提出了一種基于展成原理的齒輪冷滾打方法，并對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了滾打輪與齒坯之間的傳動(dòng)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(jì)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(shí)的毛坯直徑進(jìn)行計(jì)算。參照滾刀的設(shè)計(jì)方法，完成了打輪結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，給出了打輪有效齒數(shù)的計(jì)算方法；進(jìn)行了齒輪冷滾打試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了該工藝的可行性。

　　齒輪傳動(dòng)是利用齒輪之間的嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)械傳動(dòng)方式,廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、兵器、汽車、工程機(jī)械、冶金、建材、能源、石油化工等領(lǐng)域。齒輪作為機(jī)械裝備的重要基礎(chǔ)件,其性能和可靠性決定了機(jī)械裝備的性能和可靠性,其加工技術(shù)已成為衡量機(jī)械制造水平的重要標(biāo)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(qiáng)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(gè)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(jìn)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(jìn)行圓柱直齒輪精鍛模擬實(shí)驗(yàn),分析了閉式模鍛圓柱直齒輪時(shí)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(shí)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(jì)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(jìn)行重復(fù)漸進(jìn)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(jì)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(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并對冷滾打過程中的滾打力、金屬流動(dòng)情況等進(jìn)行了初步的研究[11-14]。李永堂等[15]也進(jìn)行了漸開線花鍵冷滾壓精密成形工藝分析及試驗(yàn)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(yán)重,大大縮短了打輪的使用壽命。同時(shí),由于滾打輪產(chǎn)品單一及價(jià)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(gè)滾打輪依次對毛坯進(jìn)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(gè)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(jì)及制造高水平的要求。

　　齒輪冷滾打成形是利用3個(gè)沿螺旋線均布的滾打輪對毛坯進(jìn)行斷續(xù)往復(fù)高速擊打,從而實(shí)現(xiàn)局部加載的多點(diǎn)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(diǎn)。本文提出的新型冷滾打原理,如圖1所示。3個(gè)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(dòng),隨著滾打軸的高速旋轉(zhuǎn),打頭座每轉(zhuǎn)一周,3個(gè)滾打輪依次對齒坯進(jìn)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(yùn)動(dòng)。在滾打過程中,打頭軸每轉(zhuǎn)一周,工件分度一個(gè)齒;當(dāng)工件轉(zhuǎn)過完整的一周時(shí),打頭軸軸向移動(dòng)距離V1。

　　因此,齒輪高速單點(diǎn)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(yùn)動(dòng)的同時(shí),通過斷續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生塑性變形,從而在連續(xù)運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(qiáng)度極限時(shí),發(fā)生塑性變形。冷滾打加工過程主要包括以下幾個(gè)運(yùn)動(dòng):打頭軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)n打頭、工件的分度運(yùn)動(dòng)n工件、滾打輪繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)ωr以及打輪座沿毛坯軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)f。為了保證沿螺旋線個(gè)打輪在每次擊打毛坯時(shí)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(dòng)比,其傳動(dòng)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(jī)床之間的主軸和分度盤之間的傳動(dòng)比為待加工齒輪齒數(shù)。

　　采用連續(xù)分度的方式進(jìn)行冷滾打時(shí),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(shí)將打輪沿螺旋線均布。打輪的安裝角計(jì)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(dòng)時(shí),BK上任意一點(diǎn)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(diǎn)與基圓中心的連線到漸開線起始點(diǎn)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(jì)算原理圖,圖3a)為標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪的截面,由圖中可以看出,標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(diǎn)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(shí),可得毛坯直徑d=59.338 2 mm。4 滾打輪初步設(shè)計(jì)4.1 打輪齒廓的初步設(shè)計(jì)提出的基于展成原理的冷滾打方法類似于滾齒的運(yùn)動(dòng)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(jì)參照滾刀的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行,圖7則為初步設(shè)計(jì)的模數(shù)m=3的打輪截面形狀。

　　4.2 打輪齒數(shù)設(shè)計(jì)在打輪設(shè)計(jì)過程中,其齒數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí),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(dāng)打輪最外側(cè)的輪齒參與成形過程時(shí),則認(rèn)為打輪上該齒有效,圖8即為齒輪冷滾打時(shí)的數(shù)學(xué)模型。

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

　　y2,將式(25)～(27)代入,整理可得(28)5 齒輪冷滾打?qū)嶒?yàn)研究由上述分析可知,基于展成法的齒輪冷滾打成形中,打頭與工件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系與滾齒過程中滾刀與工件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系相同,都需要嚴(yán)格保證刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與毛坯分度運(yùn)動(dòng)之間成齒數(shù)比關(guān)系。因此,實(shí)驗(yàn)基于YM3180E型滾齒機(jī)進(jìn)行改造,使其符合齒輪冷滾打加工所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求。圖9為改造后的齒輪冷滾打試驗(yàn)設(shè)備,所設(shè)計(jì)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(jì)的打頭裝置結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系圖。

　　從而3個(gè)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(jìn)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(jìn)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(dòng)比較明顯,如果材料流動(dòng)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(fèi),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(jì)性和實(shí)用性。因此需要對工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)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(shí),對應(yīng)加工的齒輪齒數(shù)z=50,圖12為硬鋁在分次進(jìn)給4.4

　　從圖12中可以看到,硬鋁材料沿軸向的流動(dòng)比紫銅材料的小。這可能存在以下兩點(diǎn)原因:硬鋁材料較紫銅材料硬度高,當(dāng)擊打速度相同時(shí),較硬材料的材料流動(dòng)性較小;分次進(jìn)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(dòng)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(jìn)給速度以及徑向進(jìn)給次數(shù)及對應(yīng)的單次進(jìn)給量。3)

　　mm時(shí)的冷滾打結(jié)果,結(jié)果表明,該改造機(jī)床對于較硬的材料也可以進(jìn)行冷滾打?qū)嶒?yàn),但是隨著材料硬度的提高,即便將徑向進(jìn)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(yùn)動(dòng)學(xué)的分析,給出了基于展成原理齒輪冷滾打時(shí)滾打輪與工件之間的傳動(dòng)關(guān)系,給出了滾打輪進(jìn)行螺旋線布置的方式及安裝方法。

　　聲明：該文觀點(diǎn)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)。