摘要：試驗(yàn)研究了汽車差速器主動(dòng)螺旋傘齒輪塑性成形方法，設(shè)計(jì)并制造出試驗(yàn)用模具，在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了塑性成形實(shí)驗(yàn)，用網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)研究了塑性成形齒輪截面上的金屬流動(dòng)情況及齒型充滿過(guò)程，揭示了金屬纖維走向與分布，測(cè)繪了塑性成形螺旋傘齒輪鉛試件的行程壓力曲線，為優(yōu)化預(yù)制坯、成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力能參數(shù)計(jì)算提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 關(guān)鍵詞：螺旋傘齒輪；塑性成形；金屬流動(dòng)；成形力；試驗(yàn) 一、前言 目前，我國(guó)的汽車、拖拉機(jī)差速器主、從動(dòng)螺旋傘齒輪都由鍛坯經(jīng)格林森切齒機(jī)切削加工齒型制造的。齒輪切削加工的工藝成熟，生產(chǎn)穩(wěn)定，但與塑性加工相比不僅生產(chǎn)率低，材料利用率低，而且鍛坯經(jīng)切削加工齒形后，切斷了金屬纖維，齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度、齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒面耐磨性都比較低，因而齒輪的使用壽命短。作為車輛運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的傳遞者，工況復(fù)雜，負(fù)荷又重，縮短了車輛大修周期，不僅經(jīng)濟(jì)損失大，而且涉及到車輛運(yùn)行的安全問(wèn)題。 實(shí)踐證明，塑性加工生產(chǎn)齒輪，不僅生產(chǎn)率高，材料利用率高，而且使金屬纖維走向與齒形相適應(yīng)，保持了其連續(xù)性，與同樣材質(zhì)所制造的切削加工齒形的齒輪相比，大大提高了各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)，若以此種齒輪裝配汽車拖拉機(jī)車橋，定能延長(zhǎng)大修周期，提高整車質(zhì)量和車輛運(yùn)行的安全性。然而，由于車橋主動(dòng)螺旋傘齒輪（圖1）的齒型面形狀復(fù)雜，錐頂角小，螺旋角大，塑性成形齒形時(shí)，金屬充滿型腔的運(yùn)動(dòng)路線彎曲漫長(zhǎng)，流動(dòng)阻力大，難充滿，也難于脫模。為此，通過(guò)塑性成形模擬實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)發(fā)其齒形精鍛生產(chǎn)工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 [align=center] 圖1微型車車橋主動(dòng)螺旋傘齒輪 [/align] Z＝7α＝22.5°齒全高h(yuǎn)＝7.995螺旋角β＝48°齒面粗糙度3.2μm，螺旋方向左 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?/b> 1.試件形狀簡(jiǎn)化 本實(shí)驗(yàn)是研究螺旋傘齒輪齒形塑性成形方法，該齒輪軸柄的形狀不影響齒形的塑性成形，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)用模具結(jié)構(gòu)，以便于加工制造，設(shè)計(jì)圖1螺旋傘齒輪的實(shí)驗(yàn)試件其軸柄為簡(jiǎn)單錐體（圖2）。 [align=center] 圖2實(shí)驗(yàn)試件[/align] 2.實(shí)驗(yàn)?zāi)＞? 主動(dòng)螺旋傘齒輪的凹模齒的齒面角和齒根角分別為該齒輪齒的齒根角和齒面角，都為小于45°的銳角（圖1），且節(jié)點(diǎn)螺旋角β＝48°，由此所形成幾何形體的干擾，阻礙金屬沿軸向進(jìn)入齒型腔而形成齒形，只能經(jīng)A處或B處（圖2）軸向進(jìn)入型腔的金屬擠壓相應(yīng)部分徑向流入齒的型腔。