汽车中小模数齿轮冷滚轧技术研究.pdf

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1、 第1卷 第2期 2009年9月 精密 成形 工程 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 39 汽车中小模数齿轮冷滚轧技术研究 彭树杰,贾代金 (中国兵器工业第五九研究所,重庆400039) 摘要:阐述了中小模数齿轮零件冷滚轧技术的工艺、 模具、 坯料和工装夹具的设计方法和要点。分析了 汽车转向器转向齿轮零件的结构特点及采用冷滚轧成形工艺加工的技术要点;并设计出了转向齿轮的冷滚 轧工艺和滚轧轮;进行了滚轧轮与工装的安装、 调试和冷滚轧工艺的试验研究。滚轧出了符合用户要求的转 向齿轮零件。 关键词:中小模数齿轮;汽车转向器;冷滚轧技术;设计计算;相位调整

2、;工艺试验 中图分类号: TG335 文献标识码: A 文章编号: 167426457(2009)0220039205 收稿日期: 2009207208 作者简介:彭树杰(1966 - ) ,男,陕西铜川人,高级工程师,主要研究方向为冷滚轧、 冷挤压及复合成形等精密成形与模具技术。 Research on the Cold Rolling Technology for the Small and Medium Module Gear in Automobile PEN G S hu2jie , J IA Dai2jin (No. 59 Institute of China Ordnance I

3、ndustry , Chongqing 400039 ,China) Abstract :This paper introduces the process , die , blank and tool designs on cold rolling of small and medium module gears , the analyzation of the structure characteristics of the steering gears in the traversing mechanism of automobile , the key techniques of ma

4、nufacture of gears by cold rolling. The cold rolling process and the roller for the teering gear are designed. The installing and adjusting of the dies and tools are carried out , and experiments are made. The rolled parts meet the needs of the customer. Key words :small and medium module gears; tra

5、versing mechanism of automobile; cold rolling technology; design calcula2 tion; adjusting of slot position of the tooth; process test 汽车是一种在控制操作下高速行进的机器,因 此需要多种传动零件来传递动力、 速度以及操作者 对其的控制操作,其中齿轮是最典型、 最常用和最广 泛的汽车传动零件。无论是其启动系统、 转向系统, 还是发动机、 变速系统(器 ) , 抑或是传动系统、 行驶 系统等,都使用了各种各样的齿轮。如渐开线圆柱 直齿轮、 斜齿轮、 直圆锥齿轮、 螺

6、旋锥齿轮以及蜗杆 蜗轮等。根据用途不同,又如启动电机的单向器驱 动齿轮、 行星齿轮、 太阳轮,变速器的倒档齿轮、 换挡 齿轮、 变速齿轮、 发动机半轴齿轮、 驱动桥齿轮、 转向 器转向齿轮等。 常用的齿轮加工有插齿、 铣齿、 拉齿、 剃齿、 珩齿 和磨齿等机械加工工艺技术,还有铸造、 热温锻造、 拉拔、 冷挤压、 冲压、 电化学腐蚀、 粉末冶金以及冷滚 轧等成形工艺技术。采用成形工艺技术来加工齿 轮,由于成形出的零件齿形接近或者已经是最总的 成品零件齿形了,这样不但大幅度提高加工效率和 原材料利用率,降低生产成本,而且齿形强度也较 精密成 形工 程 2009年09月 40 图1 转向齿轮零件

7、Fig. 1 Sketch of the steering gear part 高;因此,在现代工业中得到了越来越广泛的应用, 特别是汽车工业更是如此。 齿轮的冷滚轧工艺技术是只有三四十年历史的 新兴成形工艺技术,特别适合于中小模数齿轮的成 形加工,现已在机械工业中,特别是汽车工业中得到 了比较广泛的应用。文中以汽车转向器转向齿轮为 研究对象,对汽车中小模数齿轮的冷滚轧技术进行 比较详细的阐述与研究。 1 转向齿轮加工工艺分析 汽车转向器转向齿轮组机构中的转向齿轮,其 结构简图如图1所示。该零件为细长轴类件,一端 有一段是齿数为6、 法向模数为1. 75、 法向压力角为 30 、 螺旋角为30

