齿轮冷摆辗精密成形是通过锥形摆头绕自身轴线自转-绕设备轴线公转合成的回转摇摆运动和凹模直线进给运动使工件产生连续局部塑性变形累积整体成形的先进成形技术, 具有成形力小、充模效果好、生产效率高等优点, 可以成形闭式冷精锻无法成形的大模数大直径齿轮。
武汉理工大学华林团队自 20 世纪 90 年代以来, 针对圆锥直齿轮冷摆辗机理、冷摆辗成形规律、产品检测和质量控制、冷摆辗齿轮坯料预处理及长寿命模具设计制造等进行了系统深入研究。阐明了圆锥直齿轮摆辗成形-渗碳淬火宏观精度和微观组织演变规律, 确定了齿轮摆辗成形极限, 建立了齿轮冷摆辗成形理论, 发明了高性能齿轮齿形无切削冷摆辗成形方法, 攻克了模具-电极-预应力圈设计制造、摆辗-渗碳淬火测控关键技术, 冷摆辗成形齿轮晶粒细化、流线连续分布, 精度 6 ~ 7 级, 取消齿形磨削加工, 提高疲劳寿命 1 ~ 2 倍, 提高生产率 10~20 倍, 在我国首次实现了高精度乘用车齿轮无切削冷摆辗精密成形制造和规模化生产, 并获得 2005 国家科技进步二等奖, 这也是我国齿轮精密塑性成形技术首次获得国家科技进步奖。
根据圆锥直齿轮结构特点和摆辗设备运动方式, 圆锥直齿轮冷摆辗成形过程如图 10 所示。圆锥直齿轮的齿形分布在锥面上且齿形轮廓为直线, 将摆头设计为回转的锥面, 下模为齿形型腔, 摆辗成形时, 在摆头摆动和齿形下模进给运动的协同往复作用下, 齿坯发生塑性变形填充齿形型腔, 逐渐成形齿轮。由于圆锥直齿轮冷摆辗成形过程是坯料在复杂模具运动作用下发生的局部塑性变形, 且变形区从上往下依次传递, 因此需要从理论上解决圆锥直齿轮稳定成形关键技术问题。本团队根据圆锥直齿轮摆辗成形工艺特点, 通过几何学、运动学和塑性力学研究, 结合有限元建模仿真分析, 提出了圆锥直齿轮冷摆辗成形条件, 揭示了圆锥直齿轮冷摆辗变形规律、力能参数变化特点和微观组织分布规律。
1.圆锥直齿轮冷摆辗精密成形条件
(1) 稳定摆动辗压条件
为了实现圆锥直齿轮连续且稳定地辗压成形, 齿坯需要在摆辗成形过程中始终与下模保持相对静止, 即必须保证作用于齿坯局部变形区水平方向拖曳力小于齿坯静摩擦力, 且齿坯在下模进给方向受力必须平衡, 因此, 根据圆锥直齿轮冷摆辗成形稳定辗压力学模型、库伦摩擦条件和几何运动关系可得到圆锥直齿轮冷摆辗成形稳定辗压条件, 如式 (2) 所示。
式中: s 为下模每转进给量; R0 为齿坯初始半径; γ 为摆头摆角; μ1、μ2 分别为摆头与齿坯上表面和下模与齿坯下表面摩擦因数。
(2) 塑性锻透条件
圆锥直齿轮冷摆辗成形稳定辗压条件是齿轮摆辗变形的必要条件, 但并不能保证整个齿坯发生塑性变形而成形出形状较好的齿形。在圆锥直齿轮冷摆辗成形过程中, 塑性变形区的形状和大小对齿轮变形均匀性、金属材料流动和力能参数有重要的影响。而塑性变形区是由摆头局部接触齿坯上表面发生塑性变形而产生的, 随着时间的变化而变化, 因此为了保证成形齿形精度, 必须保证塑性变形区从坯料上表面穿透到整个齿坯高度才能实现齿坯高度减小齿形形成的塑性变形, 即需要满足锻透力学条件。根据圆锥直齿轮冷摆辗成形塑性变形区变化特点、滑移线场理论等, 可推导出圆锥直齿轮冷摆辗成形塑性锻透条件, 如式 (3) 所示。
