造林機(jī)械的齒輪成型工藝與數(shù)字化建模研究*

楊劍波

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)部，鄭州 450008)

造林是生產(chǎn)木材的重要步驟，造林機(jī)械是實(shí)現(xiàn)快速造林的重要方式之一。齒輪傳動(dòng)是傳統(tǒng)造林機(jī)械中應(yīng)用最為廣泛的傳動(dòng)方式，同時(shí)齒輪也是機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部件。我國(guó)的傳統(tǒng)工業(yè)對(duì)齒輪也有著較高的需求。齒輪成型技術(shù)的發(fā)展與我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。就現(xiàn)有的齒輪傳動(dòng)體系架構(gòu)而言，常見(jiàn)的齒輪傳動(dòng)有：圓柱直齒齒輪傳動(dòng)、圓柱斜齒齒輪傳動(dòng)以及人字齒輪傳動(dòng)等。伴隨著齒輪成型技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了更加具有操作價(jià)值的圓弧齒輪傳動(dòng)。這種新型的傳動(dòng)方式兼具了傳統(tǒng)齒輪的優(yōu)點(diǎn)，在傳動(dòng)過(guò)程中相比直齒齒輪具有更長(zhǎng)的接觸線和更多的傳動(dòng)接觸面積，齒輪空間曲線受到的瞬時(shí)沖擊大幅減小。然而這種新型的齒輪對(duì)當(dāng)前的齒輪成型技術(shù)而言也是一種挑戰(zhàn)。在當(dāng)前的傳動(dòng)體系中引入數(shù)字化建模方法，可為新型齒輪傳動(dòng)技術(shù)的研發(fā)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 造林機(jī)械齒輪成型工藝研究現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的造林機(jī)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(nèi)，上凹模下行會(huì)迫使金屬胚料發(fā)生流動(dòng)并且逐漸填滿整個(gè)模具腔，這是當(dāng)前齒輪成型工藝中最為基礎(chǔ)的方法。不斷發(fā)展的現(xiàn)代傳動(dòng)技術(shù)，則對(duì)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(guān)研究人員提出分流鍛造的思想，即在胚料上設(shè)置分流孔，以此來(lái)增加金屬胚料鍛造過(guò)程中的流動(dòng)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(yù)留中心孔，使得在齒輪鍛造成型過(guò)程中，胚料在流向齒形的同時(shí)也會(huì)流向分流孔。從整體齒輪成型工藝的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，這幾種技術(shù)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(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展提供支持。

2 造林機(jī)械齒輪成形工藝探究

2.1 機(jī)械齒輪成型工藝改良

在我國(guó)當(dāng)前造林機(jī)械制造的整體架構(gòu)中，齒輪傳動(dòng)方面的問(wèn)題占據(jù)著50%機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)問(wèn)題。造林機(jī)械齒輪的常見(jiàn)參數(shù)如表1所示。從實(shí)際情況來(lái)看，可以對(duì)金屬胚料的變形區(qū)進(jìn)行局部加熱和加載，通過(guò)降低金屬材料的形變能力來(lái)達(dá)到減少加載面積的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低胚料加載面積的技術(shù)目標(biāo)。從整體的成型工藝來(lái)看，采用這種加熱工藝可以防止金屬胚料內(nèi)部發(fā)生金屬形變。經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的金屬胚料內(nèi)部可以被視為剛性區(qū)，對(duì)于剛性區(qū)大小的判斷可以根據(jù)齒輪冷成型時(shí)的應(yīng)變區(qū)來(lái)進(jìn)行。在進(jìn)行預(yù)熱處理時(shí)，可以清楚地看到金屬胚料內(nèi)部的等效應(yīng)變逐漸減少，因此在設(shè)計(jì)凸模時(shí)僅僅需要對(duì)金屬胚料的外部塑性區(qū)進(jìn)行加熱處理，金屬胚料的感應(yīng)加熱厚度也僅需要與塑性區(qū)的厚度接近即可。進(jìn)行定型工藝處理時(shí)，技術(shù)胚料的尺寸則需要根據(jù)齒輪零件的實(shí)際體積來(lái)確定，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)需要預(yù)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(jī)械齒輪常見(jiàn)參數(shù)Tab.1 Common gear parameters of afforestation machinery