8、 的渐开线斜齿轮,而另一端有一段 是渐开线直齿花键。该零件传统的加工工艺是采用 棒料,先车削加工出坯件,然后再滚铣加工渐开线斜 齿轮与直齿花键,最后热处理、 磨削等。该斜齿轮的 结构(两端无退刀槽)难以用滚铣工艺对其加工。另 外由于该产品是细长轴类齿形零件,无法实现齿形 多件同时加工,因此生产效率十分低下,很难满足大 批量生产的需要。因此,采用冷滚轧成形工艺技术 来生产加工该渐开线斜齿轮是势在必行的。 转向齿轮合理的加工工艺流程为:首先采用成 形预制坯工艺挤压出 22 ,18 ,15等台阶的形状与 尺寸(留有加工余量 ) , 这样既可节省金属材料,同时 又减少了机械加工余量;机械加工后再冷滚轧

9、渐开 线斜齿轮与直齿花键;最后进行后续机械加工、 热处 理、 磨削等工序,完成所有工艺流程。 转向齿轮冷滚轧技术的重点与难点是:设计齿 轮冷滚轧技术所需要的坯料;设计齿轮冷滚轧技术 所使用的模具 滚轧轮;设计并确定齿轮冷滚轧 所适用的合理的工艺参数;设计并加工齿轮冷滚轧 所适用的工装夹具。 2 齿轮冷滚轧技术设计 2.1 滚轧坯料设计 齿轮滚轧坯料的设计主要是指所滚轧齿轮齿形 滚轧成形段的直径 、 长度以及形状结构等。冷滚轧 成形技术是一种金属材料的少无切削加工工艺技 术,即冷滚轧时依靠金属材料的塑性变形和流动来 完成齿形的成形加工;滚轧成形时齿槽内的金属材 料发生塑性变形流向齿部,从而实现齿

10、形的成形充 满。虽然滚轧成形前和滚轧成形后工件的结构与尺 寸发生了变化,但滚轧成形前后齿轮 滚轧部分金属材料的体积变化很小 (由于滚轧成形前后金属材料的体积 变化很小,故可以忽略不计)。根据体 积相等的原理,并运用公式(1)可设计 计算出齿轮滚轧成形段的直径(文中 的计算公式以渐开线斜齿轮为基础, 因为渐开线直齿轮只是螺旋角为0的 特殊斜齿轮)。 Dp=K4StZg/+D2f(1) St=D2b( tan3at-tan3ft )/ 12+D2a 2Zg + 2Xttant Zg + INVt-INVat/4 -D2f 2Zg + 2Xttant Zg + INVt-INVft/ 4 (2) 式

11、中:St为滚轧齿轮横截面(与轴线垂直的断面)上 齿根圆以上单个齿形的面积;Df为滚轧齿轮的齿根 圆直径;Zg为滚轧齿轮的齿数;K为考虑到滚轧时 打滑及材料端面流动等因素的修正系数;Db为基圆 直径;Da为齿顶圆直径;t,at,ft分别为横截面上 分度圆上、 齿顶圆上、 齿根圆上的端面压力角;Xt为 齿轮的端面变位系数; INV为渐开线函数,可由 INV= tan-得出 。 在实际设计计算当中,以上的齿轮参数某些是 未知的,但可以通过已知的参数计算出来。如at, ft,Xt,Db往往是未知的,需要通过计算得出,而K 可根据经验数值来选取。 第1卷 第2期 彭树杰等:汽车中小模数齿轮冷滚轧技术研究

12、 41 汽车转向器转向齿轮滚轧坯料直径的设计计 算,首先需要计算出公式(1)、(2)中需要使用的未知 参数,再用公式(2)计算出单个齿形的面积,最后用 公式(1)计算出滚轧坯料的直径。由于计算过程复 杂而繁琐,所以这里略去计算过程,直接得出其坯料 直径Dp的计算结果为 14. 49。 一般,齿轮经滚轧后均会使被滚轧段有一定的 伸长量L,这样零件的总长也就会同样伸长L。 该伸长量随滚轧齿轮的尺寸大小、 长短,材料的软 硬,两端是否约束等的不同而不同。因此在齿轮滚 轧坯料设计时,确定长度时应将该伸长量考虑在内。 转向齿轮滚轧成形的坯料如图2所示。 图2 齿轮滚轧坯料 Fig. 2 Sketch o

