弧齒錐齒輪塑性成型工藝研究

郝 喆

（西安理工大學，陜西西安 710048）

對現階段的弧齒錐齒輪利用進行分析發現其在實踐中可以實現比較大的荷載傳遞，而且工作的平穩性突出，噪聲小，振動也比較小，所以其成為汽車、飛機等動力傳遞中的核心零件。正是因為弧齒錐齒輪的地位突出，使用價值巨大，所以其質量會直接影響到整機的質量和機械自身使用的安全性。出于弧齒錐齒輪使用穩定性和安全性的考慮，需要對其生產進行質量控制。在傳統生產中，弧齒錐齒輪的加工工藝是切削加工，這種加工方式切斷了金屬纖維，破壞了連續性，所以齒輪的壽命會降低。相比于傳統工藝，塑性成型齒輪解決了傳統工藝的缺點，齒輪的強度、齒面的耐磨能力等明顯提升，所以塑性成型工藝的具體利用對齒輪自身的質量提高和性能優化有積極的意義。

1 弧齒錐齒輪加工存在的問題

對弧齒錐齒輪的加工做具體的分析會發現其擠壓和直齒錐齒輪相比難度要大得多，所以在精擠的時候，通常的閉式模具是無法使用的。早期的弧齒錐齒輪擠壓主要利用的是開式模具，而利用此種模式生產的弧齒直齒輪，其內外存在著飛邊，這種情況會導致如下的問題。

1）飛邊會造成材料的浪費，這對于經濟性生產和綠色生產而言是非常不利的。

2）飛邊會增加所需要的變形力，這種情況容易引發零件齒大端齒頂和小端齒頂出現缺肉的情況。

3）因為齒輪大和飛邊厚的原因，切邊設備的噸位會被 增大。

4）在擠壓變形力比較大的情況下，模具受到超負荷沖擊的影響容易出現斷裂失效問題。

5）坯料在粗擠之后需要進行切邊、沖連皮，而零件的溫降過大，所以需要進行加熱后方能進行精擠壓?？傊?，對傳統的弧齒錐齒輪加工進行分析發現，模具利用不科學會導致多方面問題，所以需要基于模具進行新工藝的分析與利用。

2 弧齒錐齒輪新工藝

傳統工藝會導致飛邊的出現，而飛邊又會對弧齒錐齒輪的加工與利用產生諸多不好的影響，所以必須要對工藝進行改變與革新，這樣，相應的問題才會得到解決。

2.1 要實現生產無飛邊，需要執行如下新工藝

（1）對原材料進行目測和檢查，保證原材料本身的質量，然后在檢查的基礎上對其進行常規的理化檢測，獲得準確的材料參數。

（2）進行剪切和下料。

（3）進行加熱。如果坯料較少，可以不采取氧化加熱。

（4）進行制坯。制坯主要涉及鐓粗、沖孔和擴孔三方面內容。

（5）進行粗擠壓。

（6）進行精擠壓。在擠壓之后需要進行表面的清理，之后再進行加工以及加熱處理，弧齒錐齒輪可以檢驗入庫。就工藝的具體利用來看，該工藝的創新之處在于僅需要經過依次加熱就可以實現粗擠壓和精擠壓。閉式精擠壓和開式精擠壓比較，其顯著的優勢是節省了粗擠壓之后的切飛邊工作，而且還減少了一些工序，這樣的結果不僅實現了鋼材的節省，還降低了能源消耗，這對于人員和設備耗損有積極的意義。

就新工藝的具體利用來看，該工藝能否順利實施，關鍵性因素是成型的溫度。在實踐中，成型溫度的確定需要遵循三個基本的原則：

2.2 成型溫度的確定

（1）要選擇在金屬材料塑性好，變形抗力顯著下降的溫度范圍內進行成型。

（2）需要選擇在金屬材料發生劇烈氧化前的溫度范圍內成型。

（3）需要選擇在金屬材料成型后能強化并且不改變組織結構的溫度內成型。基于具體的原則進行溫度成型的基本分析，這樣可以為成型溫度的準確界定提供參考與幫助。

以40CrMnTi為例進行分析，對其的溫度-強度關系曲線進行繪制可以發現在溫度升高的情況下，變形抗力會呈現逐漸降低的趨勢。在300℃左右的時候，曲線的下降趨勢會出現明顯的反彈，這說明在這個階段，金屬的變形抗力有了明顯的增大，其強度也在顯著的增加，而且其伸長率和斷面收縮率有了顯著的減小，換言之，其塑性有所下降?；趯嵺`經驗來看，在塑性成型的時候需要盡可能的避開此溫度。

