現(xiàn)象，所以可以斷定，軋件中心處僅發(fā)生徑向位移，而軋件軋制區(qū)的其余地方既有徑向位移，也有軸向位移。

結(jié)論

本文以軋制成形齒輪為研究對象，將理論模型和有限元仿真模型相結(jié)合進(jìn)行研究，主要獲得了如下成果和結(jié)論：

1.通過有限元模擬，分析齒輪軋制過程軋制溫度、軋件速度、楔人量、壓力角對齒形成形工藝，研究軋制齒輪的成形原理和模具設(shè)計(jì)方法，可以得到較高質(zhì)量的齒形，簡化制造工藝，制造成本降低，強(qiáng)度、耐磨性指標(biāo)得到提高，縮短工時(shí)，改善工人勞動環(huán)境。

3.采用楔橫軋軋制的齒輪精度達(dá)不到使用要求，把其作為齒輪毛坯投入到后續(xù)精加或精磨工藝中進(jìn)行再加工。通過改進(jìn)模具、優(yōu)化各影響參數(shù)等方法軋制出出具有一定精度的齒輪，為楔橫軋軋制齒輪技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中提供了理論依據(jù)和參考。