13、f cold rolling blank for gear 2.2 滚轧轮设计 齿轮的冷滚轧成形模具,即一对滚轧轮的设计 方法与要点如下。 1) 滚轧轮的齿数Zr。滚轧轮齿数Zr的确定原 则是根据所滚轧齿轮的直径尺寸的大小和所使用冷 滚轧机两主轴中心距的限制,以及实际滚轧生产时 便于装取工件等来设计确定 。 2) 滚轧轮的齿顶圆直径Dar。在所滚轧齿轮的 齿数Zg、 坯料滚轧段直径Dp及滚轧轮齿数Zr已知 和已设计确定的情况下,就可利用公式(3)计算出滚 轧轮的齿顶圆直径Dar来 。 Dar=DpZr/Zg(3) 3) 滚轧轮的齿高hr。滚轧轮的全齿高hr原则 上就是所滚轧齿轮的全齿高hg。

14、4) 滚轧轮的齿厚。在滚轧轮实际加工中,往往 是通过检验滚轧轮的公法线长度或跨棒距来控制滚 轧轮的齿厚的。滚轧轮的齿厚以及公法线长度或跨 棒距可以运用相关公式和前述已知的参数计算出来。 5) 滚轧轮的结构尺寸。滚轧轮的厚度设计确 定的方法是根据齿轮滚轧段的长度,和滚轧轮两端 面所倒斜角的宽度等来确定,为两者之和。滚轧轮 的内孔,其尺寸大小取决于所使用冷滚轧机主轴的 大小,两者的名义尺寸值相等,并选取较小的间隙配 合,一般选取公差配合G7/ h6。另外为了使滚轧轮 便于安装,应将孔的两端倒角成C1.5 ;对于厚度较 大(如大于等于40 mm)的滚轧轮,孔的中间应加一 消气段,其直径比内孔直径大1

15、 mm为宜,长度视滚 轧轮的厚度而定,即滚轧轮越厚,消气段就越长,一 般取滚轧轮厚度的30 %50 %为宜。 转向齿轮斜齿轮滚轧轮结构如图3所示。 图3 滚轧轮结构 Fig. 3 Sketch of the roller structure 2.3 工装夹具设计 齿轮冷滚轧的工装夹具需要具备以下特点和功 能。 1) 夹具前后、 左右的距离可在一定范围内任意 调整。 2) 夹具前后应分别采用固定与固定或活动与 固定顶夹元件来装夹工件,具体采用何种顶夹方式 需根据不同的工件而定。 3) 顶夹元件应便于装拆和更换。 4) 前后顶夹元件之中心线须和冷滚轧机床的 主轴平行,且齿轮滚轧到尺寸时,前者应与后

16、者等高 或略低。 5) 滚轧时,前后顶夹元件连同工件需能在夹具 座上前后移动。 3 齿轮冷滚轧工艺试验 3.1 试验坯料 齿轮冷滚轧试验坯料须按2. 1节中所确定的结 精密成 形工 程 2009年09月 42 构与尺寸来严格加工。 研究对象转向齿轮的零件材料为20CrMo ,冷 滚轧前原材料先退火,硬度应不超过HB140。工件 坯料硬度越低,金属材料的塑性和流动性就愈好,滚 轧时所需的压力就较小,时间也较短,这样不但提高 了生产效率,而且也相应地提高了滚轧轮的使用寿 命,从而降低齿轮冷滚轧生产的成本。另外,齿轮坯 料滚轧段的直径、 表面粗糙度、 形位公差以及两端的 中心孔的大小等均应严格按设计

17、要求加工,否则将 会影响到滚轧齿轮的质量和精度。 3.2 模具工装的安装和调试 首先应检测滚轧机两根主轴是否平行、 等高,主 轴外圆对其轴线的径向跳动误差,主轴的周向转动 误差,夹具前后顶尖中心线的高度是否和主轴高度 一致等。所有这些检测并调试完成后,就可以安装 滚轧轮和工装了。 安装滚轧轮时,根据工件滚轧段的位置,工件装 夹的方向,以及便于工件装取等,来确定滚轧轮安装 在滚轧机主轴上的位置和方向。另外两滚轧轮同一 侧端面需平齐,安装时用水平尺或刀口尺检测。 安装和调试工装夹具时,首先调节夹具前后顶 尖之间距,使之与工件的长度相适合,即当动顶尖顶 紧时能刚好夹紧工件,松开后则可轻松取下工件;然