2.2 機(jī)械齒輪成型凹模型腔設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)造林機(jī)械齒輪的高適應(yīng)性需要有精確的模具作為支撐，通常凹模由胚料導(dǎo)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(jiàn)表2）。設(shè)置胚料導(dǎo)入段的目的是讓胚料更快地進(jìn)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(yīng)的大圓弧過(guò)渡，這使得金屬胚料下半部分先進(jìn)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(jìn)入到胚料整型段，之前沒(méi)有成型的齒根面在此成型。該過(guò)程持續(xù)到整個(gè)金屬胚料完全進(jìn)入到整型段為止，到此齒輪的齒形成型完成，凹模的任務(wù)結(jié)束。接下來(lái)凸模開(kāi)始下移，并且逐步完成修整毛刺、精整齒形的任務(wù)。模具的頂件器通常會(huì)設(shè)計(jì)成圓餅狀，并且為確保產(chǎn)出成型件時(shí)起到導(dǎo)向的作用，該過(guò)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(shè)定了金屬胚料的定位結(jié)構(gòu)，并且下半部分會(huì)通過(guò)頂出桿與齒輪成型設(shè)備的頂出結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)接。

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

3 造林機(jī)械齒輪數(shù)字化建模研究

3.1 齒輪復(fù)雜曲面數(shù)字化建模

在造林機(jī)械齒輪真實(shí)齒面的總體構(gòu)建中，研究較多的關(guān)鍵技術(shù)之一就是復(fù)雜線的重建，相關(guān)研究人員對(duì)此做了大量的研究，其中最為常見(jiàn)的就是在NURBS曲線網(wǎng)絡(luò)上使用連續(xù)的Gregory曲面進(jìn)行覆蓋的齒輪數(shù)字化建模技術(shù)。這種方式是以修正盈虧為原則進(jìn)行基礎(chǔ)構(gòu)建，與之類(lèi)似的還有迭代非均勻B-spline曲線曲面算法。對(duì)于齒輪齒面的構(gòu)建方法研究主要包括兩類(lèi)，一是利用齒輪曲面的插值算法來(lái)對(duì)插值曲面進(jìn)行構(gòu)造，這種建模方法的精度較高并且能夠準(zhǔn)確地反映出齒面具體測(cè)量點(diǎn)的信息[1]；二是在采用一次線性插值建模計(jì)算的過(guò)程中，將面積權(quán)重插值法和線性插值法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)面區(qū)域之外的數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)估，這種插補(bǔ)方法對(duì)于真實(shí)齒面的構(gòu)建以及數(shù)據(jù)點(diǎn)的構(gòu)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(gòu)

非特征分塊齒面重構(gòu)是齒輪數(shù)字化建模體系中一個(gè)較為獨(dú)特的分支， 同時(shí)這種曲面構(gòu)建也是 STEP標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械齒輪真實(shí)齒面的重構(gòu)方面有較好的應(yīng)用。當(dāng)前在利用NURBS曲面來(lái)進(jìn)行機(jī)械齒輪真實(shí)齒面重構(gòu)的過(guò)程中，能夠精準(zhǔn)測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)十分有限，而基于非特征分塊的齒面重構(gòu)法就很好地解決了這一問(wèn)題。它利用了非真實(shí)的擬合曲線來(lái)對(duì)離散型的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了有權(quán)逼近，這種重構(gòu)方法并不要求全部數(shù)據(jù)點(diǎn)都落在建模曲面上，而且建模得到的曲面光順性較好，缺點(diǎn)是精度比插值曲面要低。事實(shí)上非特征分塊的齒面重構(gòu)是基于NURBS曲面的圓弧形齒輪真實(shí)齒面的仿真，將圓弧形的齒面通過(guò)掃描5×10點(diǎn)離散陣的方式并且使用三次NURBS曲面擬合。從整體上來(lái)看，由于齒面測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)十分有限，所以這種建模方式主要適用于經(jīng)過(guò)磨光處理并且較為光滑的齒面結(jié)構(gòu)。

隨著新型齒輪成型技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)造林機(jī)械技術(shù)也在不斷的發(fā)展中獲得了技術(shù)填充?？傮w上凹凸模型腔的合理設(shè)計(jì)是齒輪成型的良好基礎(chǔ)，同時(shí)在齒輪成型過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)采取措施減少金屬胚料的流動(dòng)。確保這些成型因素的穩(wěn)定性，才能保證齒輪成型的質(zhì)量。除此之外也可以使用數(shù)字化建模技術(shù)對(duì)齒輪進(jìn)行齒面重構(gòu)。在多種工藝的并行發(fā)展之下，我國(guó)現(xiàn)行的齒輪傳動(dòng)技術(shù)必將得到較好的發(fā)展。