提出了一種基于展成原理的齒輪冷滾打方法，并對其進行運動學分析，得到了滾打輪與齒坯之間的傳動比關(guān)系。為了避免冷滾打過程中打輪與齒坯的干涉問題，給出了安裝角的計算方法；根據(jù)塑性成形中的體積不變原則，對漸開線齒輪冷滾打加工時的毛坯直徑進行計算。參照滾刀的設(shè)計方法，完成了打輪結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計，給出了打輪有效齒數(shù)的計算方法；進行了齒輪冷滾打試驗，初步驗證了該工藝的可行性。

　　齒輪傳動是利用齒輪之間的嚙合傳遞動力和運動的一種機械傳動方式,廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、兵器、汽車、工程機械、冶金、建材、能源、石油化工等領(lǐng)域。齒輪作為機械裝備的重要基礎(chǔ)件,其性能和可靠性決定了機械裝備的性能和可靠性,其加工技術(shù)已成為衡量機械制造水平的重要標志之一[1]。

　　目前,齒輪加工仍以切削加工為主,無論是滾齒、銑齒或是磨齒等,都是在金屬棒料上用成形刀具或砂輪徑向切斷金屬纖維而形的,材料利用率低、能耗大,尤其是加工過程中切斷了金屬纖維流線,造成制件強度、疲勞壽命及耐沖擊性能下降。精密塑性成形齒輪由于具有節(jié)省材料、節(jié)能、成本低、效率高等顯著優(yōu)勢,因此在汽車等行業(yè)中被廣泛采用[2]。目前的研究主要集中于齒輪的精密鍛造和精密擠壓成形[3]。趙軍等[4]利用兩個齒輪狀工具,在液壓加載情況下與工件對滾,使工件表面受到擠壓逐漸變形成為所需要的齒輪。程羽等[5]研究了直齒圓柱齒輪的冷精鍛過程,分析了分流孔形狀、成形工藝等因素對齒輪成形的影響。Chitkara等[6]對直齒圓柱齒輪的塑性成形進行數(shù)值模擬研究,對不同摩擦狀態(tài)下鍛件的變形狀況及成形載荷作了理論分析。Choi等[7]用工業(yè)純鉛進行圓柱直齒輪精鍛模擬實驗,分析了閉式模鍛圓柱直齒輪時組合凹模的等效應(yīng)變和相對平均應(yīng)力的分布規(guī)律。王廣春等[8]提出了“閉式模鍛-向內(nèi)分流”的直齒圓柱齒輪兩步成形工藝方案。但是直齒輪和斜齒輪的精密鍛造、精密擠壓技術(shù)目前尚處于研究階段,其核心問題是模具制造成本高而使用壽命遞,尚難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

　　Ernst. Grob和Benjamin. Grob于1955年提出了一種新型的高效、經(jīng)濟的金屬成型方法—冷滾打成形方法,稱之為GROB法。該方法尤其適用于齒輪或者具有相似溝槽的圓柱截面零件的加工,齒形由單輪或者一系列相同的滾輪對毛坯進行重復漸進擊打成形。李言、崔鳳奎等[9-10]分析了花鍵冷滾打技術(shù)的基本原理,利用空間嚙合原理計算得到了滾打輪的部分齒廓,開發(fā)了滾打輪CAD系統(tǒng)和磨削仿真系統(tǒng),進行了相關(guān)實驗驗證,并對冷滾打過程中的滾打力、金屬流動情況等進行了初步的研究[11-14]。李永堂等[15]也進行了漸開線花鍵冷滾壓精密成形工藝分析及試驗研究。

　　目前,對于齒輪冷滾打技術(shù)的研究主基于GROB法的雙輪單齒對稱滾打模型,其成形方式近似于成形法,對打輪輪廓的制造精度及質(zhì)量要求較高;在冷滾打過程中,由于摩擦的存在,打輪在磨損后對齒輪加工齒廓影響比較嚴重,大大縮短了打輪的使用壽命。同時,由于滾打輪產(chǎn)品單一及價格昂貴,使其應(yīng)用受到了極大的限制。本文提出一種基于展成原理的齒輪冷滾打技術(shù),利用螺旋線個滾打輪依次對毛坯進行高速擊打,從而生成所需要的齒輪齒廓。此種方法所形成的齒廓截面由滾打輪的各個齒包絡(luò)生成,減小了打輪磨損對成形齒廓的影響,從而可以降低冷滾打技術(shù)對打輪的設(shè)計及制造高水平的要求。