式中: H0 为初始高度; v 为下模进给速度; t 为摆辗成形时间。
在给定坯料尺寸、摆头摆角和下模进给速度条件下, 为了保证圆锥直齿轮冷摆辗成形过程中连续稳定地辗压成形且成形出形状较好的齿形, 下模每转进给量可以根据式 (2) 和式 (3) 来确定。
2.圆锥直齿轮冷摆辗变形规律
(1) 有限元模型
基于圆锥直齿轮成形规律和生产组织, 提出了圆锥直齿轮冷摆预成形+冷摆辗终成形的两步成形工艺。根据冷摆辗模具型腔设计、电极设计和成形锻件之间的关系确定了两步成形工艺中的预锻件图和终锻件图。为了保证成形齿轮的质量, 将成形模拟过程分为齿形填充和表面精整两个阶段, 根据圆锥直齿轮冷摆辗稳定成形条件和锻透条件, 给出了模拟过程摆头转速与凹模进给速度的设计方案和齿坯设计方案, 利用刚塑性原理建立了两步摆辗成形工艺有限元模型, 如图 11 所示。
(2) 几何形状演变特点
圆锥直齿轮两步冷摆辗形状演变如图 12 所示。在摆辗预成形初期, 摆头与齿坯上表面先发生接触, 接触区材料先发生变形, 在摆头摆动和凹模进给运动的作用下, 工件高度减小、工件上表面直径略微增加同时凹模与毛坯的下侧面发生接触, 该区域金属开始发生塑性变形; 由于摆头周期性摆动, 靠近摆头的金属流动速度比靠近凹模的金属流动速度要大得多, 从而呈现出 “蘑菇形” 效应。随着摆辗终成形过程的继续, 齿坯进入稳定成形阶段, 齿形轮廓逐渐成形, 并逐渐向大端扩展, 且大端齿形先充满, 而且在大端齿形之间开始形成飞边, 在成形的最后阶段, 由于金属径向流动阻力急剧增大, 迫使多余金属向齿形小端流动从而成形小端齿形。
(3) 成形材料流动特点
图 13 为圆锥直齿轮两步冷摆辗成形过程中金属流动速度场分布特点。由于摆辗成形是摆头与坯料局部接触施加载荷使金属发生塑性变形, 因此在预摆辗成形和终摆辗成形过程中, 工件变形区可分为与摆头接触的主动变形区及未与摆头接触的被动变形区。在预摆辗成形阶段, 主动变形区金属在摆头和凹模共同作用下主要沿坯料径向流动, 是坯料发生塑性变形的主要动力。被动变形区的金属未受 到摆头的直接作用, 而是在凹模向上挤压的同时受到主动变形区的牵连作用下而发生微弱的背离下形腔的运动, 而且主动变形区的金属流动速度明显大于被动变形区的金属流速。
(4) 成形力能参数变化规律
图 14 所示为圆锥直齿轮两步冷摆辗成形过程中轴向载荷-时间曲线。分析发现, 在预摆辗成形和终摆辗成形过程中, 轴向载荷变化特点均可分为 4 个阶段。在预摆辗成形过程中, 第 1 阶段摆头中部的凸台与坯料接触, 接触区域金属发生塑性变形, 因此轴向载荷迅速从零增加到某一值; 随着变形的进行, 摆头逐渐接触坯料的整个上端面, 轴向载荷急剧增大至相应的数值, 即第 2 阶段; 第 3 阶段坯料到达了齿形填充阶段, 轴向载荷先缓慢增加, 随后迅速达到峰值。在预摆辗成形最后阶段, 凹模停止了轴向进给, 导致轴向成形力迅速降低。终摆辗成形与预摆辗成形不同之处是在第 3 阶段 (齿形完整充填型腔阶段), 前者的金属流动阻力更大, 轴向载荷迅速增加到峰值, 其峰值载荷远高于预摆辗成形阶段峰值载荷。
(5) 微观组织演变规律