從具體分析來看，在溫度不斷升高的情況下塑性指標有了顯著的提升。尤其是在溫度達到600℃的時候，金屬的強度會發生顯著的下降，此時相應的塑性指標會顯著上升，金屬的流動性也會得到顯著改善，這對于塑性幫助巨大。為了滿足擠壓時對剛塑性的具體要求，在高強度材料擠壓的過程中需要選擇在鋼的相變溫度上進行擠壓，這樣，擠壓成型的效果會更加顯著。

對材料進行繼續加熱分析發現，在溫度達到800℃的時候，金屬的氧化會變得非常強烈，在劇烈氧化的情況下，氧化皮的產生會對模具型腔造成磨損加劇，此時工件的尺寸精度以及表面的粗糙度值等均會受到很大的影響，所以此溫度是不適合塑性成型的。綜合來講，將40CrMnTi的塑性成型溫度確定在600～800℃是非常科學的。

3 模具結構

從新工藝的具體利用來看，在新工藝實施的過程中需要將傳統的開式模具更換為閉式模具，所以為了實現模具的準確利用，需要對模具結構進行分析。

以用于螺旋壓力機上的螺旋齒輪閉式預加壓模具結構為例進行分析，因為零件齒的大段頂部和小端頂部成型比較的困難，所以在上模位置進行齒模的調整安裝，這樣，零件齒部的成型會更加的簡單。與此同時，因為零件和齒模的接觸時間比較短，所以齒模不會出現升溫過高的情況，這樣，齒模退火和熱疲勞早期的失效情況可以有效避免。

對具體利用的模具進行分析，模具使用上、下凹模水平對分的預應力進行凹模結構和鎖扣導向的組合，在組合后，凹模和模芯需要保持浮動狀態。對齒模的外環、內環等采用預應力過盈配合的方式可以形成組合齒模。

對模具結構進行具體的分析，發現其在使用中具備四個方面的突出特點：

1）模具上下位置的導向準確性突出，沒有錯移的情況，而且上模和鍛坯在未接觸之前，鎖扣在沒有橫向作用力的情況下可以實現自由的導入，這樣有效規避了鎖扣的磨損以及磕傷，模具整體利用的位置準確性更加突出。

2）坯料的定位具有迅速性和準確性。從具體的定位分析來看，鍛坯可以依靠模具和自身的形狀實現快速定位，在不需要人工目測定位的情況下，鍛坯便可以保證定位的迅速性和準確性，節約了擺放鍛坯的時間，而且可以規避鍛坯偏置的問題。

3）在進行粗擠壓的時候，因為齒模在上模，齒模與熱擠壓件接觸的時間比較短，齒模升溫比較小，所以齒模退火和熱疲勞失效的問題有效規避。

4）在實踐中采用的是浮動凹模和浮動模芯的方式，金屬的變形主要是在封閉的模腔中完成的，所以擠壓件不存在連皮和飛邊的情況，這樣的方式一方面是降低了材料的消耗，同時還降低了擠壓變形力。不僅如此，粗擠壓后還不需要進行沖連皮、切飛邊以及再加熱便可以開式精擠壓，能源得到了有效的節約。

總之，新模具本身的結構特點顯著，在具體的成型工藝使用中，其改變了傳統生產的不足，實現了生產的經濟性和綠色化，所以在當前實踐中，新磨具利用廣泛性不斷加強。

4 結束語

綜上所述，弧齒錐齒輪在現階段的實踐中有著重要的利用，而且其往往具有關鍵性價值，所以其質量問題會直接對機械的運行效果和安全造成影響，基于此，控制弧齒錐齒輪的質量便有了突出的現實意義。從傳統的工藝使用來看，開式模具在生產弧齒錐齒輪的過程中存在著諸多不足，這些不足引發的問題對弧齒錐齒輪的現實影響比較顯著，所以基于模具的改善對弧齒錐齒輪的塑性成型工藝進行分析與討論，可以為實踐提供幫助。