1.2　齿轮滚轧成形技术及其研究进展

针对圆柱齿轮精锻成形技术应用中的变形抗力大及难以脱模等问题，人们提出了齿轮滚轧成形新工艺。此工艺结合轧制成形方式的优势并参考了搓丝工艺原理。

轧制成形技术是指坯料通过一对（或多个）旋转的压辊间隙，受到连续挤压而产生特定截面形状的塑性变形过程。常见的轧制成形有辊锻、楔横轧、碾环等。辊锻是指坯料通过一对反向旋转的带有弧形模具的压辊而产生塑性变形的工艺过程，其进料方向和出料方向不在同一侧，如图1-13（a）所示。碾环是指通过内外模具使得环形坯料的内外径扩大的塑性变形方法，如图1-13（b）所示。楔横轧是指金属坯料在一对同向旋转的模具间发生局部变形的工艺过程，主要用于加工阶梯轴、锥形轴等，如图1-13（c）所示。

搓丝工艺是指坯料在两个同向旋转的压辊或者两个相对运动的搓板受到挤压产生螺纹的塑性变形过程，如图1-14所示。

齿条滚轧成形类似于搓丝工艺，一对装有齿形结构模具的齿条相向运动，连续搓辊坯料，使坯料与齿条模具啮合发生塑性变形，随着齿条上的齿形逐步变长长大，利用范成原理，使坯料最终形成目标齿形，如图1-15所示。

美国于20世纪70年代发表了花键轴的齿条滚轧成形专利 ^{［71，72］} 和多项齿条滚轧模具的专利技术 ^{［73～76］} 。燕山大学的王志奎等 ^{［77，78］} 研究了板式冷搓花键成形工艺，明确了初始咬入条件，对齿形精度和影响因素进行了分析研究。波兰的Pater等 ^［79］ 采用扳式轧机，在实验室成功完成直齿圆柱齿轮轴的轧制。Domblesky等 ^［79］ 仿真分析了外螺纹冷搓成形工艺，获得了冷搓成形过程中金属的流动规律。

齿轮滚轧工艺原理如图1-16所示，一对（或三个或更多）参数相同的滚压轮做同向、同步旋转，并径向进给挤压坯料，坯料外圆部分的金属发生塑性变形，逐渐形成齿形。

从齿轮滚轧成形方式看，连续塑性变形过程可使得齿轮角隅填充较完满，同时滚轧过程中滚压轮与坯料间局部接触，因此所需载荷也较小；与齿条滚轧工艺相比，齿轮滚轧工装系统所占空间小，理论上滚压轮可与工件无数次滚轧啮合，因而得到的齿轮齿形精度也较高。因此，从成形方式和技术潜力上看，齿轮滚轧工艺在克服锻造成形齿形角隅充填不完满、脱模困难等问题以及降低模具成本、工装易于实现等方面具有较好的潜在应用前景。

目前，齿轮滚轧成形国内研究较少。从发表文献看，主要集中在汽车齿轮及类齿轮零件如花键、齿轮轴的滚轧成形研究。

彭树杰等 ^{［81～83］} 对于车载使用的转向齿轮零件的冷滚轧工艺和滚压轮设计进行了研究，滚轧成形的齿轮安装在汽车上经测试完全符合使用要求，并使用渐开线齿形面积算法来计算渐开线圆柱齿形零件冷滚轧过程中坯料初始尺寸。

何枫 ^［84］ 对渐开线花键滚轧的滚压轮工艺参数提出了设计方案。

王柯智等 ^［85］ 基于滚压轮工艺参数设计原理，对UG进行二次开发，将待加工花键轴的特征参数直接输入程序即可实现滚压轮的参数化建模，简化了滚压轮的绘制时间，提高了花键类零件滚轧三维建模及有限元模拟效率。