這就限定了進(jìn)入凹模齒型腔段的預(yù)制坯部分必須包容在齒面錐面（即齒輪齒根錐面）以內(nèi)。預(yù)制坯尺寸形狀和實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)都必須適應(yīng)主動(dòng)螺旋傘齒輪塑性成形的這一特性。 （1）閉式模鍛模具 閉式模鍛的模具結(jié)構(gòu)如圖3所示。此模具的特點(diǎn)是裝上預(yù)制坯進(jìn)行壓制之前，擰緊螺釘3，從而通過(guò)定位的連接套4把凹模1與下模5剛性聯(lián)接起來(lái)，使之形成固定的型腔以后，再開(kāi)動(dòng)壓力機(jī)壓下沖頭2，直到?jīng)_頭2達(dá)到圖3所示位置時(shí)使壓機(jī)力滑塊停止前進(jìn)并回程，卸去螺釘3，由下端把工件6連同凹模一起頂出下模5，再通過(guò)沖頭2將工件6頂出凹模，完成一個(gè)工作循環(huán)。所壓出的工件如圖4所示。由于該模具在使用過(guò)程中，需要有先固定、后打開(kāi)模具型腔的動(dòng)作，生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)需要設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具，或采用雙動(dòng)壓力機(jī)。 [align=center] 圖3閉式模鍛車橋主動(dòng)螺旋傘齒輪試驗(yàn)?zāi)＞? 1.凹模2.沖頭3.螺釘4.連接套5.下模6.工件7.墊板8.頂桿[/align] [align=center] 圖4車橋主動(dòng)螺旋傘齒輪塑性成形鉛試件照片[/align] （2）浮動(dòng)模 根據(jù)用閉式模具壓制主動(dòng)螺旋傘齒輪的操作經(jīng)驗(yàn)，我們又研制出圖5所示浮動(dòng)模。凹模6在彈簧5的作用下處于螺釘7的上端，工件9的預(yù)制坯裝入浮動(dòng)凹模6后，啟動(dòng)壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上墊板11、導(dǎo)套8和上模10下行，預(yù)制坯軸柄部完全進(jìn)入上模腔時(shí)上模10碰到浮動(dòng)凹模6并推動(dòng)它壓縮彈簧5。彈簧5被壓縮的過(guò)程中沖頭4擠壓預(yù)制坯變形。直到浮動(dòng)凹模6接觸限程塊3工件變形結(jié)束壓力機(jī)滑塊回程，工件留在浮動(dòng)凹模6中，在浮動(dòng)凹模6的C處放上墊塊（圖中未畫(huà)）后壓力機(jī)滑塊二次壓下，由頂桿（圖中未畫(huà)）將工件頂出浮動(dòng)凹模。壓力機(jī)滑塊回程，取出墊塊和工件，完成一個(gè)工作循環(huán)。由此模壓制的齒輪試件如圖4所示。 [align=center] 圖5成形螺旋傘齒輪的浮動(dòng)模 1.下墊板2.模座3.限程塊4.沖頭5.彈簧 6.浮動(dòng)凹模7.螺釘8.導(dǎo)套9.工件10.上模11.上墊板[/align] 三、網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)與壓力測(cè)試 1.網(wǎng)格實(shí)驗(yàn) 將鉛試件毛坯沿預(yù)定位置的平面剖分開(kāi)，打磨平光后刻劃上直線網(wǎng)格，再用低熔點(diǎn)合金把剖分塊粘合起來(lái)，加工成預(yù)定形狀的預(yù)制坯，經(jīng)模鍛成形后，加熱熔化低熔點(diǎn)合金使試件又從原剖分面分開(kāi)。圖6為試件變形后剖面上網(wǎng)格照片。根據(jù)網(wǎng)格變形前后的尺寸算得試件剖面上各處的應(yīng)變，如圖7、圖8所示。 [align=center] （a） （b） 圖6鉛試件剖分面上網(wǎng)格的變形 （a）橫剖面，網(wǎng)格原形為：圓周分度5°40，徑向3mm （b）縱剖面，網(wǎng)格原形為3mm×3mm 1.軸向壓縮10mm的變形網(wǎng)格2.軸向壓縮20mm的變形網(wǎng)格 3.軸向壓縮30mm的變形網(wǎng)格4.