为了研究圆锥直齿轮摆辗成形-渗碳淬火微观组织演化规律, 以等温球化退火的 20CrMnTi 齿轮钢为坯料实验材料, MoS2 为润滑剂, 按照棒坯-预摆辗成形-退火-终摆辗成形进行实验, 得到冷摆辗成形圆锥直齿轮, 然后对齿轮沿不同方向不同位置截取试样进行金相分析和硬度测试, 得到圆锥齿轮冷摆辗成形微观组织分布特点, 如图 15 所示。研究发现: 齿廓部位的晶粒发生显著变形, 晶粒被拉长, 原始组织中的少量片状珠光体也因塑性变形而破碎, 形成沿变形方向分布的颗粒状碳化物; 从齿顶表面到齿根表面的晶粒的变形程度逐渐增大, 特别是齿根表面晶粒已经呈明显的纤维状; 心部的晶粒形状基本不发生变化, 仅铁素体晶界上聚集分布着颗粒状碳化物, 局部晶界处的碳化物分布较为密集。冷摆辗变形后, 齿廓处为分布均匀的等轴细小晶粒, 其大小约为 15 μm。在距齿廓 400 ~ 900 μm 处, 晶粒更加细小, 约为 10 μm 左右。
利用蔡司 ULTRA PLUS-43-13 场发射扫描电子显微镜对齿顶、分度圆和齿根处进行了 DBSD 分析, 得到了齿轮表面织构分布特点, 如图 16 所示。分析发现: 随着变形量的增加, 沿晶粒拉长方向大角度晶界的间距减小。当到达齿廓时, 大角度晶界的间距非常小, 晶界几乎平行于 RD 方向。经过冷摆辗后, 轮齿表面的金属受不同程度的塑性变形, 织构发生明显的变化。齿顶处织构方向性并不明显, 但在分度圆处织构形成了很强的方向性, 占主导地位的织构组分为 {112} < 110 >和 {110}<112>; 当变形量达到最大时, 齿根处织构的方向性更强, 占主导地位的织构组分为 {112} <110> 和 {111}<110>。
齿轮复合精锻成形技术
21 世纪以来, 汽车轻量化电动化发展要求精密塑性成形制造更高精度、更大模数和尺寸的高性能齿轮。为此, 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, 综合了冷精锻、热精锻和局部变形整体成形优点, 将齿轮冷摆辗技术扩展到热精锻+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, 批量精密成形制造新能源乘用车圆锥直齿轮、圆柱直齿轮、结合齿轮等。齿轮复合精锻成形技术是将冷、热精锻工艺进行组合完成齿轮的精密成形锻造, 充分利用了热锻材料塑性好、流动应力低, 齿轮主要变形过程用热锻完成; 而冷锻成形精度髙, 齿形部分主要尺寸形状用冷精锻终成形完成, 从而得到高精度高性能的齿轮零件。齿轮复合精锻技术具有材料利用率高、生产效率高及成形齿轮精度高等优点, 特别适合材料强度高、形状复杂、成形精度要求高的大模数大尺寸齿轮的成形制造。
近年来, 武汉理工大学华林教授团队针对航空齿轮材料强度高、难变形及性能要求高等特点, 提出了热摆辗预成形+冷摆辗精整的复合摆辗成形技术, 主要工艺过程如图 17 所示。通过建立变形-传热耦合的刚粘塑性有限元模型分析优化了航空齿轮复合摆辗成形过程, 并进行了热-冷摆辗复合成形工艺实验, 如图 18 所示。
三、齿轮精密成形装备与产线