　　齒輪冷滾打成形是利用3個沿螺旋線均布的滾打輪對毛坯進行斷續(xù)往復高速擊打,從而實現(xiàn)局部加載的多點累積變形的自由成形方法,其成形過程具有高速、瞬態(tài)、高沖擊、大變形等特點。本文提出的新型冷滾打原理,如圖1所示。3個滾打輪沿螺旋線均布在打頭座上,并可繞自身軸線自由轉(zhuǎn)動,隨著滾打軸的高速旋轉(zhuǎn),打頭座每轉(zhuǎn)一周,3個滾打輪依次對齒坯進行高速擊打,而在滾打輪與毛坯接觸的瞬間,滾打輪與工件之間的摩擦力作用促使?jié)L打輪做自轉(zhuǎn)運動。在滾打過程中,打頭軸每轉(zhuǎn)一周,工件分度一個齒;當工件轉(zhuǎn)過完整的一周時,打頭軸軸向移動距離V1。

　　因此,齒輪高速單點冷滾打累積成形,是依靠材料的固有塑性,在被成形件與成形工具(滾打輪)之間具有內(nèi)鏈相對運動的同時,通過斷續(xù)往復運動的成形工具對不斷旋轉(zhuǎn)的制件表面高速擊打,迫使制件表面局部金屬流動產(chǎn)生塑性變形,從而在連續(xù)運動中不斷擊打齒坯產(chǎn)生累積效應(yīng),最終形成預(yù)定形狀要求的一種無模無約束自由塑性成形技術(shù)。

　　基于展成法的齒輪冷滾打技術(shù)通過一組呈螺旋線布置的打輪依次對齒輪毛坯進行高速擊打,擊打力作用在毛坯上所產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料本身的強度極限時,發(fā)生塑性變形。冷滾打加工過程主要包括以下幾個運動:打頭軸的回轉(zhuǎn)運動n打頭、工件的分度運動n工件、滾打輪繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運動ωr以及打輪座沿毛坯軸向的進給運動f。為了保證沿螺旋線個打輪在每次擊打毛坯時都能擊打在有效位置而不發(fā)生切齒現(xiàn)象,打頭軸的回轉(zhuǎn)速度與工件分度轉(zhuǎn)速之間必須保持恒定的傳動比,其傳動比為

　　式中:n打頭為打頭軸的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,r/min;n工件為工件分度轉(zhuǎn)速,r/min;ωg為打頭軸的公轉(zhuǎn)角速度,rad/s;ωw為工件的自轉(zhuǎn)角速度,rad/s;z為齒輪的齒數(shù)。

　　對于不同的齒數(shù),需選取合適的分度掛輪,使機床之間的主軸和分度盤之間的傳動比為待加工齒輪齒數(shù)。

　　采用連續(xù)分度的方式進行冷滾打時,滾打輪和工件之間總存在有“干涉”現(xiàn)象,因此為了減小干涉量的存在,在設(shè)置打輪時將打輪沿螺旋線均布。打輪的安裝角計算公式為

　　式中:n為打輪頭數(shù);mn為齒輪法向模數(shù);R為打輪公轉(zhuǎn)半徑;D為打輪直徑。

　　如圖2所示,發(fā)生線BK沿半徑為rb的圓周做純滾動時,BK上任意一點K所形成的軌跡線AK即為該圓的漸開線,此圓即為漸開線的基圓。漸開線上一點與基圓中心的連線到漸開線起始點與基圓中心連線的夾角成為漸開線 漸開線為漸開線齒輪橫截面面積計算原理圖,圖3a)為標準漸開線齒輪的截面,由圖中可以看出,標準漸開線齒輪齒廓由齒頂圓弧、漸開線、齒底過度圓弧、齒底圓弧四部分組成。由于漸開線齒輪各齒均勻分布并且具有對稱性,因此研究1/4齒形的面積則可得到整個齒廓截面的面積。在圖3b)中可以得出1/4齒形即為

