各位粉丝朋友们，欢迎阅读本期小编推送的《齿轮精密塑性成形理论技术装备研究与应用》文章。文章主要介绍了齿轮精密成形典型装备及产线和齿轮无切削摆辗精密成形和锻造精密成形应用情况。为高性能齿轮无切削成形制造技术装备研究与应用提供了参考。
齿轮精密塑性成形制造技术具有节能、节材、高效和优质等特点, 是高性能齿轮技术发展方向。
本篇文章因篇幅较长，特安排两期推送。
本期推出：齿轮精密塑性成形理论技术装备研究与应用(一)
齿轮是传动系统的核心基础件, 被广泛应用于机械、汽车、航空航天装备等领域。齿轮传统制造技术为切削加工, 其材料利用率低、加工周期长, 特别是金属流线切断, 损害齿轮性能, 无法满足高端装备发展需求。齿轮精密塑性成形制造技术具有节能、节材、高效和优质等特点, 是高性能齿轮技术发展方向。阐述了齿轮精密塑性成形理论方法, 分析了国内外圆锥直齿轮、圆柱直齿轮和圆柱螺旋/ 斜齿轮精密成形技术特点; 介绍了齿轮精密成形典型装备及产线, 总结了齿轮无切削摆辗精密成形和锻造精密成形应用情况。此外, 展示了圆锥螺旋齿轮多自由度包络成形和非圆齿轮锻造成形新方法, 为高性能齿轮无切削成形制造技术装备研究与应用提供了参考。
齿轮是传递运动和动力的核心基础件, 在航空、航天、高铁、风电和汽车等领域有着广泛应用, 齿轮性能直接决定了高端装备的运行性能、服役寿命、安全性和可靠性。根据齿轮节曲面结构特点, 齿轮可以分为圆齿轮和非圆齿轮。圆齿轮的节曲面是旋转曲面, 包括圆锥直齿轮、圆柱直齿轮、圆柱螺旋/ 斜齿轮和圆锥螺旋齿轮等。非圆齿轮的节曲面是非旋转曲面, 包括非圆柱直齿轮、非圆锥直齿轮和非圆锥螺旋齿轮等。目前, 齿轮制造方法主要有切削加工和精密塑性成形两大类。齿轮切削加工方法是将齿轮毛坯通过插齿、铣齿、刨齿、滚齿、磨齿和珩齿等切削加工工艺获得齿形, 切削加工切断了齿形部分金属纤维, 导致加工齿轮金属流线不连续, 损害了齿轮机械性能, 严重影响了齿轮服役寿命。此外, 切削加工齿轮还存在材料利用率低、生产效率低、制造周期长以及制造成本高等问题。
齿轮精密塑性成形是将齿轮毛坯通过设计带齿形的模具在压力机的作用下, 使材料发生塑性变形充填齿形型腔获得齿形, 而齿面不需切削加工或仅需少许磨削精加工即可进行使用的齿轮先进制造技术, 是一种净成形或近净成形制造方法。齿轮精密塑性成形技术不但具有节材、节能、低成本及高效率等显著优势, 而且有助于在齿轮内部形成致密、均匀的材料组织, 金属流线沿齿形轮廓连续合理分布, 显著提高齿轮的耐磨损、抗腐蚀能力及根部的弯曲强度, 大幅提升齿轮的疲劳性能, 是高性能齿轮抗疲劳制造技术的发展方向。齿轮精密塑性成形技术主要有精锻、摆辗、挤压、滚压和精冲等。我国齿轮精锻技术的研究始于 20 世纪 70 年代, 目前已广泛应用于汽车、农机及工程机械等齿轮制造。20 世纪 70 年代, 武汉理工大学与武钢粉末冶金公司合作用粉末冶金精密热锻成形了世界最大重量 25 kg 轧钢机滚道圆锥直齿轮; 上海汽车齿轮厂用热精锻成形汽车差速器圆锥直齿轮。20 世纪 80 年代, 山东工业大学与青岛精锻齿轮厂合作开发了锥齿轮热精锻工艺。