齿轮的滚压成形技术的研究进展

1.引言

滚压成形技术在大约100年以前，就被用于螺纹零件的制造中，并获得了成功。对于齿轮零件来说，同样人们很早就开始运用滚压成形技术对其进行加工。不同的是，齿轮轮齿部分的成形精度要求，要比螺纹牙成形严格得多。轮齿成形精度低、模具寿命短等因素制约该技术的发展。50年代，不少学者以提高轮齿成形质量，解决实用化问题为目的，进行了齿轮的滚压成形研究。70年代出现采用内啮合滚压成形的加工方法，最为代表的是由波兰的Marciniak等人创立的WPM法。WPM法是用一对扇形齿轮作成形刀具，分别通过两个偏心轴使扇形滚刀作圆周运动后将轮坯齿形包络出来。WPM法为内齿成形刀具，较外齿滚刀强度好，且刀具与轮坯之间周向接触弧长，相对滑动速度小，具有成形质量好，刀具寿命长的特点。随后西德的Weck等人又采用Grob法进行了直齿轮塑性成形研究。Grob法为仿形法，沿轴向进给。需分度回转才能完成全部轮齿的加工，加工精度较范成法低。但适合加工花键轴一类的长形零件。冷挤滚压成形存在成品合格率、生产效率等方面的问题，推广运用受到限制。为此，热挤滚压成形技术得到关注，日本学者成瀬政南早在50年代开始研究热挤滚压齿轮技术。与冷挤滚压不同，热挤滚压设置一对齿形滚轮沿横向进给，工件用高频线圈加热，成形压力明显下降，且轮齿容易成形。由于影响热挤滚压齿轮质量（如精度、材料流动、成形缺陷及热处理后强度等）的因素较多，后来日本学者団野等又进行了热挤滚压齿轮成形条件诸多影响因素的实验研究。进入80年代，滚压成形技术研究向高品质，低成本的“净成形”加工方向发展，并运用模拟仿真技术进行试验研究。
2.滚压成形原理

滚压成形有范成和仿形两种方法。范成法多用于齿轮成形，仿形法适合花键轴加工。范成法原理如图1所示，是通过横向进给，使齿轮滚刀①与加工齿轮②啮合传动，轮坯受挤压塑性变形后，被包络出齿形。齿轮滚刀还可做成齿条形状或内齿轮形状。


在范成法滚压成形过程中，齿轮刀具周节p1应与轮坯周节p2相等。如图2所示，设齿轮滚刀为驱动轮，其顶圆直径为d1，齿数为Z1；轮坯为被动轮，其直径为d2，所加工齿数为Z2，且存在几何关系如下：

（1）式中θ为周节p对应的圆心角。θ＝且有

由（2）式可知，齿轮刀具直径d1不仅与Z1有关，还与轮坯直径d2及齿数Z2有关。如果范成时，仅提供一个回转动力(如滚刀为主动)，则轮坯被滚刀驱动而挤压成形。此时滚刀直径d1应符合（2）式条件。如果同时驱动刀具和轮坯,并按一定的传动比转动进行滚压加工时（即称为强迫滚压成形），齿轮刀具直径d1可不受此条件约束。而只需考虑模数，压力角和螺旋角即可，这样可扩大齿轮刀具的加工范围。但是啮合点处两轮的圆周速度不等，导致滚刀轮齿根部弯曲应力增加。
3.冷挤滚压成形
在常温下用范成法对轮坯进行滚压成形时，轮齿是经过数次滚压形成的，理论上齿根的压入量正好是齿顶的凸起量，但实际上齿顶的凸起是偏向一方的，如图3所示。轮齿的成形质量与毛坯材料、滚挤压力,圆周速度及滚压次数等工艺参数有关。当参数选择不当时，会出现齿顶处卷料下凹现象，如图4所示。这是由于齿面材料流动与心部材料流动速度不等引起的。实验研究表明它与刀具的压入量和轮坯圆周速度有关，与压入量成反比，与圆周速度成正比。对无加工硬化的材料，可完全消除卷料现象。但对有加工硬化发生的材料，则难以完全避免。



