齒輪齒部特征的鍛造與機(jī)加工制造工藝對(duì)其性能影響的機(jī)理分析

汽車(chē)自動(dòng)變速器中的P擋齒輪內(nèi)外齒面同時(shí)受載，屬于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的齒輪類(lèi)零件，目前行業(yè)內(nèi)普遍采用切削加工工藝生產(chǎn)。此種工藝周期長(zhǎng)、成本高,經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了P擋齒輪內(nèi)外齒的溫冷精鍛復(fù)合近凈成形，無(wú)需后續(xù)切削加工對(duì)齒形部位二次修形，解決了切削加工工藝材料浪費(fèi)嚴(yán)重、齒形誤差大、生產(chǎn)效率低、加工成本高等問(wèn)題。本次，我們將以某P擋齒輪(圖1)為例，探討不同工藝制程對(duì)其性能的影響。

對(duì)于設(shè)有高壓疏水的系統(tǒng)，在布置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量讓暖風(fēng)器高位布置，使其疏水能自流到疏水箱，疏水箱的安裝高度還應(yīng)滿(mǎn)足疏水泵汽蝕余量的要求[8]，把系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)充分結(jié)合起來(lái)，才能從源頭上得以解決暖風(fēng)器的疏水問(wèn)題。

上海實(shí)業(yè)振泰化工有限公司是國(guó)內(nèi)外首屈一指的鎂鹽生產(chǎn)企業(yè)，專(zhuān)業(yè)從事特種鎂鹽產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售和服務(wù)。振泰化工以高校技術(shù)力量為后盾，注重科技創(chuàng)新，與華東師范大學(xué)等高校有著長(zhǎng)期的產(chǎn)學(xué)研合作,并在東北建立了原料基地，實(shí)現(xiàn)了部分產(chǎn)品生產(chǎn)的屬地化轉(zhuǎn)移，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)國(guó)內(nèi)外；企業(yè)連年榮獲上海市文明單位、上海市高新技術(shù)企業(yè)、上海市專(zhuān)精特新中小企業(yè)等稱(chēng)號(hào)，產(chǎn)品獲得上海市名牌產(chǎn)品、上海市著名商標(biāo)等榮譽(yù)，是目前中國(guó)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)特種氧化鎂系列產(chǎn)品的現(xiàn)代化龍頭企業(yè)。

受力分析

P擋齒輪具有內(nèi)花鍵和外齒兩個(gè)齒輪特征：(1)內(nèi)花鍵與差速器殼體或輸出軸上的外花鍵采用齒側(cè)過(guò)盈配合，裝配方式為壓裝；(2)外齒與棘爪互相作用達(dá)到駐車(chē)效果(圖2)。

本次襯砌結(jié)構(gòu)破壞的渠段均沒(méi)有埋設(shè)內(nèi)排水設(shè)施，本次修復(fù)增設(shè)內(nèi)排水措施。內(nèi)排水系統(tǒng)由集水暗管、反濾土工織物、集水箱和出水管組成。集水暗管采用Φ150的塑料排水盲溝，外面包裹200 g/m2的土工布，集水箱采用逆止式排水器，出水管采用管徑為6 cm或8 cm的硬質(zhì)聚乙烯塑料管。

初步分析靜態(tài)受力情況

棘爪與齒圈以漸開(kāi)線(xiàn)齒面或平面配合，使用有限元分析軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)受力分析，邊界條件加載為：⑴內(nèi)花鍵處單側(cè)齒面完全固定；⑵外部駐車(chē)齒選取分度圓上的一條直線(xiàn)作為加載位置，添加漸變力矩。

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算得出結(jié)果：零件在使用過(guò)程中，應(yīng)力集中區(qū)域(圖3)為齒根部位的R角處，應(yīng)當(dāng)關(guān)注此處的屈服斷裂。

試驗(yàn)及機(jī)理分析

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了驗(yàn)證實(shí)際使用情況，除了需要進(jìn)行靜扭試驗(yàn)外，還需要進(jìn)行耐久試驗(yàn)，甚至于怠速駐車(chē)試驗(yàn)，以確保產(chǎn)品的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)與不同客戶(hù)的溝通及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)獲得的數(shù)據(jù)，下面針對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果的各個(gè)因素進(jìn)行分析，以得到在鍛造與機(jī)加工的不同工藝制程下的產(chǎn)品性能的區(qū)別。