20 世纪 90 年代, 随着汽车工业发展, 对汽车齿轮的高强轻质要求越来越高。武汉理工大学开发了圆锥直齿轮冷摆辗精密成形技术, 用于乘用车行星齿轮、半轴齿轮及结合齿轮等生产, 齿形精度达到 6~ 7 级, 取消了齿形后续磨削加工, 首次实现了齿形无切削成形制造, 生产效率达到每分钟 6 ~ 10 件, 大幅度提高了齿轮疲劳寿命和生产效率。进一步, 武汉理工大学、华中科技大学与江苏太平洋精锻科技公司等合作, 将齿轮冷摆辗技术扩展到热精锻, 进而发展了热精锻+冷摆辗等齿轮复合精密成形技术, 并开发了系列齿轮精密成形自动化产线。21 世纪初, 武汉理工大学在非圆锥直齿轮设计、成形制造和精度控制等方面进行了深入研究, 取得了重要进展。近年来, 武汉理工大学针对难变形材料航空齿轮精密成形, 发明了多自由度包络成形新方法, 实现了航空圆锥螺旋齿轮和面齿轮包络精密成形。
随着我国航空航天、国防武器装备发展, 对齿轮传动性能提出了更高要求, 因此迫切需要发展高性能长寿命齿轮精密成形制造技术。本文从齿轮精密塑性成形理论、技术、装备与应用等方面进行总结, 为高性能齿轮精密塑性成形制造研究与应用发展提供了参考。
一、齿轮精密塑性成形理论
齿轮精密塑性成形理论研究主要有采用塑性力学解析法分析速度场和成形载荷、采用刚塑性/ 刚粘塑性有限元法研究齿轮宏微观变形规律和工艺参数优化、采用弹塑性有限元法研究齿形成形精度影响规律和控制方法等。
齿轮成形塑性力学解析法
成形载荷可以用来确定模具材料、设备吨位等参数, 是齿轮塑性成形重要的力能参数。国内外学者针对圆柱齿轮精锻成形工艺特点, 基于简化渐开线齿轮形状, 采用上限法、滑移线法及主应力法等塑性力学解析方法建立齿轮塑性成形载荷预测方法。图 1 所示为圆柱螺旋/ 斜齿轮闭式锻造中使用上限法对塑性变形区进行分区求解其成形载荷。虽然通过解析法从理论上可以预测齿轮精密塑性成形载荷, 但由于齿轮塑性成形过程复杂, 理论计算过程复杂, 工业应用不便。
齿轮成形有限元法
金属塑性成形有限元法根据材料本构关系不同可分为弹塑性有限元法和刚塑性/ 刚粘塑性有限元法。弹塑性有限元法适用于同时考虑弹性变形和塑性变形的成形工艺; 刚塑性/ 刚粘塑性有限元法适用于可忽略弹性变形的成形工艺。近 30 年来, 随着计算机技术的发展, 学者们广泛采用刚塑性/ 刚粘塑性、弹塑性有限元法模拟齿轮精密塑性成形过程,揭示其宏微观变形规律、成形机理、温度场分布和力能参数变化等。
在齿轮精密塑性成形技术中, 如齿轮锻造成形、滚压成形、挤压成形和摆辗成形等, 在成形时金属材料产生较大的塑性变形, 而弹性变形极小, 可忽略不计, 因此将变形材料视为刚塑性材料或刚粘塑性材料。齿轮刚塑性有限元法可用来模拟刚塑性硬化材料的齿轮精密塑性成形过程, 如通过建立齿轮冷成形刚塑性有限元模型, 模拟齿轮冷锻过程分析齿轮变形特点和变形规律等。齿轮刚粘塑性有限元法适用于模拟刚粘塑性材料齿轮精密塑性成形过程, 并且可以进行变形与传热的热力耦合分析, 如通过建立齿轮热成形刚粘塑性有限元模型可以研究齿形充填特点、温度场分布、变形和传热的耦合效应等。