刀具与轮坯表面接触时的滚挤压力变化是影响轮齿成形质量的一个重要因素，滚挤压力除受材料的抗拉强度及压入量影响，还与成形中啮合状态有关。刀具转一转时压出轮齿沟槽，刀具转数转后，啮合轮齿数目发生变化，滚挤压力也发生变化。如在刀具齿形中部（即节线附近处），啮合齿数目较少，所承受的滚挤压力较顶部和根部大。齿面滚挤压力还受材料冷作硬化影响，即随着回转次数增加，材料的抗拉强度提高，滚挤压力增大。滚压过程中，滚挤压力的变化、轮齿表面粗糙度、齿形误差与滚压次数关系，可通过实验测定，如图5所示为铝合金材料的实验测定结果。滚压冷成形后，轮齿材料组织得到改善，表面硬度由里向外得到明显提高，如图6所示。


4.热挤滚压成形
冷挤滚压的运用受材料和齿轮尺寸限制，对抗拉强度高及大模数齿轮的滚压时，采用对轮坯加热，使材料塑性增大，实现较低压力下轮齿的滚压成形。但轮齿在热挤成形过程中，受诸多因素影响，导致最终成形品质控制比较困难，影响热挤滚压法的运用。对金属加热到在结晶温度以上进行滚压变形时，将发生动静态回复、再结晶及加工硬化消除等变化，使金属处于高塑性，低变形抗力的软化状态，便于成形加工。但温度过高时，再结晶形核后，通过晶界迁移使晶粒长大，影响材料的力学性能。故热挤温度在8500C～10000C范围合适。加热方式采用高频线圈感应加热，如图7所示。

热挤滚压时,齿面材料的塑性流动和接触面上滚挤压力的变化是影响轮齿成形精度的重要因素。在滚压齿轮受挤压力和接触摩擦力作用下，材料塑性流动情况如图8所示，轮齿前成形面（q）和后成形面（h）上材料流动方向各异。在节线附近，q面材料受挤压，沿齿顶向刀具齿间底部空间流动；h面材料则相反，在滚刀齿根部作用下，沿齿顶向下流动。在q面上，流向齿顶的材料碰上刀具齿间槽底部受阻后卷曲，形成顶部下凹的表面。这一现象可通过控制坯料加热层厚度和刀具压入量加以避免。其条件为：

上式中 m为被加工齿轮模数，c为齿顶间隙mm，rb 轮坯半径mm，r2 为节圆半径mm，kr为由材料决定的系数。
在齿根部，受滚刀顶部滚压，材料由齿根底部向齿顶流动。齿根底部弯曲狭窄，流通不畅，坯料与滚刀齿顶产生剧烈摩擦，当滚刀顶部圆角半径较小时，根部表面会有鳞片状金属脱落,如图8中阴影部分。因此，刀具顶部应设计较大的圆角半径，并保证有充分的润滑。齿根与齿顶部材料的反相流动会造成中部齿形曲线下凹，产生齿形误差。如图9所示为热挤滚压时对齿形曲线测定的结果，图中齿形中央出现下凹变形可通过对刀具齿形进行修正来加以解决。另外，滚压成形时，材料沿齿高方向塑性流动的同时会向两端面移动。为防止材料向两端部流动，在滚压模具两侧设置有约束板，保证两侧端面平整。

5.结束语
齿轮的滚压成形技术经过数年发展，现已进入实用阶段。综合各类研究成果得到如下结论：
①滚压成形技术能加工5级精度的圆柱齿轮，尤其是能解决斜齿轮挤压成形时的拔模问题。且成形压力小，成形设备制造容易；
②对于抗拉强度低的材料或小模数（m<3）的齿轮，采用冷挤滚压工艺较为合适。对于抗拉强度高及模数大的齿轮，应采用热挤滚压加工；
③冷挤滚压时，控制滚挤压力，选择滚压次数，改变回转方向可提高轮齿成形的精度。
④热挤滚压时，所需成形压力较小，且刀具轮齿与加工齿轮接触时间短，有利于刀具冷却和润滑；
⑤热挤滚压轮坯的加热层厚度、每转中的滚挤压入量及圆周速度、接触面上的润滑状态等是保证成形质量的重要因素。其相互之间的关系及影响需通过实验得到明确。
随着齿轮零件形状复杂化，还出现像锥形内齿轮，圆弧（包括齿向圆弧）齿轮、错齿（斜）齿轮、非圆形齿轮等特殊结构零件，这类齿轮都需要用塑性成形的方法去加工。为此，还需要对金属塑性成形技术从理论上，从工艺方法上作更深入的研究。