P擋齒輪在使用過(guò)程中，單齒不同側(cè)受拉、壓兩種力，視鋼材為彈塑性材料，鋼材達(dá)到屈服載荷下的彈性極限應(yīng)變?yōu)榍?，達(dá)到彈塑性極限應(yīng)變?yōu)槠茐?。有流幅鋼和無(wú)流幅鋼兩種情況的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)及屈服點(diǎn)如圖4所示。

灰色關(guān)聯(lián)法是屬于灰色系統(tǒng)理論中的一種動(dòng)態(tài)分析方法，其基本思想是通過(guò)比較各研究對(duì)象呈現(xiàn)的空間形態(tài)來(lái)判斷它們之間的關(guān)聯(lián)程度?；疑P(guān)聯(lián)法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)有限的樣本數(shù)據(jù)推斷出模糊的相互關(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的要求不高，計(jì)算過(guò)程清晰簡(jiǎn)捷，也能通過(guò)Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析。其計(jì)算步驟如下：

初步認(rèn)定P擋齒輪的靜扭試驗(yàn)結(jié)論差異是受不同工藝制程的影響，主要體現(xiàn)在鍛后組織與原材料組織的差異性。

以下是我司生產(chǎn)P擋齒輪的工藝路線(xiàn)，如圖5所示。

邢玠勘播后，楊應(yīng)龍并沒(méi)有收斂其暴虐之心?！岸哪?，應(yīng)龍殘余慶，掠大阡、都?jí)?，焚劫草堂、余慶二司，遍及興隆、都勻各衛(wèi)。又遣兆龍圍黃平，戮重安長(zhǎng)官家，勢(shì)復(fù)大熾。二十五年，應(yīng)龍流劫江津及南川，臨合江，索其仇袁子升縋城下，磔之。秋七月，播州宣慰使楊應(yīng)龍叛”[3]1254。楊應(yīng)龍的再次反叛，似乎暗示邢玠勘播的失敗，其沒(méi)有遏制住楊應(yīng)龍的叛逆之心。朝臣及時(shí)人對(duì)邢玠的勘播事提出質(zhì)疑，其勘播事究竟如何？

(2)冷鍛外齒：等溫球化退火→制坯→拋丸→表面處理→冷精鍛外齒。

(3)冷鍛內(nèi)花鍵：去應(yīng)力退火→制坯→拋丸→表面處理→冷精鍛內(nèi)花鍵。

在與棘爪的配合接觸中，相對(duì)來(lái)說(shuō)更容易產(chǎn)生疲勞磨損——接觸疲勞失效。

圖6為等溫球化退火金相，鍛后的材料組織與原材料組織在滲碳淬火中的不同演變，將會(huì)對(duì)零件的使用效果起到重要的影響。為了得到較好的塑性，在球化工藝中，我們加強(qiáng)了工藝管控，獲得了均勻的細(xì)粒狀珠光體。但在此之前，鍛造工藝過(guò)程的好壞又會(huì)對(duì)等溫球化退火有較大的影響，因此，在等溫球化退火前的工藝參數(shù)控制方面需要有較為嚴(yán)格的把控和準(zhǔn)確可行的工藝方法。

鍛造對(duì)材料性能的影響：鍛造時(shí)，金屬定向流動(dòng)，形成纖維。隨著鍛造比的增加，沿著纖維方向(徑向)的塑性和韌性指標(biāo)得到提高，而垂直纖維方向(軸向)的力學(xué)性能指標(biāo)降低。圖7為使用有限元分析軟件DEFORM進(jìn)行的纖維流線(xiàn)分析結(jié)果，在駐車(chē)齒部的流線(xiàn)總數(shù)量為15根，出現(xiàn)了3根紊流，平穩(wěn)流線(xiàn)12根占比80%；內(nèi)花鍵處的金屬流線(xiàn)無(wú)紊流現(xiàn)象。圖8為量產(chǎn)P擋齒輪產(chǎn)品的纖維流線(xiàn)樣塊試驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，有限元分析結(jié)果與現(xiàn)實(shí)結(jié)果一致：流線(xiàn)狀態(tài)完整且分布均勻。下面就不同金屬纖維流線(xiàn)方向以及原材料原始組織試樣的力學(xué)性能進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以驗(yàn)證其在使用過(guò)程中能夠起到的效果。