弹塑性有限元理论同时考虑变形零件的弹性变形和塑性变形, 弹性区采用虎克定律, 塑性区采用 Prandte-Reuss 方程和 Mises 屈服准则。为了准确预测模具弹性变形和成形齿轮的弹性回复过程, 提高齿轮成形精度, 需要使用弹塑性理论。即在模拟齿轮塑性成形过程中, 将坯料定义为弹塑性体, 模具定义为弹性体, 并进行数值模拟分析, 不但可以揭示齿轮塑性变形特点, 而且可以表征齿轮弹性回复和模具弹性变形对成形齿轮精度的影响程度。
1.材料本构关系确定
利用单向室温拉伸实验和高温热压缩实验得到材料真实应力-真实应变曲线, 然后通过拟合方法得到齿轮本构方程, 图 2 所示分别为齿轮钢 20CrMnTi 利用 Zwick Z100 电子万能材料试验机和 Gleeble-3500 热压缩模拟机得到的室温和高温真实应力-真实应变曲线。从图 2a 可知, 20CrMnTi齿轮材料在室温下真实应力随真实应变的增大而增大; 从图 2b 可知, 20CrMnTi 齿轮材料在应变速 率为 0. 01 s -1 时, 其高温变形真实应力随着真实应变的增大先增大到峰值然后减小随后趋于稳定, 且温度越高, 其真实应力越小。
2.有限元网格模型建立
网格划分是对几何模型进行离散化处理, 是有限元前处理过程中的重要环节, 合理的网格划分能够保证计算结果准确性。齿轮形状复杂, 增加网格单元数量可以更好地描述齿轮表面, 增加模拟结果的准确性, 但是随着网格数量的增加, 会花费大量的模拟时间; 而网格单元数太少, 一方面会导致最终成形的零件的形状很差, 另一方面会由于网格畸变而导致计算失败, 因此需要合理划分齿轮网格数量。如图 3a~图 3c 所示, 均匀划分网格时, 随着网格数量增多, 齿形模拟成形的质量较好, 但是齿轮精密塑性成形时, 齿形部分是塑性变形的大变形区也是齿轮成形过程中重点研究的区域, 而中间部分材料的变形很小且近似于作刚性移动。因此, 可采用局部细化网格的方法, 对齿形部分划分较密的网格, 而对中间变形较小的坯料设置较稀疏的网格, 如图 3d 所示。
3.边界条件处理
摩擦边界条件：在齿轮塑性成形过程中, 变形坯料与模具型腔之间会产生摩擦, 摩擦会影响金属的流动, 进而对工件的成形质量、成形载荷及模具寿命等造成影响。因此, 在齿轮塑性成形有限元模拟中, 需要正确处理边摩擦界条件, 选择合理的摩擦模型。目前, 工程中最常用的摩擦模型是剪切摩擦模型和库仑摩擦模型。库伦摩擦模型不考虑接触面上的粘合现象, 认为接触面上的摩擦力与接触面上的正压力成正比, 一般适用于描述板成形中的摩擦条件。剪切摩擦模型认为剪切摩擦力由剪切屈服应力 k 和摩擦因数 m 所确定, 常适用于描述体积成形中的摩擦条件。齿轮精密成形属于大变形过程, 常采用剪切摩擦条件来处理毛坯与模具间的摩擦边界, 摩擦因数根据所采用的润滑剂不同而取不同的值。坯料与模具之间的接触界面设置成刚体-柔体的接触类型, 即将模具定义为刚体, 将坯料定义为柔体。齿轮冷成形、温成形和热成形通常取摩擦因数分别为 0. 12、 0. 25 和 0. 30。