18、 后调节夹具在两主轴间的左右位置,使当工件齿形 滚轧到尺寸时,工件的中心高刚好为滚轧机主轴的 中心高或略低点(一般不大于0. 1 mm)。另外滚轧 螺旋齿轮时,会有一定的轴向力通过工件传递到夹 具上,使工件会随夹具前后移动,因此须在夹具活动 轴的前后位置各安装一弹性元件,这样滚轧过程中 夹具夹持部分能前后移动,不会使工件滚轧段因移 动而超出滚轧轮端面,而滚轧完成后夹具又能恢复 到原始位置,使定位基准不发生改变。当工件一端 或两端有轴向尺寸要求时,如转向小齿轮的斜齿轮, 则必须至少使夹具活动部分的一端固定,滚轧时不 能使工件移动。 3.3 冷滚轧成形试验 3.3.1 齿轮周向相位调整 1) 齿轮

19、周向相位调整的目标是使两滚轧轮在 坯件滚轧段外圆表面所滚压的齿槽痕完全重合,这 样才能精确地分出与零件齿数相同的完整齿形来。 实际操作当中,不可能做到使两滚轧轮的压痕完全 重合在一起,只能尽量使两滚轧轮的压痕重合在一 起,即滚压的齿槽槽底宽度越接近滚轧轮的齿顶宽 度越好。 2) 调整的方法是先使滚轧轮在工件坯料表面 滚压出较浅的沟槽来,这样可以避免因相位不准确 而造成工件报废或损坏滚轧轮齿;然后观察坯料表 面压痕,测量并估算出需要最少调整的角度或弧长, 以及对应的相位调整机构所需调整的齿数。 3) 调节滚轧机的相位调整机构,按 2) 中所确定 的调整量来调整相位,然后再测量并估算新的相位 调整

20、量,再调整。反复 2) 、 3) 中的操作,直至周向相 位调整准确。 3.3.2 冷滚轧成形工艺参数 齿轮滚轧成形工艺参数主要包括滚轧轮转数 N、 滚轧压力p、 滚轧时间t、 进给速度v和主轴进给 压下量S等。 1)滚轧轮的转速N ,即滚轧机主轴的转速,它 主要取决于所滚轧工件的齿数和直径的大小。一般 对于齿数少、 直径小的工件,滚轧轮的转速就较低; 而对于齿数多、 直径较大的工件,滚轧轮的转速则较 高。滚轧轮的转速可通过调节变频调速器的频率f 来调整,应用公式(4)来计算。 N= 60(1 -s) f / ( p i)(4) 式中,i为减速器的减速比; p为磁极对数; f为电流 频率;s为转

21、差率。 一般地,齿轮滚轧成形时滚轧轮的转速选30 50 r/ min较为适宜。 2)滚轧压力p ,是指滚轧成形时,克服坯料金 属材料和轧制条件所决定的变形阻力的一种作用 力。滚轧压力p的大小可用经验公式(5)来测算。 p=(1.21.5)sb Dfr(5) 式中,s为材料屈服极限; b为工件滚轧段的宽度; Dfr为滚轧轮的齿根圆直径。 3)滚轧时间t,包括快速进给时间、 慢速进给时 间和滚压时间等3部分。滚轧时间的长短取决于滚 轧时行程的大小、 进给压下量的大小、 滚压力的大 小、 快进速度和慢进速度的大小等因素。它与行程 的大小成正比关系,与进给压下量成正比关系,与压 力和进给速度的大小成反

