楊劍波

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學院基礎部，鄭州 450008)

造林是生產木材的重要步驟，造林機械是實現(xiàn)快速造林的重要方式之一。齒輪傳動是傳統(tǒng)造林機械中應用最為廣泛的傳動方式，同時齒輪也是機械傳動結構的基礎部件。我國的傳統(tǒng)工業(yè)對齒輪也有著較高的需求。齒輪成型技術的發(fā)展與我國機械制造行業(yè)的發(fā)展息息相關。就現(xiàn)有的齒輪傳動體系架構而言，常見的齒輪傳動有：圓柱直齒齒輪傳動、圓柱斜齒齒輪傳動以及人字齒輪傳動等。伴隨著齒輪成型技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了更加具有操作價值的圓弧齒輪傳動。這種新型的傳動方式兼具了傳統(tǒng)齒輪的優(yōu)點，在傳動過程中相比直齒齒輪具有更長的接觸線和更多的傳動接觸面積，齒輪空間曲線受到的瞬時沖擊大幅減小。然而這種新型的齒輪對當前的齒輪成型技術而言也是一種挑戰(zhàn)。在當前的傳動體系中引入數(shù)字化建模方法，可為新型齒輪傳動技術的研發(fā)提供堅實基礎。

1 造林機械齒輪成型工藝研究現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的造林機械齒輪成型工藝中，通常使用圓柱形胚料。在帶有齒形的模型腔內，上凹模下行會迫使金屬胚料發(fā)生流動并且逐漸填滿整個模具腔，這是當前齒輪成型工藝中最為基礎的方法。不斷發(fā)展的現(xiàn)代傳動技術，則對齒輪的成型鍛造提出了新的要求。為改善傳統(tǒng)齒輪鍛造工藝的不足，相關研究人員提出分流鍛造的思想，即在胚料上設置分流孔，以此來增加金屬胚料鍛造過程中的流動面積，從而減小齒輪成型后期的成型力。除此之外，現(xiàn)行的解決方案還包括在胚料上預留中心孔，使得在齒輪鍛造成型過程中，胚料在流向齒形的同時也會流向分流孔。從整體齒輪成型工藝的發(fā)展現(xiàn)狀來看，這幾種技術都在一定程度上改良了現(xiàn)有的齒輪成型工藝，并為齒輪傳動技術的快速發(fā)展提供支持。

2 造林機械齒輪成形工藝探究

2.1 機械齒輪成型工藝改良

在我國當前造林機械制造的整體架構中，齒輪傳動方面的問題占據(jù)著50%機械制造領域內的技術問題。造林機械齒輪的常見參數(shù)如表1所示。從實際情況來看，可以對金屬胚料的變形區(qū)進行局部加熱和加載，通過降低金屬材料的形變能力來達到減少加載面積的技術指標，進而實現(xiàn)降低胚料加載面積的技術目標。從整體的成型工藝來看，采用這種加熱工藝可以防止金屬胚料內部發(fā)生金屬形變。經過預熱處理的金屬胚料內部可以被視為剛性區(qū)，對于剛性區(qū)大小的判斷可以根據(jù)齒輪冷成型時的應變區(qū)來進行。在進行預熱處理時，可以清楚地看到金屬胚料內部的等效應變逐漸減少，因此在設計凸模時僅僅需要對金屬胚料的外部塑性區(qū)進行加熱處理，金屬胚料的感應加熱厚度也僅需要與塑性區(qū)的厚度接近即可。進行定型工藝處理時，技術胚料的尺寸則需要根據(jù)齒輪零件的實際體積來確定，同時在設計時需要預留出一定的余量，保證金屬胚料和齒輪零件的高度一致。

