圓柱直齒輪雙輥滾軋成形工藝數(shù)值模擬及優(yōu)化

孫育竹，戶燕會

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，南陽 473000）

0 引言

齒輪軋制成形工藝按照軋制模具的不同可以分為楔橫軋成形工藝、兩凹板模成形工藝、凹板與圓柱軋輥成形工藝、圓柱軋輥成形工藝。

楔橫軋采用漸變的齒狀條板依據(jù)咬入，滾軋，校正三個漸變工序完成齒輪軋制。軋條上的軋齒成直線排布，軋條相對運動使坯料旋轉(zhuǎn)[1]。這種工藝的軋條加工便捷，但由于齒形誤差累積引起加工齒輪精度降低。兩凹板軋制和凹板圓柱輥軋制成形工藝相似，都通過相對運動完成軋坯到齒輪的轉(zhuǎn)化。但模具加工困難，模具安裝配合要求精度較高，使用不便捷。用圓柱軋輥成形工藝可根據(jù)軋輥數(shù)量分為單軋輥、雙軋輥、三軋輥成形。單軋輥工藝操作簡單，但軋件單方向受力較大，軋件易失穩(wěn)。三軋輥成形工藝成形精度和效率都較高，但相位差控制困難，容易在軋制過程中出現(xiàn)花齒現(xiàn)象。

本文中采用的雙輥軋成形的齒輪，在確定的相位差下利用局部塑性變形方法軋制齒輪，軋制力小且均衡，加工效率高，若采用配合齒輪進行加工，精度更高。

1 雙軋輥成形工藝

輥軋成形按照軋輥的數(shù)量可以分為單軋成形，雙軋成形和三軋成形。單軋成形工藝中，軋坯單方向受較大的軋制力，坯料易失穩(wěn)，設(shè)備也應(yīng)為長期單方向受力容易失穩(wěn)，成品精度較低。三軋成形工藝中要求軋輥有相當高的相位差，以保證在軋制軋坯的過程中不會出現(xiàn)亂齒。雙軋成形工藝雖然對軋輥相位差的要求也較高，但在實際生產(chǎn)過程中校正簡單，同時軋坯受力均衡，變形對稱，有利于齒輪成形。

雙軋輥成形工藝如圖1所示采用一對分別安裝在兩根主軸上的參數(shù)相同的軋輥，并且在驅(qū)動裝置的作用下同時同步進行旋轉(zhuǎn)進給工作。軋件兩端由頂尖定位并在兩軋輥進給運動的過程中隨著軋輥旋轉(zhuǎn)。在軋輥的壓力作用下軋件表面產(chǎn)生塑性變形，隨著軋輥的進給與旋轉(zhuǎn)軋件表面生成輪齒形狀。

圖1 雙軋輥成形工藝示意圖

1.1 齒坯尺寸的確定

軋件尺寸是影響軋制件質(zhì)量的主要因素之一。軋制成形齒輪齒坯尺寸的確定遵循體積不變原則。如圖2所示，伴隨著軋輥逐漸滲透進入軋件，軋輥軋制方向和速度等運動參數(shù)的調(diào)整配合，軋件A2部分的金屬流入軋輥與軋件接觸時的空隙部分，當工藝達到所需軋制件尺寸時，A2部分體積轉(zhuǎn)入A1部分，形成軋制件[2,3]。即A1=A2如圖2所示。

圖2 體積不變條件下的軋件尺寸

1.2 軋輥工藝參數(shù)的確定

本文中采用齒輪副中的從動輪作為齒輪軋制模型的軋輥，并對從動輪進行一些參數(shù)優(yōu)化，削薄軋輥輪齒齒形，改善齒頂?shù)菇呛妄X根倒角，使之在軋制過程中，減少打滑，防止軋輥所受彎矩過大和軋件齒形堆疊等情況發(fā)生。

1.3 齒輪軋制模型的建立

圖3 齒輪軋制模型

在實際生產(chǎn)過程中，軋件以兩端中心孔定位加緊，頂尖控制軋件位置。軋件由于與軋輥間的摩擦，隨著軋輥自由旋轉(zhuǎn)。但是在DEFORM-3D模擬過程中，由于軟件自身協(xié)調(diào)不當，當軋件設(shè)置為自由旋轉(zhuǎn)時，會因為約束條件無法正常使用而脫離軋制模型。因此，采用軋件無運動，軋輥做徑向進給運動的同時，進行自轉(zhuǎn)和圍繞軋件的公轉(zhuǎn)運動[4]如圖3所示。

本文中采用齒輪模型參數(shù)如下：

根據(jù)齒輪尺寸計算關(guān)系可得出構(gòu)件齒輪模型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 圓柱直齒輪軋制模型基本參數(shù)

2 雙軋輥成形模擬分析

軋件成形過程主要分為三個階段：軋入階段，成形階段和校正階段。

1）在輥軋的軋入階段（如圖4(a)所示），軋輥與軋件之間可能會出現(xiàn)純滾動情況，變形力無規(guī)律。隨著軋輥的逐漸深入，軋件表面金屬流動產(chǎn)生凸起和凹槽。軋件局部變形。

2）在成形階段（如圖4(b)所示），凸起和凹槽會逐漸增大，形成輪齒和齒槽。此時軋件表層應(yīng)力分布規(guī)律變化。伴隨著凸起和凹槽有規(guī)律的環(huán)形分布，軋件呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的塑性變形。