22、比关系,是这些因素综合 作用的结果。 4) 进给速度v,进给速度分快进速度和慢进速 第1卷 第2期 彭树杰等:汽车中小模数齿轮冷滚轧技术研究 43 度。快速进给一般用在滚轧开始到滚轧轮即将接触 到工件坯料外圆之间的行程段,该段长度应比总滚 轧行程小0. 5 mm左右,这样可尽量缩短滚轧时间, 提高加工效率。慢进速度指滚轧轮齿顶即将接触到 工件坯料外圆起,到齿形滚轧结束这个过程应采用 的进给速度。即快速进给停止,慢速进给开始。对 于不同材料、 不同形状尺寸的滚轧零件,慢进速度则 不尽相同。 5) 进给压下量S,是指轧轮转速、 压力、 滚轧时 间、 进给速度等均基本确定后,为了保证滚轧出符合 要求

23、的工件,活动主轴从滚轧轮齿顶接触到坯料外 圆到滚轧完成期间需要运行的距离。一般等于或略 大于工件坯料直径和所滚轧齿轮齿根圆直径的差 (若使用的是双活动主轴冷滚轧机,则应是半径的 差)。对于不同材料、 不同坯料硬度、 不同形状尺寸 的滚轧零件,进给压下量也会不同。 齿轮冷滚轧技术的各工艺参数之间是相互影 响、 相互作用的关系。在实际生产中,不同的零件, 根据不同的要求,选取工艺参数的侧重点就会不一 样。譬如想提高生产效率,那么就尽量缩短滚轧时 间,加快进给速度,这样滚轧压力就自然会增大;如 要提高滚轧轮的寿命,则应减小滚轧力和进给速度, 而滚轧时间就会相对长一些。 3.3.3 工艺试验及结果 所

24、有的工艺参数确定好以及准备工作完成后, 即可进行齿轮冷滚轧的工艺试验。开始时,滚轧压 下量可大一些,以后逐次减小,待到齿形尺寸快滚轧 到位时,根据检测到的齿形尺寸,通过微调压下量 (每次0. 1mm左右)来调整齿形尺寸。这样可以避 免因过量的压下造成齿轮齿形尺寸超差报废和引起 滚轧轮齿的损坏。 相关的各工艺参数是在试验、 调整,然后再试 验、 再调整,最终确定下来的。 试验研究获得了成功,滚轧出了符合用户要求 的转向齿轮零件。齿轮综合精度等级可达到69 级,齿面粗糙度可达0. 4m以内。零件经用户后 续加工和部件组装,并送汽车厂家装车和跑车试验, 证明所滚轧的转向斜齿轮质量和使用性能均达到了

25、用户的要求。 4 结语 1) 采用挤压成形制坯与冷滚轧成形工艺生产 加工的转向齿轮,较传统机械加工工艺可节省38 % 以上的金属材料,大幅度节约了原材料成本。 2) 采用冷滚轧成形工艺加工转向斜齿轮较传 统机械加工工艺,生产效率提高了数十倍以上。 3) 如果进行大批量生产,一位工人操作一台冷 滚轧机即可相当于数十位工人操作数十台滚(铣)齿 机,可以大大节约机床设备、 场地及人工等的投入。 4) 采用冷滚轧成形工艺加工的转向齿轮齿形 热处理后,齿的强度较滚铣加工提高了10 %以上。 5) 采用冷滚轧成形工艺加工的转向斜齿轮,除 了其齿圈跳动和公法线长度变动误差,较滚铣加工 的齿形略差,一致性也不

26、如滚铣加工的好外,其余尺 寸精度及性能,冷滚轧成形齿轮则优于滚铣的齿轮。 6) 综合以上诸方面,可见采用冷滚轧成形工艺 加工生产此种齿轮类零件的优势相当明显,该工艺 的前途广阔,应进行更广泛地推广和应用。 参考文献: 1 日本塑性加工学会.压力加工手册M.江国屏,郑春 瑞,吴觉伪,等译.北京:机械工业出版社,1984 :980 - 999. 2 彭树杰.齿形不对称轴类零件冷滚轧技术研究J .模 具技术,2008 ,151(1) :45 - 48. 3 彭树杰,贾代金,倪泽明,等.渐开线螺旋花键冷滚轧工 艺研究J .金属成形工艺,1995 ,13(6) :4 - 8. 4 西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械原理 M.北京:高等教育出版社,1987 :299 - 366. 5 齿轮手册编委会.齿轮手册上册M.北京:机械工业 出版社,1990 :36 - 120. 6 机械设计手册编委会.机械设计手册第3卷M.北 京:机械工业出版社,2004 :29 - 102.