传热边界条件：在齿轮热变形和温变形过程中, 模具与坯料之间由于存在温度梯度, 所以存在热量传输, 即坯料通过接触面以对流或热传导的方式向模具传热。另外, 由于模具与坯料温度与周围环境温度之间也存在差异, 因此, 坯料与模具和周围环境之间也会以辐射的形式进行换热。同时, 由于模具与坯料的接触面上存在相对滑动, 因此还存在摩擦生热。为了准确地利用有限元方法分析齿轮温成形过程中温度场的变化, 必须事先定义坯料、模具初始温度以及各种材料的表面传热系数和辐射换热系数等, 以便齿轮热成形过程中坯料和模具的热量传递可以通过导热、对流换热和热辐射等传热理论公式进行计算。
4.齿轮成形有限元模型建立
在确定了齿轮材料模型和边界条件模型后, 选择塑性成形模拟软件 (如 DEFROM-3D、Abaquas、Simufact 等软件) 建立齿轮成形的有限元模型。若研究齿轮冷成形工艺 , 则需建立室温材料硬化模型; 或者在软件材料库中选择相应的材料模型, 导入坯料和模具几何模型, 划分坯料网格, 将坯料定义为变形体, 模具定义为刚体, 定义模具初始速度场和摩擦边界条件, 建立齿轮刚塑性有限元模型。若进行齿轮温成形或者热成形分析, 则需要导入高温材料粘塑性模型或者在软件材料库中选择相应的材料模型, 且还需要定义传热边界条件, 建立齿轮刚粘塑性有限元模型或者变形-传热耦合的有限元模型。若研究齿轮成形精度, 则需建立弹塑性有限元模型来分析齿轮成形过程中的成形齿轮或者模具弹性变形行为。
武汉理工大学华林教授团队提出用齿面综合偏差来评价圆锥直齿轮冷摆辗变形齿形精度, 通过建立圆锥直齿轮冷摆辗变形弹塑性有限元模型, 分析得到圆锥直齿轮冷摆辗成形过程中齿形凹模受载产生的弹性变形以及成形齿轮回弹变形的分布, 如图 4 所示。根据圆锥齿轮冷摆辗变形过程中影响齿形精度的因素, 结合弹塑性有限元理论揭示圆锥直齿轮冷摆辗模具加工精度-模具弹性变形-齿轮成形精度之间的传递规律, 从而建立了圆锥直齿轮冷摆辗成形精度预测模型, 如式 (1) 所示; 还提出了基于模具加工-模具预紧-冷摆辗工艺参数协同调控的直齿锥齿轮冷摆辗成形精度控制新方法, 如图 5 所示。
式中: Δ1 、Δ2 、Δ3 和 Δ4 分别为模具加工偏差、模具磨损偏差、模具受载变形偏差和齿轮回弹变形偏差; ϕ1、ϕ2 、ϕ3 和 ϕ4 分别为模具加工偏差、模具磨损偏差、模具受载变形和齿轮回弹变形的系数; P0 (x0 , y0 , z0 ) 为模具偏差修正前的齿面点坐标; P(x, y, z) 为模具偏差修正后的齿面点坐标; n 为齿面法向量; FPL 为模具预紧力; k0 为初始预紧力; k1 、k2 和 k3 为预紧力相关的系数; m 为锻造次数。
二、齿轮精密塑性成形技术
齿轮精密塑性成形技术按照成形温度不同可以分为热精锻、冷精锻、温精锻和复合精锻等。根据不同类型齿轮齿形结构特点的不同, 国内外众多学者从模具结构设计方面针对各种类型的齿轮进行了大量的研究, 开发了多种齿轮精密塑性成形技术, 主要有闭式锻造、分流锻造、浮动凹模锻造、挤压成形、摆辗成形、滚压成形以及各种成形技术组合的复合成形技术等, 如图 6 所示。