何江川 ^［86］ 对于纺纱机器上所用的具有罗拉沟槽齿形的斜齿轮滚轧加工时滚压轮的设计制造及坯料尺寸选择进行了介绍。

于荣贵 ^［87］ 对渐开线螺旋花键冷滚轧模的特点、设计制造及使用进行了介绍。

庄中 ^［88］ 介绍了齿条滚轧加工和齿轮滚轧加工，并对滚轧加工小模数渐开线花键的几个关键问题进行了分析。

吴修义 ^［89］ 及潘志强 ^［90］ 对滚轧工艺参数、滚压轮参数进行了设计，并阐述了滚压轮同步调整以保证齿数准确的方法。

吴卫华 ^［91］ 对渐开线花键冷滚轧中遇到的问题进行分析总结并提出解决方案。

林晓磊等 ^［92］ 对于渐开线花键冷滚轧的两种进给方式的齿形成形过程进行了分析，对滚压轮工艺参数进行设计计算，并提到了滚轧加工中几点注意事项。

王明福 ^［93］ 对花键滚轧的成形理论进行了研究，着重分析了花键的分齿条件、坯料直径及滚压工艺参数设计，对花键冷滚轧进行了有限元模拟和实验研究，获得等效应力、等效应变的分布及金属流动规律。

沈金富 ^［94］ 从重合度角度分析了大压力角渐开线花键冷滚轧时多齿现象及原因，确定了成形花键齿数选择奇数可以达到提高成品质量的目的。

崔克天 ^［95］ 使用Marc软件对花键进行冷滚轧模拟分析和实验研究，获得滚轧过程金属流动规律及力学特征，并基于弹塑性修正理论对滚压轮齿形进行修正，实验验证修正后成形齿形接近于理想齿形。

张宝国 ^［96］ 对使用改造搓丝机冷搓花键时出现的错齿现象进行分析，提出将静齿板换成无齿板，先在坯料上搓出花键轮廓，再换成静齿板继续搓齿，成功避免了错齿现象，如图1-17所示。

涂长生等 ^［97］ 对冷滚轧花键的理论基础知识进行系统分析，重点研究了轧制过程的咬入条件及滚压轮的设计。

李泳峄等 ^［98］ 针对传统花键轴滚轧中出现的错齿、乱齿现象，提出了花键轴动力增量式滚轧成形工艺，如图1-18（b）所示，经过理论分析及模拟比较，验证了成形的花键轴齿数准确，齿形轮廓清晰、齿形饱满，且避免了分齿不均、错齿、折叠等缺陷。

端雪松 ^［99］ 基于金属塑性成形原理和齿轮啮合原理，分析了渐开线花键冷滚压工艺的过程，对滚压轮的结构参数和滚轧工艺参数的算法进行推演，基于此，以SolidWorks为平台开发一个滚压轮设计专家系统；系统采用参数化设计和特征造型技术，实现三维建模和绘图智能化。

孙育竹 ^［100］ 对圆柱齿轮滚轧成形过程进行数值模拟分析，对滚轧过程中载荷的变化、金属流动情况以及应力场与温度场的分布与变化进行了分析，优化滚轧工艺参数与齿坯尺寸，对可能生成的缺陷进行了预测与分析，并提出改进措施。

郑伟刚、陈大 ^［101］ 对齿轮滚压成形技术目前研究状况和亟待解决的问题进行重点介绍，得出冷挤滚压工艺适合低抗拉强度材料或模数较小（ m <3）的齿轮，热挤滚压加工适合较高抗拉强度及大模数的齿轮。

杨向红等 ^［102］ 对谐波齿轮分齿精度影响因素进行了研究，得出坯料直径应按照塑性变形前后体积不变原则进行设计计算，滚压轮齿顶圆直径应按照初始滚轧时弦长相等原则来确定，因滚轧过程中，坯料节距是变化的，为保证成形齿轮精度，应强制控制工件转速实现正确分度。

石少文 ^［103］ 对齿轮滚轧过程理论基础进行分析，得出齿坯尺寸、滚压轮设计方法，分析了滚轧过程的缺陷种类、缺陷产生原因及改善措施。

赵军等 ^［104］ 通过对滚轧成形后的齿轮进行微观金相组织分析，如图1-19所示，同一试样不同位置微观组织不同。齿尖和齿根部分的渗碳体组织较多，晶粒度较小，齿坯中间和齿坯轴心附近晶粒度较大，渗碳体析出较少，并得出结论：滚轧工艺很大程度改善了齿轮齿形齿间和齿根部分的金相组织，使所成形齿轮力学性能得到很大提高。

刘慧敏 ^［105］ 根据塑性成形理论基础及齿轮滚轧范成运动原理，对齿轮滚轧成形进行工艺设计，建立了有限元模型，通过数值模拟分析了工艺参数对成形的影响；为提高滚轧成形质量，减小突耳缺陷，模拟分析了滚压轮齿顶修缘量和不同预成形方案对成形质量的影响。图1-20为该文献提出的预成形方案，基于齿形右侧突耳比左侧瘦高，考虑采用推迟滚压轮与坯料齿形右侧接触的时间，从而达到减小右侧突耳的目的。