表1 造林機械齒輪常見參數(shù)Tab.1 Common gear parameters of afforestation machinery

2.2 機械齒輪成型凹模型腔設計

實現(xiàn)造林機械齒輪的高適應性需要有精確的模具作為支撐，通常凹模由胚料導入段、胚料成型段、胚料整型段三部分組成。在胚料成型段，往往要考慮金屬胚料的多種物理參數(shù)（見表2）。設置胚料導入段的目的是讓胚料更快地進入到模型里面，以提高胚料成型的速率。胚料成型段采用了金屬胚料所適應的大圓弧過渡，這使得金屬胚料下半部分先進入成型階段并且發(fā)生塑性變形。在成型階段齒頂先于齒根成型，然后金屬胚料繼續(xù)下行進入到胚料整型段，之前沒有成型的齒根面在此成型。該過程持續(xù)到整個金屬胚料完全進入到整型段為止，到此齒輪的齒形成型完成，凹模的任務結束。接下來凸模開始下移，并且逐步完成修整毛刺、精整齒形的任務。模具的頂件器通常會設計成圓餅狀，并且為確保產出成型件時起到導向的作用，該過程中頂件器的高度要始終保持一致。頂件器與凸模和凹模采用了小間隙的配合。常規(guī)的頂件器設定了金屬胚料的定位結構，并且下半部分會通過頂出桿與齒輪成型設備的頂出結構進行聯(lián)接。

表2 鋼的物理參數(shù)Tab.2 Physical parameters of steel

3 造林機械齒輪數(shù)字化建模研究

3.1 齒輪復雜曲面數(shù)字化建模

在造林機械齒輪真實齒面的總體構建中，研究較多的關鍵技術之一就是復雜線的重建，相關研究人員對此做了大量的研究，其中最為常見的就是在NURBS曲線網絡上使用連續(xù)的Gregory曲面進行覆蓋的齒輪數(shù)字化建模技術。這種方式是以修正盈虧為原則進行基礎構建，與之類似的還有迭代非均勻B-spline曲線曲面算法。對于齒輪齒面的構建方法研究主要包括兩類，一是利用齒輪曲面的插值算法來對插值曲面進行構造，這種建模方法的精度較高并且能夠準確地反映出齒面具體測量點的信息[1]；二是在采用一次線性插值建模計算的過程中，將面積權重插值法和線性插值法進行有機結合，以此實現(xiàn)對側面區(qū)域之外的數(shù)據(jù)測量點進行相對準確的預估，這種插補方法對于真實齒面的構建以及數(shù)據(jù)點的構建都保持著較高的精確度。

3.2 基于非特征分塊的齒面重構

非特征分塊齒面重構是齒輪數(shù)字化建模體系中一個較為獨特的分支， 同時這種曲面構建也是 STEP標準中產品數(shù)據(jù)模型的行業(yè)標準，在機械齒輪真實齒面的重構方面有較好的應用。當前在利用NURBS曲面來進行機械齒輪真實齒面重構的過程中，能夠精準測量的數(shù)據(jù)點十分有限，而基于非特征分塊的齒面重構法就很好地解決了這一問題。它利用了非真實的擬合曲線來對離散型的數(shù)據(jù)點進行了有權逼近，這種重構方法并不要求全部數(shù)據(jù)點都落在建模曲面上，而且建模得到的曲面光順性較好，缺點是精度比插值曲面要低。事實上非特征分塊的齒面重構是基于NURBS曲面的圓弧形齒輪真實齒面的仿真，將圓弧形的齒面通過掃描5×10點離散陣的方式并且使用三次NURBS曲面擬合。從整體上來看，由于齒面測量的數(shù)據(jù)點十分有限，所以這種建模方式主要適用于經過磨光處理并且較為光滑的齒面結構。

隨著新型齒輪成型技術的不斷發(fā)展，我國造林機械技術也在不斷的發(fā)展中獲得了技術填充。總體上凹凸模型腔的合理設計是齒輪成型的良好基礎，同時在齒輪成型過程中應適當采取措施減少金屬胚料的流動。確保這些成型因素的穩(wěn)定性，才能保證齒輪成型的質量。除此之外也可以使用數(shù)字化建模技術對齒輪進行齒面重構。在多種工藝的并行發(fā)展之下，我國現(xiàn)行的齒輪傳動技術必將得到較好的發(fā)展。