闭式锻造是在上凸模轴向力作用下, 使金属坯料在齿形凹模型腔内发生镦粗变形, 径向流动逐步充满齿形型腔。KONDO K 和 OHGA K首先提出, 分流锻造是在金属坯料上开设分流孔, 使得金属材料在向齿形流动的同时也向分流孔流动, 从而避免了齿形充满时成形力陡增的问题。在此基础上, 国内学者开发了约束分流、向内分流等分流方法。浮动凹模锻造是在凹模下面设置诸如弹簧一类的弹性元件, 成形时凹模可与凸模一起向下运动, 坯料与凹模间的摩擦力转变成了促使金属流动的有效动力, 解决了固定凹模成形时齿轮下端齿部充填困难的问题, 从而提高了齿轮下端角隅充填质量。齿轮挤压成形是利用实心或空心圆柱体坯料在挤压凸模的作用下, 沿金属凹模齿形线的方向挤出, 从而获得所需要的齿轮。摆辗成形利用围绕机器主轴做旋转运动的圆锥形上模在工件上连续不断地滚动辗压, 进而连续对工件施加局部压力使工件发生变形, 最后达到整体成形齿轮的目的。滚压成形是利用一对或多对参数相同的滚压齿轮以恒定的进给速度径向挤压坯料, 产生摩擦力矩带动工件旋转, 使工件外圆产生塑性变形, 并逐渐挤入工件, 借助范成运动形成齿形。
圆锥直齿轮、圆柱直齿轮、圆柱螺旋/ 斜齿轮、圆锥螺旋齿轮和非圆锥直齿轮等不同的齿轮类型齿形特点不同, 采用的精密塑性成形技术不同, 具体如表 1 所示。
齿轮热精锻成形技术
热精锻技术是将坯料加热到再结晶温度以上, 在模具作用下坯料发生塑性变形填充型腔成形零件的技术。热精锻成形材料变形抗力低、塑性好, 容易成形比较复杂的工件。齿轮热精锻技术源于 20 世 纪 50 年代, 是由德国人最先开始用闭式热模锻方法成形圆锥直齿轮。圆锥直齿轮是一种能够传递相交轴间运动和扭矩的重要传动零件, 具有高效、稳定及噪声小等优点, 在汽车、机床等领域有着广泛的应用。由于圆锥直齿轮齿形在背锥上, 相对于其他类型齿轮成形好, 是国内外学者研究最早、发展最快、最先实现塑性成形的一类齿轮, 图 7 所示为圆锥直齿轮精密塑性成形技术。
我国齿轮热精锻成形技术研究始于 20 世纪 70 年代, 从热锻圆锥直齿轮成形工艺、模具设计、工艺参数优化等方面进行了大量的研究。为了保证齿形的充填, 齿轮热精锻技术一般需要预锻、终锻及切飞边才能完成。直齿锥齿轮热精锻精度一般为 9~10 级, 现已用于大批量生产载货商用车、拖拉机、农业机械及工程机械等行星锥齿轮、半轴锥齿轮。在此基础上, 一些高校、研究院所、工厂企业还研究探索了圆柱直齿轮、圆柱螺旋/斜齿轮和圆锥螺旋齿轮热精锻成形技术。
由于圆柱直齿轮、圆柱螺旋/ 斜齿轮齿形在圆柱面上, 且在锻造中金属材料的塑性流动方向垂直于其受力方向, 因此其齿形比锥齿轮更难形成, 而且闭式锻造成形的最后阶段存在成形力急剧增大、角隅难以充满及模具寿命低等问题, 尤其是圆柱螺旋/ 斜齿轮齿形呈螺旋形状, 材料流动更复杂, 因此圆柱直齿轮、圆柱螺旋/ 斜齿轮热精锻成形的应用还存在较大困难。为了降低圆柱齿轮闭式模锻最后阶段成形载荷、改善金属材料流动, 国内外许多学者将分流减压工艺和闭式锻造工艺相结合的分流锻造技术用于成形圆柱直齿轮、圆柱螺旋/ 斜齿轮, 即在坯料或者凸模上开设分流孔, 在分流锻造成形过程中, 坯料在充满模膛的同时, 部分坯料流向分流孔, 从而来改善材料的流动、降低成形载荷。