3）當軋件輪齒成形完畢，軋件齒形已基本成形，飽滿，再將軋輥反轉(zhuǎn)校正（如圖4(c)所示）。在軋制成形過程中，由于軋件單方向受力引起軋件輪齒單方向傾斜。反轉(zhuǎn)校正不僅有利于均衡軋件輪齒，而且能夠改善在前期軋制過程中因軋輥單方向旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)的輪齒傾斜的狀況，同時能夠改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 圓柱直齒輪軋制過程

根據(jù)軋制過程模擬情況可以看出，在軋入階段，軋件的表面出現(xiàn)了不規(guī)則的塑性變化，而且也因為純滾動出現(xiàn)了毛刺。正是這些毛刺和凸起的出現(xiàn)，對軋輥運動起到了阻礙作用，同時也增加了軋輥與軋件之間的摩擦力。

根據(jù)軋制過程中溫度場和應(yīng)力場的變化情況，可以看出，輥軋成形過程中，軋坯溫度幾乎無變化。齒輪成形所需的成形力小，尤其是在輥軋的軋入階段，由于軋輥與軋件之間的摩擦力小，純滾動情況較為嚴重，成形力分布很不均勻（如圖5(a)所示）。隨著軋制的繼續(xù)進行，軋件逐漸發(fā)生塑性變化，成形力穩(wěn)態(tài)分布且較小（如圖5(b)所示）。溫度變化對軋輥影響小。同時，軋制過程中的塑性變形基本上都集中在軋件表層部分，而在校正階段齒坯會連續(xù)生大規(guī)模的塑性變形，成形應(yīng)力也較大（如圖5(c)所示）。

圖5 軋制過程中等效應(yīng)力分布情況

圖6 軋制過程中軋件齒數(shù)變化示意圖

在軋入階段進行過程中，初始階段的凸起為18個（如圖6(a)所示），并且形狀較小。在軋輥深入的過程中，凸起逐漸飽滿，數(shù)目減少（如圖6(b)所示）。最終達到所需數(shù)目并軋制成輪齒形狀（如圖6(c)所示）。這是由于齒輪副本來以分度圓為基準進行嚙合，但在軋制初始階段軋坯和軋輥分別以dpre和Dhd接觸嚙合，其嚙合時的圓周長比例小于以分度圓dp和Dp為基準嚙合時的圓周長比。此外，由于在軋入階段的純滾動現(xiàn)象，并對接下來的軋制過程產(chǎn)生了影響。因此，軋輥與軋坯在軋入階段會有較多凸起產(chǎn)生。根據(jù)軋制過程的應(yīng)力變化得出，當軋件凸起數(shù)目發(fā)生變化時，應(yīng)變范圍較大，同時，發(fā)生凸起合并處的金屬折疊較為嚴重。

3 優(yōu)化方法與結(jié)論

1）軋輥齒輪階段化。將軋輥齒輪分為初軋、軋制和精修三種類型。初軋時按照軋輥和軋件分度圓相接觸的原則設(shè)計軋輥尺寸，軋制時利用完整軋輥尺寸，精修時軋輥齒輪尺寸精確，圓角略大。在分階段軋制過程中根據(jù)軋件和軋輥的配合，使軋輥在軋件表面，強制按照15齒所需弧長接觸，增加嚙合穩(wěn)定性，減少軋輥和軋件之間的滑動。從而使咬入階段軋件塑性變形更加穩(wěn)定。

2）優(yōu)化數(shù)值模擬參數(shù)。在實際生產(chǎn)中的兩齒輪以分度圓相嚙合，齒輪轉(zhuǎn)速以分度圓轉(zhuǎn)速為準，齒輪徑向線速度隨著主動軋輥齒輪的深入發(fā)生變化。而在利用Deform-3D軟件進行齒輪軋制成形數(shù)值模擬時，由于軟件參數(shù)自身限制，無法設(shè)置動態(tài)的輥軋參數(shù)，因此模擬結(jié)果與實際略有差異。

3）工藝根據(jù)軋件體積不變原則通過軋輥與軋件間的擠壓旋轉(zhuǎn)，使軋件表層金屬流動產(chǎn)生塑性變形，形成齒輪輪齒。并且由于軋件是局部對稱變形，所需軋制力小，溫度變化小，軋輥使用率低，有利于模具的長時間使用，驗證齒輪軋制成形的可行性。

4）精密成形的鍛件至少部分表面的尺寸精度和形狀精度達到可直接應(yīng)用裝配的程度或者僅需經(jīng)過磨削加工就可直接裝配的程度。精密塑性成形齒輪有沿齒廓合理分布而連續(xù)的金屬纖維和致密組織，齒輪的強度、齒面的耐磨能力、熱處理變形量和嚙合噪音都比切削加工優(yōu)越；塑性成形齒輪的強度、抗彎疲勞強度可提高20%，生產(chǎn)成本降低20%以上。但必須注意軋制成形過程中，由于金屬纖維流動引起的金屬堆疊的缺陷。

[1]王廣春,李錦,吳濤等.齒輪滾軋成形技術(shù)及其研究進展[J].航空制造技術(shù),2016,(17):36-40

[2]喬碩,孫振,李曉東,等.圓柱斜齒輪滾軋成型技術(shù)工藝數(shù)值模擬[J].精密制造與自動化,2014,(3):48-50

[3]Dr.Ing.e.h.Heinz Tschaetsch, Kaiserplatzra. Metal forming practice[M].Germany,2005,56-76

[4]R.Neugebauer, M.Putz, U.Hellfritzsch. Improved process design and quality for gear manufacturing with flat and round rolling[J].Manufacturing Technology.2007,56(1):307-312.