軸向壓縮40mm的變形網(wǎng)格[/align] [align=center] 圖7齒大端橫剖面上徑向應(yīng)變分布 （Δr0、Δr分別為變形前后網(wǎng)格徑向長(zhǎng)度） a.變形后剖面上的網(wǎng)格b.εr—r曲線[/align] [align=center] 圖8齒輪軸心處軸向應(yīng)變的分布 （Δz0、Δz分別為變形前后網(wǎng)格軸向高度） a.齒輪剖面b.z—εz曲線[/align] 2.壓力測(cè)試 車橋主動(dòng)螺旋傘齒輪鉛試件在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上塑性成形的行程—壓力曲線如圖9。 [align=center] 圖9微型汽車車橋主動(dòng)螺旋傘齒輪鉛試件塑性成形的行程—壓力曲線 a—閉式模成形的S—P曲線b—浮動(dòng)模成形的S—P曲線 c—卸料的S—P曲線d—鉛試件（φ34.6mm×h40mm） 自由鐓粗的S—P曲線[/align] 將試驗(yàn)成形的齒輪軸向投影面積F及鉛ε=-0.8的流動(dòng)極限σs＝20N／mm2代入（1）式可算得系數(shù)k＝1.11～1.39。由此得計(jì)算傘齒輪齒形成形力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為： P＝（1.11～1.39）Fσ＊s（2） 采用模膛鎖定的閉式模具成形時(shí)，k＝1.39，采用浮動(dòng)凹模成形時(shí)，k＝1.11。 四、討論 由實(shí)驗(yàn)研究得出以下幾點(diǎn)結(jié)論： （1）采用連接上、下模鎖定模膛的模具（圖3）或浮動(dòng)凹模的模具（圖4），以沖頭鐓擠成形車橋主動(dòng)螺旋傘齒輪的齒形是可行的。鎖定模膛中成形時(shí)，沖頭需要傳遞較大的壓力（圖9a），因而需（下轉(zhuǎn)30頁(yè)）（上接5頁(yè)）要沖頭具備更高的強(qiáng)度。而且該模具上、下模的合、開(kāi)及鎖定需另提供動(dòng)力，或者使用復(fù)動(dòng)壓力機(jī)，也增加了模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。比較起來(lái)，浮動(dòng)凹模之模具更好。 （2）鐓擠成形時(shí)，發(fā)生軸向壓縮（εz＜0），徑向和切向延伸（εr＝εθ＞0）的變形，從直徑小端開(kāi)始，即先成形并充滿小端齒形，隨著繼續(xù)壓下，鐓擠力增大，則齒形由小端至大端順次成形并充滿。該方法所要求的預(yù)制坯外形包容于齒根錐臺(tái)曲面和大、小端齒根圓軸向平移所形成的圓柱面內(nèi)。并且小端圓柱體的體積要大于全部齒形體積的一半。若將這部分金屬放在大端，則要求鐓擠過(guò)程中上、下模能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)壓力急劇上升，大端齒形雖充滿，而其余齒形缺肉。螺旋傘齒輪塑性成形齒形的這個(gè)變形特性，成為預(yù)制坯形狀設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 （3）由于根據(jù)棒材軋制方向在試件剖面上刻劃網(wǎng)格線，所以試件塑性變形所引起網(wǎng)格線的變形也表示金屬軋制纖維的變形。試件變形后其剖面上網(wǎng)格（圖6）照片說(shuō)明：金屬纖維仍保持連續(xù)而無(wú)任何切斷痕跡；其分布與應(yīng)變分布相對(duì)應(yīng)；纖維的走向與工件形狀有關(guān)，纖維的形狀自內(nèi)而外逐漸與工件外形趨向一致，齒根處纖維線密度增高。齒輪內(nèi)部這樣的組織結(jié)構(gòu)，改善質(zhì)量，提高其疲勞強(qiáng)度和耐磨性，延長(zhǎng)了齒輪的服役壽命。 （4）塑性成形螺旋傘齒輪齒形，其生產(chǎn)率高于切削加工，設(shè)備、工裝投資額度低，還提高15%以上的材料利用率，降低產(chǎn)品成本10%。 （5）實(shí)測(cè)鉛試件S—P曲線（圖9a，b）表明，鐓擠成形螺旋傘齒輪齒形的工藝力較大，且都加在沖頭上。而沖頭直徑≤齒輪小端齒根圓直徑，其剛度、強(qiáng)度不能增大，限定了承受工藝力的能力。只能采取加熱鋼件，降低工藝力，實(shí)現(xiàn)溫、熱塑性成形。