將經(jīng)過(guò)不同鍛造比的鍛坯與原材料，按照相同方向取樣，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證不同鍛造比對(duì)力學(xué)性能的影響；按照不同方向取樣，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證不同鍛造方向?qū)αW(xué)性能的影響。

在一般情況下，對(duì)多數(shù)藥品貯藏溫度要求在2℃以上時(shí)，溫度愈低，對(duì)保管愈有利。在使用和保存藥品前務(wù)必看清藥品說(shuō)明書(shū)，以免有差錯(cuò)。

(1)鋼材坯料縱向的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于橫向的，棒料的軋制方向應(yīng)為橫向；

(2)不同鍛造比鍛造后，同一鍛件的橫向抗拉強(qiáng)度優(yōu)于縱向抗拉強(qiáng)度，當(dāng)鍛造比K=4(B4)時(shí),鍛件縱向與橫向的抗拉強(qiáng)度差別較小,即當(dāng)鍛造比達(dá)到一定值時(shí),不同方向的強(qiáng)度指標(biāo)差異性較小,鍛件的均勻性提高。

圖12為兩張不同位置的熱前加工熱后不加工零件表面，其熱后組織無(wú)異常，但在零件表面有較多凹坑、缺口，并且在凹坑內(nèi)有黑色物質(zhì)，初步判斷為氧化物。

(1)溫鍛：下料→輾環(huán)→空冷。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，P擋齒輪的鍛造方式為輾環(huán)坯等溫球化退火后再做冷鍛，以外部駐車(chē)齒計(jì)算，鍛前面積為127mm

，鍛后面積為47mm

，其鍛造比為2.7，理論計(jì)算其抗拉強(qiáng)度約提升1.15倍。在機(jī)加工齒部制程中，零件的金相組織組成、分布及形態(tài)皆受原材料本身的限制，雖然可以通過(guò)正火進(jìn)行相對(duì)的改善，但始終無(wú)法達(dá)到如鍛造般的形態(tài)組織。不僅如此，在熱處理前拉削過(guò)程中還會(huì)存在切削殘余應(yīng)力，在一定程度上會(huì)影響熱處理的晶粒及其他組織表現(xiàn)，弱剛度回轉(zhuǎn)體對(duì)于機(jī)加工的殘余應(yīng)力反應(yīng)尤為明顯。

P擋齒輪的外齒尺寸最小值(齒根圓)僅為133mm，內(nèi)花鍵尺寸(齒根圓)為122mm，單邊壁厚5.5mm，相對(duì)于內(nèi)孔處的曲率半徑比例為11，雖不屬于弱剛度回轉(zhuǎn)體范疇，但其壁厚仍會(huì)受到夾持變形的影響，切削加工過(guò)程中，在切削力載荷與切削熱載荷等因素的共同作用下也會(huì)產(chǎn)生一定程度的加工變形及表面殘余應(yīng)力。

圖13為兩張不同位置的熱后加工零件表面，其熱后組織無(wú)異常，在零件表面有輕微凹坑、缺口，凹坑、缺口為表面材料切削剝落后在基體表面留下的，在凹坑內(nèi)無(wú)氧化物。

聲發(fā)射能量是指事件信號(hào)檢波包絡(luò)線(xiàn)下的面積，它可以反映事件的相對(duì)能量和強(qiáng)度。將實(shí)驗(yàn)中兩類(lèi)傳感器采集的信號(hào)繪制成能量-時(shí)間-軸向力關(guān)系曲線(xiàn)，對(duì)比兩種傳感器的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)所有試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，每組試件的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，限于篇幅本文只選取了部分試樣的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果作為代表。

描述殘余應(yīng)力分布的關(guān)鍵特征值可以由表面殘余應(yīng)力(SRS)、一定層深處最大殘余壓應(yīng)力(PRCS)、達(dá)到最大壓應(yīng)力的深度(DPRCS)和殘余應(yīng)力影響深度(DRS)。圖11所示為切削加工產(chǎn)生的典型殘余應(yīng)力分布曲線(xiàn)。

耐久試驗(yàn)