图 8 所示为武汉理工大学设计的带凸台的凸模结构在热锻成形时与坯料形成分流空腔的圆柱螺旋/ 斜齿轮分流- 挤压热锻成形工艺图。冯玮等和秦飞研究了不同尺寸分流空腔对成形载荷、等效应变分布的影响, 结果表明: 合理的分流腔设计可以有效减小成形载荷, 改善等效应变分布的均匀性, 进一步通过建立变形-传热-微观组织耦合有限元模型, 揭示了圆柱螺旋/ 斜齿轮分流-挤压宏微观变形规律和耦合影响规律。
在齿轮热精锻成形过程中, 坯料表面强烈的氧化作用导致成形齿轮表面质量和尺寸精度较低, 因此热精锻成形主要用于齿形精度要求较低的商用车、拖拉机、农用车行星锥齿轮和半轴锥齿轮以及一些电动工具圆锥螺旋齿轮的生产制造。对于齿形精度较高的乘用车齿轮, 热精锻还不能应用于成形制造。
齿轮冷精锻成形技术
冷精锻成形是坯料在室温下发生塑性变形, 填充型腔, 从而成形各种形状零件的精密锻造工艺。冷精锻成形避免了高温氧化、热胀冷缩等几何误差, 其成形零件几何精度高、表面质量好, 是高性能高 精度乘用车齿轮特别是圆锥直齿轮的主要成形制造技术。乘用车锥齿轮冷精锻成形技术主要有齿轮闭式冷精锻成形和齿轮冷摆辗精密成形等。
齿轮闭式冷精锻成形技术
齿轮闭式冷精锻成形是坯料在室温下在密闭模具型腔中发生塑性变形并充满型腔。齿轮闭式冷精锻成形技术一般分为制坯和成形两工步, 工艺流程短, 成形精度高, 且金属流线沿齿廓连续分布, 齿轮力学性能好。但是齿轮闭式冷精锻成形工艺变形抗力大, 需要的设备吨位大, 而且齿形填充效果差。国内外许多学者针对圆锥直齿轮、圆柱直齿轮和圆柱螺旋/ 斜齿轮冷锻成形工艺中齿形填充过程、模具失效形式以及成形缺陷等方面进行了大量探索研究。齿轮浮动凹模锻造技术是将凹模设计成浮动运动的一种闭式冷精锻工艺, 通过在凹模下面设置弹性元件, 在成形过程中凸模、凹模和坯料一起运动, 将凹模和坯料之间产生的摩擦力转变为促进坯料充填型腔的积极摩擦力来减小金属流动的摩擦阻力, 从而有效降低成形载荷和提高齿形填充效果。依据浮动凹模原理, 可以通过调控凸模和凹模之间的相对速度来调整凹模和坯料之间的摩擦力的大小和方向, 进而调控金属流动过程、成形载荷、齿形填充效果以及成形缺陷等。为了降低齿轮闭式冷精锻成形载荷, 改善齿形充填效果, 一些学者采用分流锻造技术成形圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮。CHOI J C 等提出了内腔分流成形圆柱直齿轮的方法来提高齿形的填充效果。寇淑清等和 WANG G C 等分别提出了闭式镦挤-约束孔分流两步成形 法、闭式模锻-向内分流法和预锻分流区-分流终锻工艺成形直齿圆柱齿轮, 不但显著降低了成形力, 而且明显改善了齿形充填效果。FENG W 等通过设计不同分流孔径的坯料, 实现了圆柱螺旋/ 斜齿轮冷精锻成形, 图 9 为不同分流孔径下齿轮成形载荷变化曲线以及成形样件。由于齿轮冷精锻成形载荷大, 主要用于小模数汽车圆锥直齿轮成形制造。
未完待续
参考文献略.