于杰、王宝雨等 ^{［106，107］} 结合齿轮轧制成形与楔横轧工艺的原理，同时完成轴类零件和齿形部分的轧制成形，证实使用楔横轧机来轧制齿轮轴完全可行；轧制采用分段式进给，且各段进给量按照逐渐递减的趋势；模具齿廓采用按进给量大小从上向下截取标准齿廓的方式设计，实验证实是可行的，如图1-21所示为模具构成及齿形。

通过数值模拟结合实验研究分析了影响成形齿形的因素及影响规律。结果表明：因其齿廓共轭，因此模具齿形精度对待轧齿轮轴齿形起决定作用；模具的位置决定了齿形变形结果；端面附近齿形下凹缺陷可以通过坯料预成形来弥补；齿顶（拉尖）现象可以采取降低滚轧温度减轻。

李晓冬 ^［108］ 通过数值模拟和实验相结合的方法对圆柱斜齿轮塑性成形方法中的浮动凹模成形和滚轧成形进行了研究，分析了浮动凹模工艺过程中金属流动、载荷分布、等效应力场应变场的变化以及锻后影响锻件精度的因素等，分析了滚轧成形中的工艺参数设计、滚轧时存在的缺陷并提出了相应的解决方案。

朱小星等 ^{［109～114］} 提出采用热轧工艺对大模数齿轮近净成形的关键技术进行研究，首先基于实验数据建立了SAE8620H钢微观组织演变模型，然后建立了大模数齿轮热轧成形数值模型，对比分析了大齿轮热化过程中轧制力的变化规律，研究了齿形长起过程中金属流动趋势；分析了齿形两端填充不满的原因，提出了补偿方法并通过有限元数值模拟和实验进行了分析与验证；分析了轧辊轧件齿廓间相对滑动对齿形拉尖形成的影响，仿真分析了工艺参数对拉尖的影响规律，提出通过工艺参数组合和轧辊齿根压整作用降低拉尖程度；研究了内孔变化尺寸和轴直径对齿轮形状最大偏差和齿形齿向偏差的影响规律；编写了微观金相组织变化子程序，分析了大模数齿轮热轧时坯料齿形晶粒尺寸分布；研究了热轧温度、进给速度和滚压轮转速各参数对热轧大模数齿轮齿部微观金相组织变化规律的影响，对比实验误差，证明了所建立微观组织模型的可靠性，对齿轮滚轧工艺具有实际指导价值。

国外虽然在该工艺技术实验研究及设备制造上取得了重要进展，但是公开发表的文献极少。

Brecher等 ^［115］ 使用有限元数值模拟方法，通过还原分析研究了不同规格齿轮的常见滚压工艺参数。

Kadashevich等 ^［116］ 利用商用有限元软件和自行开发的有限差分求解器求解了齿轮滚压过程的热量分布及几何尺寸偏差。

Sabkhi等 ^［117］ 提出了确定滚齿加工中切削力的模型。

Domblesky等 ^［118］ 分析研究了螺纹冷搓成形的二维及三维模拟结果。

Pater等 ^［119］ 提出采用一种带有特殊凹槽的楔形平板作为模具进行螺纹滚压的新方法。

Kao等 ^［120］ 研究了基于CAD/CAM/CAE的螺纹轧制成形模具集成系统的开发。

德国学者Neugebauer等 ^［121］ 分析了模具齿形节距变化对工件齿形成形精度的影响，提出了不断变化节距的齿条滚轧成形方法，如图1-22所示。初始阶段齿条节距 P _A 对应的接触弧长为 （ d ₀ 为坯料初始直径， Z 为齿数），变形终止时刻齿条节距 P _K 对应的接触弧长为 （ d _K 为成形工件齿根圆直径），显然，由节距 P _A 到 P _K 是逐渐减小的。文献中提出了采用逐渐递减的方式将齿条节距由 P _A 过渡到 P _K 。通过实验表明，此种方法可以使齿廓精度由51μm提高到26μm。