進(jìn)行耐久試驗(yàn)，是為了找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中零件的耐久性方面的問(wèn)題，以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，P擋齒輪的使用頻度決定了此零件不太可能出現(xiàn)疲勞斷裂的情況,在此我們只討論表面疲勞磨損。

公眾對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的態(tài)度。在我國(guó)，民眾對(duì)轉(zhuǎn)基因食品還存在比較高的質(zhì)疑，一方面主要是轉(zhuǎn)基因的技術(shù)相對(duì)不夠成熟，存在著許多未知因素，人們對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的疑慮還難以消除；另一方面是人們對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品在認(rèn)知水平上有一定的界限，以及對(duì)公眾機(jī)構(gòu)體制機(jī)制的信任度下降，導(dǎo)致對(duì)轉(zhuǎn)基因存在著安全疑慮，接受程度相對(duì)較低。

(4)后續(xù)處理：機(jī)加工→熱處理→成品檢驗(yàn)→清洗包裝入庫(kù)。

圖9為不同鍛造比鍛件的不同方向抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律。從圖中可以看出：

從前述的鍛造對(duì)于屈服強(qiáng)度的影響結(jié)論可以得出，經(jīng)過(guò)鍛造的零件的疲勞強(qiáng)度也將明顯優(yōu)于使用原材料直接進(jìn)行機(jī)加工的零件。

外部因素、在產(chǎn)品制造層面不做考慮，我們僅討論鍛造和機(jī)加工的不同制程對(duì)齒部的表面形狀的影響，進(jìn)而研討關(guān)于不同表面形狀對(duì)接觸疲勞壽命的影響。

P擋齒輪的齒部表面可以通過(guò)鍛造成形熱后不加工、熱前加工熱后不加工和熱前加工熱后加工三種不同工藝進(jìn)行生產(chǎn)得到。

圖10為不同鍛造比鍛件不同位置的抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律。從圖中可以看出不同鍛造比鍛件(B2、B3、B4)橫向和縱向的抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律:距縱向中心線(xiàn)(對(duì)稱(chēng)軸)2r/3位置的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于r/3位置的抗拉強(qiáng)度。

齒輪在冷鍛前的制坯工序即使出現(xiàn)了同樣的夾持變形，但在我司的冷鍛半閉式擠壓鍛造中，表現(xiàn)為金屬軸向流動(dòng)量不同，在有效長(zhǎng)度外的鍛坯(高低落差約為0.5mm)，都會(huì)被車(chē)削去除。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查我們發(fā)現(xiàn)在發(fā)生CRE感染的科室中，急診科、ICU和手術(shù)科室是感染的“重災(zāi)區(qū)”，這可能是由于以上科室的患者大多病情危重，機(jī)體免疫力較差，大多會(huì)接受抗生素治療，與醫(yī)護(hù)人員接觸更加密切等，因而更容易發(fā)生感染。多數(shù)學(xué)者都將既往接受過(guò)抗生素治療，老齡患者，機(jī)械通氣或其他有創(chuàng)支持治療，慢性疾病，曾接受過(guò)移植或進(jìn)行免疫抑制相關(guān)治療等列為危險(xiǎn)因素。還有研究者提出感染CRE為患者死亡的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，而這也促使我們?cè)谄綍r(shí)的工作中將更加關(guān)注具有相關(guān)危險(xiǎn)因素的患者。

圖14為兩張不同位置的鍛造熱后不加工的零件表面，其熱后組織無(wú)異常，在零件表面無(wú)凹坑、缺口，表面較為光滑，無(wú)異常。

為了保證HPLC色譜分析時(shí)抑制樣品的電離，改善峰形，在流動(dòng)相甲醇-水中添加不同量的甲酸(0、0.1%、0.3%)，并比較了其對(duì)質(zhì)譜信號(hào)的影響，結(jié)果顯示，添加0.1%甲酸時(shí)質(zhì)譜信號(hào)最高，隨著甲酸添加量加大信號(hào)反而降低。推斷少量氫離子對(duì)樹(shù)莓酮質(zhì)子化具有促進(jìn)作用，但氫離子的濃度過(guò)大則表現(xiàn)為抑制作用。所以本實(shí)驗(yàn)選擇添加0.1%甲酸的甲醇-水作為流動(dòng)相。