齿轮成形装备与产线是实现齿轮精密塑性成形制造的关键。为了满足齿轮成形制造的高精度、高效率、绿色化和智能化, 齿轮成形装备应具有较好的刚性、精密的导向机构、多向协同运动能力、生产工序的自动监控和自动检测等特点。齿轮冷精锻成形的主要工艺流程为: 下料→ 球化退火→ 磷皂化→ 预成形→ 退火 →磷皂化→ 冷精锻终成形→ 切飞边 →热处理 →检验等。齿轮热精锻成形的主要工艺流程为: 下料 →加热→ 润滑→ 制坯 →预锻热成形→ 热精锻终成形→ 切飞边 →热处理 →检验等。齿轮复合精锻成形的主要工艺流程为: 下料→ 加热→ 润滑 →制坯 →热锻/温锻成形 →切飞边→ 热处理→ 冷精锻→ 热处理 →检验等。表 2 为齿轮精密成形各工艺流程所用设备。
齿轮热精锻成形常用的设备有高能螺旋压力机、热模锻压力机和离合器式螺旋压力机等。齿轮冷精锻成形常用的设备有冷锻压力机、冷挤压机和冷摆辗机等。热模锻机械压力机通常采用偏心轴、曲轴连杆、楔式和肘杆机构。冷锻压力机与热模锻压力机结构类似, 但刚性、速度和偏载能力与热模锻压力机不同。模锻液压机是利用油或水作为动力介质, 有三梁四柱或者框架结构。小型模锻液压机可用于精密齿轮锻造、挤压或者复合成形工艺。冷摆辗机主要有瑞士 Schmid 公司生产的 T200 和 T630 型, 适合直径为 Φ200 mm 左右的齿轮冷摆辗精密成形, 但其造价太高。为了降低冷摆辗机造价, 国内一些研究院所和工厂相继设计研究了多种规格摆辗机, 但精密成形稳定性不够。
近年来, 武汉理工大学华林教授团队基于冷摆辗几何学、运动学和成形力学规律, 发明了冷摆辗机新型运动轨迹, 提出了多轨迹、小振动高性能齿轮新型冷摆辗机设计方法, 研制了 300T 冷摆辗成形装备。在此基础上, 进一步消除单锥辊摆辗机偏心加载缺点, 研制了国际首台 500T 双锥辊摆辗机, 实现了薄腹板齿轮平衡加载成形, 相关设备如图 19 所示。
为了进一步提高齿轮精密成形效率和质量, 许多企业相继开发和应用了多工位齿轮热精锻/ 冷精锻自动化产线, 正在向着齿轮精密成形智能自动化方向发展。目前江苏太平洋精锻公司已经建设多条齿轮精密成形自动化生产产线, 该公司的某条 C2F-25 圆锥直齿轮自动化精锻线可实现毛坯自动上料-坯料自动化中频感应加热-毛坯自动进料到工位-多工位自动锻造和搬运-自动模具冷却润滑-自动快速换模-自动装框等多工位热精锻自动化生产, 显著提高了齿轮生产效率、模具寿命和产品精度。
四、齿轮精密成形技术应用
随着节能与新能源汽车国际竞争日益加剧, 要求汽车传动齿轮重量轻、强度高、精度高、成本低, 具有节省材料能源、降低生产成本、提高产品精度和生产效率的齿轮精密成形技术应用发展更加快速。精度要求不高的商用车齿轮广泛应用热精锻成形技术, 精度要求高的乘用车齿轮广泛应用冷精锻成形技术、热精锻-冷精锻复合成形技术。
齿轮无切削热精锻成形
商用车、拖拉机和工程机械等差速器圆锥直齿轮精度 9~ 10 级, 目前已广泛应用齿形无切削热精锻成形生产。汽车工业发达的德国、日本和美国等国家自 20 世纪 60 年代以来, 逐步实现了商用车差速器圆锥直齿轮无切削精密热锻成形批量生产。我国自 20 世纪 80 年代以来, 逐步实现了商用车差速器圆锥直齿轮无切削精密热锻成形批量生产。热精锻设备主要有摩擦压力机、电动螺旋压力机、机械压力机、液压机等, 热精锻成形齿轮模数 2~12, 直径 Φ300 mm 左右。
齿轮无切削冷精锻成形