Neugebauer等 ^［122］ 还通过分析机器系统的稳定性预测成形齿廓的准确性。

美国学者Kamouneh等 ^［123］ 分别采用Deform软件和Abaqus软件对齿轮滚轧成形过程进行了模拟分析，结果表明Deform软件在齿轮滚轧方面的适应性优于Abaqus，并分析了齿形滚轧成形常见缺陷——齿顶突耳、齿形两侧翼不对称和端部塌角，如图1-23所示。文献提出通过反转模具的方法来解决突耳及非对称侧翼缺陷，通过Deform模拟进行反转前后结果的比较，最佳结果是模具正转70%步数，反转30%步数。图1-24是没有反转模具和有反转模具时模拟结果中突耳形貌的变化。从图中可以看出采用反转模具前齿形的左侧翼是75%的充满，右侧是34%的充满，而加入反转动作后左侧翼81%的充满，右侧翼43%的充满，左侧有6%的提高，右侧有9%的提高。研究指出，如果改变一些齿轮的其他设置有可能获得更大充填率的提高，如可以通过把倒斜角换成倒圆角可能会提高金属流动，或者选择比试验用材料ANSI 4620更容易成形的材料也可以获得更好的充填。

非对称侧翼是因两侧不同的金属流动导致。从图1-25中可以看到采用Deform模拟反转模具后左侧翼最大偏移量从0.162变到了0.127（有21%的提高），右侧翼从0.190变到了0.142（有25%的提高）。

端部塌角是因为模具充填在端部比在中间部分要少，导致齿形在端部的形状比中间要差。解决端部塌角问题的方案是修改工件几何外形。文献［123］提出了一个试验工件模型，首先选择一根圆柱棒料，然后把它放在CNC机器上进行机加工，最后获得如图1-26所示的形状。从图1-27修形前后的坯料模拟结果可以看出，端部塌角缺陷通过这种方法得到了改善。从图中可以看出，和未修形时比较，端部塌角得到明显改善。

日本爱信精机株式会社的勇田英理、栗田信明 ^［124］ 发明的“用于渐开线齿轮的成形滚轧方法”专利提出增大模具齿形压力角及设计更尖构形的齿顶部的滚轧成形模具，可减小成形力，提高滚轧成形模具的使用寿命。

大輪田国男 ^［125］ 对于汽车齿轮滚压工艺的成形技术、分类、模具制造技术及影响加工齿轮精度的主要工艺参数进行了系统的分析介绍，并通过大量数据分析得出模具制造精度对待加工齿形精度起主要影响作用。

松井等 ^［126］ 建立了变节距齿条滚压成形数值模型并对滚压成形过程进行模拟，分析研究了模具速度、摩擦系数等工艺因素对齿条滚压成形的影响。

Sasaki等 ^［127］ 介绍了一种与齿轮滚轧相关的齿形设计方法。

综上所述，目前国内外关于类齿轮零件滚轧成形的工艺理论并不完善，成形质量受工艺参数影响等研究非常有限，齿轮、花键类零件滚轧成形生产中的工艺参数的确定经常依赖经验和试错。

对于采用滚压轮直接滚轧棒坯成形直齿轮，德国和美国报道了该项工艺技术的实现，彭树杰采用冷滚轧技术实现了汽车用转向齿轮零件的成形。与其他轴杆类、环盘类等零件轧制工艺技术相比 ^［128］ ，齿轮滚轧还没有形成自身的成形工艺理论和相关的技术体系，还未探明各种主要工艺因素对成形过程及其成形质量的影响规律。

因此，如何结合齿轮滚轧成形的特点，通过有限元软件实现对齿轮滚轧成形工艺的数值模拟，分析工艺参数对成形的影响规律，针对滚轧成形初期的打滑现象，通过分析滚轧初期受力状况及影响因素对打滑的影响规律，获得减小甚至消除打滑的工艺措施，对于防止出现错齿、乱齿等成形缺陷，提高成形齿轮的质量有着重要研究意义；针对滚轧成形中存在的“突耳”缺陷，分析其成形机理及工艺因素对突耳的影响规律，获得减小突耳的工艺措施，并建立齿轮滚轧成形突耳缺陷控制体系是齿轮滚轧成形技术研究的核心科学问题及关键技术；针对坯料采用不同材料，模拟分析不同材料属性对成形的影响，针对齿轮常用钢种，分析冷、热态下不同温度对其成形的影响规律，对于滚轧成形时坯料材料选择及冷热态的选择具有实际指导意义。 ImsyppvV6TH6/xedqhPf509IL3s705VauSL3vjk6vWG3qhAjFrTK+NJk/VDxjUJ9