綜合看來(lái)，三種不同的工藝制程對(duì)零件的最大影響之一為表面狀態(tài)，衡量表面狀態(tài)的主要標(biāo)準(zhǔn)為表面粗糙度值，但究其在零件配合過(guò)程中的作用，則需要以摩擦系數(shù)作為變量進(jìn)行分析驗(yàn)證。

P擋齒輪嚙合接觸面在實(shí)際嚙合過(guò)程中受到摩擦力作用，在不同的潤(rùn)滑狀態(tài)下，摩擦力的大小也不相同。當(dāng)棘爪齒面壓力一定、棘輪扭矩一定時(shí)，基于三維瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)機(jī)構(gòu)模型計(jì)算，分別將配合齒面在摩擦系數(shù)為 0.1、0.3 及 0.5 下進(jìn)行數(shù)值分析。

不同摩擦系數(shù)下齒輪接觸應(yīng)力分布對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

關(guān)于耐久試驗(yàn)中的沖擊載荷，也就是怠速駐車(chē)試驗(yàn)，其檢測(cè)的是沖擊載荷作用下的P擋齒輪使用壽命，考驗(yàn)的是零件本身的抗沖擊強(qiáng)度，以及沖擊載荷下的沖擊疲勞強(qiáng)度。材料的沖擊疲勞性能與常規(guī)疲勞性能存在明顯差異。

結(jié)論

P擋齒輪及駐車(chē)齒系列產(chǎn)品，在汽車(chē)變速器中有著極其重要的作用，在零件設(shè)計(jì)的過(guò)程中除了要考慮功能性，更要考慮其安全特性。又因其特殊的零件形狀：弱剛度體、薄片狀體等，在加工過(guò)程中的工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇顯得尤為重要。本文從P擋齒輪的零件結(jié)構(gòu)、駐車(chē)機(jī)構(gòu)的使用工況出發(fā)，分析了零件使用過(guò)程中的受載荷情況；從靜扭試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)項(xiàng)目著手，分析了屈服強(qiáng)度，接觸疲勞強(qiáng)度對(duì)表面缺口裂紋源試驗(yàn)結(jié)果的影響，歸結(jié)了鍛造制程、機(jī)加工制程對(duì)于齒部特征的屈服極限、接觸疲勞強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的作用原理；進(jìn)行了原材料球化細(xì)化試驗(yàn)，不同鍛造比下的坯料、不同方向取樣的拉伸試驗(yàn)，弱剛度體夾持切削變形試驗(yàn)，不同切削量下的薄壁零件熱處理變形試驗(yàn)，鍛造、機(jī)加工零件的表面微觀(guān)形態(tài)，不同表面粗糙度下的接觸應(yīng)力有限元分析等。通過(guò)這些試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

針對(duì)山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)需求，美國(guó)國(guó)家水文研究中心（HRC）聯(lián)合其他機(jī)構(gòu)或單位，提出了基于山洪預(yù)警指標(biāo) FFG（Flash Flood Guide）的預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)思路，并自2004年開(kāi)始在中美洲7個(gè)國(guó)家50萬(wàn)km2的山丘區(qū)應(yīng)用。經(jīng)初步檢驗(yàn)該系統(tǒng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度為65%，誤報(bào)率為35%，漏報(bào)率為3%。

(1)在合適的鍛造比下，會(huì)產(chǎn)生、加密駐車(chē)齒側(cè)的金屬纖維組織，獲得具有較高屈服強(qiáng)度，同時(shí)在沿纖維流線(xiàn)的方向上的彎曲強(qiáng)度也會(huì)得到加強(qiáng)，即駐車(chē)齒的抗拉、抗彎曲強(qiáng)度相對(duì)于使用原材料直接機(jī)加工得到的零件有一定的提升。

(2)類(lèi)似于弱剛度的P擋齒輪在機(jī)加工夾持過(guò)程中產(chǎn)生的受力變形，或在不合適的切削參數(shù)下加工，殘余的切削應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致零件熱處理變形不均勻及晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象，這對(duì)零件精度與產(chǎn)品性能有一定的影響。

(3)熱前機(jī)加工齒面、熱后機(jī)加工齒面都難以避免齒面上的微觀(guān)凹坑，與鍛造齒面的平順相比，機(jī)加工的表面在微觀(guān)表現(xiàn)上較差，即存在有細(xì)微凹坑，最終可能演變?yōu)榻饫砹鸭y源。