　　1BC、O1CF、OCD、ODE;而在AB段由于AB兩點直線距離較短,即齒底圓所在的弦長較短,因此帶有一條邊為曲線的OABF的面積近似等于四邊形OABF的面積;FBC的面積處理為O1CF的面積與O1BC面積的差。則齒面截面面積求解公式為A=2z(A

　　a=1、齒底高系數(shù)c*=0.25時,可得毛坯直徑d=59.338 2 mm。4 滾打輪初步設(shè)計4.1 打輪齒廓的初步設(shè)計提出的基于展成原理的冷滾打方法類似于滾齒的運動過程,而打輪在打輪座上的安裝呈螺旋線布置,因此打輪的初步設(shè)計參照滾刀的設(shè)計思路進行,圖7則為初步設(shè)計的模數(shù)m=3的打輪截面形狀。

　　4.2 打輪齒數(shù)設(shè)計在打輪設(shè)計過程中,其齒數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時,會對成形過程產(chǎn)生影響,且與所需加工的齒輪模數(shù)以及齒數(shù)有關(guān)。冷滾打過程中,當打輪最外側(cè)的輪齒參與成形過程時,則認為打輪上該齒有效,圖8即為齒輪冷滾打時的數(shù)學模型。

　　在齒坯的內(nèi)部,則認為其參與成形過程,該齒的設(shè)計有效;反之,若其在外側(cè),則該齒設(shè)計無效,不參與成形過程。因此對于任意一個模數(shù)為

　　y2,將式(25)～(27)代入,整理可得(28)5 齒輪冷滾打?qū)嶒炑芯坑缮鲜龇治隹芍?基于展成法的齒輪冷滾打成形中,打頭與工件之間的運動關(guān)系與滾齒過程中滾刀與工件之間的運動關(guān)系相同,都需要嚴格保證刀具回轉(zhuǎn)運動與毛坯分度運動之間成齒數(shù)比關(guān)系。因此,實驗基于YM3180E型滾齒機進行改造,使其符合齒輪冷滾打加工所需的運動學要求。圖9為改造后的齒輪冷滾打試驗設(shè)備,所設(shè)計的打頭座安裝方法與滾刀的安裝方法相同。圖10為所設(shè)計的打頭裝置結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系圖。

　　從而3個打輪齒廓曲面成近似螺旋線布置。芯軸與滾打輪之間的支承連接件選用NKXR-25型滾針軸承,以保證打輪在冷打過程中,受到摩擦力后可以自由回轉(zhuǎn)。

　　min,打輪座軸向進給速度v=0.56mm/r(工件)。1) 紫銅冷滾打紫銅坯料對應(yīng)加工齒輪齒數(shù)z=34,圖11為一次軸向進給5.93mm冷滾打后的結(jié)果,可以清晰的看到,輪齒分布較完整,但是材料沿軸向的流動比較明顯,如果材料流動得不到解決,則必須增加必要的后處理工序,一者造成材料的巨大浪費,二者大大降低了齒輪加工的生產(chǎn)效率,大大減小了冷滾打技術(shù)的經(jīng)濟性和實用性。因此需要對工藝參數(shù)進行進一步優(yōu)化調(diào)整,以獲得相應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù),使得齒坯的成形質(zhì)量較好。

　　2) 硬鋁冷滾打硬鋁坯料冷滾打時,對應(yīng)加工的齒輪齒數(shù)z=50,圖12為硬鋁在分次進給4.4

　　從圖12中可以看到,硬鋁材料沿軸向的流動比紫銅材料的小。這可能存在以下兩點原因:硬鋁材料較紫銅材料硬度高,當擊打速度相同時,較硬材料的材料流動性較小;分次進給中,單次擊打過程中受力較小,也相應(yīng)了減小了材料的軸向流動性能。因此工藝參數(shù)的優(yōu)化應(yīng)包括冷打過程中的打輪回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、軸向進給速度以及徑向進給次數(shù)及對應(yīng)的單次進給量。3)

　　mm時的冷滾打結(jié)果,結(jié)果表明,該改造機床對于較硬的材料也可以進行冷滾打?qū)嶒?但是隨著材料硬度的提高,即便將徑向進給量減小到0.5mm

　　圖13 Q235冷打結(jié)果圖6 結(jié)論1) 通過對齒輪冷滾打原理及運動學的分析,給出了基于展成原理齒輪冷滾打時滾打輪與工件之間的傳動關(guān)系,給出了滾打輪進行螺旋線布置的方式及安裝方法。

　　聲明：該文觀點僅代表作者本人，搜狐號系信息發(fā)布平臺，搜狐僅提供信息存儲空間服務(wù)。