乘用车齿轮精度为 6~ 7 级, 热精锻成形不能满足精度要求。20 世纪 90 年代武汉理工大学开发了圆锥直齿轮冷摆辗精密成形技术, 实现了齿形无切削成形制造。先后与湖北车桥公司、江苏太平洋精锻公司等合作, 建设了乘用车圆锥直齿轮无切削冷摆辗精密成形产线, 率先实现了我国高精度乘用车齿轮无切削冷摆辗精密成形规模化生产。齿轮冷摆辗连续局部变形, 抗力小、精度高、金属流线连续、晶粒组织细化, 大幅提高了齿轮疲劳性能和使用寿命, 使我国汽车齿轮技术经济水平进入国际先进行列。在齿轮冷摆辗精密成形技术和产线基础上, 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, 进一步开发了冷精锻、冷挤压、热精锻+冷精锻/冷摆辗等齿轮复合精密成形技术与产线, 实现了节能与新能源汽车变速器齿轮、同步器齿环、差速器齿轮等系列齿轮零件规模化生产。冷精密成形齿轮产品不仅广泛用于一汽、东风、上汽、北汽、广汽、吉利和比亚迪等我国主流车型, 还与奔驰、宝马和特斯拉等国际著名车型配套, 显著提升了我国汽车齿轮零件国际市场竞争力。典型无切削冷精密成形齿轮产品如图 20 所示。
五、齿轮精密成形技术发展
圆锥螺旋齿轮精密成形技术
圆锥螺旋齿轮可以用来传递相交轴之间的速度和转矩, 具有重合度高、承载能力强, 传动平稳、噪声小等优点, 是汽车、航空航天装备重要传动零件。目前, 国内外齿轮制造企业仍然采用预锻齿坯+铣齿+磨齿方式生产圆锥螺旋齿轮, 存在加工效率低、材料利用率低、疲劳性能差等问题, 无法满足汽车、航空航天装备发展需求。近几十年来, 虽然国内外研究人员针对圆锥螺旋齿轮精密成形进行了许多探索研究, 但圆锥螺旋齿轮复杂形状难以充模成形和脱模等问题一直未能解决。近年来, 武汉理工大学华林团队针对圆锥螺旋齿轮复杂形状几何特点, 提出了圆锥螺旋齿轮多自由度包络成形新方法, 并进行了包络成形工艺实验。
基于多自由度包络成形原理, 对于难成形的圆柱螺旋齿轮、圆锥螺旋齿轮等复杂形状齿轮, 武汉理工大学研制了国际首台 800T 六自由度空间包络成形装备, 实现了航空圆锥螺旋齿轮、面齿轮等多自由度包络成形制造。应用该设备成形的航空螺旋锥齿轮、航空面齿轮如图 21 所示。
非圆锥直齿轮热精锻成形技术
非圆锥直齿轮属于变速比传动机构, 能够执行许多圆锥直齿轮难以执行的特殊传动模式, 因此非常适合用于具有特种性能需求的传动装置。由于非圆锥直齿轮节曲线为空间型曲线, 几何形状更为复杂, 各齿上的金属流动过程存在显著差异, 因此其成形难度更大。目前, 非圆锥直齿轮主要采用五轴联动数控加工中心进行加工。根据非圆锥直齿轮结构特点, 武汉理工大学华林团队开发了下料-加热-预制坯-终锻非圆锥直齿轮热精锻成形工艺, 提出了通过分割齿区间转换为具有扇形截面的扇形柱体的思路来建立预制坯精确设计方法, 实现了非圆锥直齿轮热精锻成形, 如图 22 所示。
六、结语
齿轮是机械装备的核心基础件, 对高端装备性能及寿命有着重要影响。以高性能航空圆锥螺旋齿轮、面齿轮等完整流线精密成形技术与应用为代表的高端齿轮先进制造技术亟待突破, 我国塑性成形科技工作者面临着光荣使命。通过产学研密切合作, 一定会使我国高端齿轮精密成形技术与装备实现自主创新, 走在世界前列。
参考文献略.