摘要：試驗研究了汽車差速器主動螺旋傘齒輪塑性成形方法，設計并制造出試驗用模具，在萬能拉伸試驗機上進行了塑性成形實驗，用網格實驗研究了塑性成形齒輪截面上的金屬流動情況及齒型充滿過程，揭示了金屬纖維走向與分布，測繪了塑性成形螺旋傘齒輪鉛試件的行程壓力曲線，為優化預制坯、成形模具結構設計和力能參數計算提供了實驗依據。 關鍵詞：螺旋傘齒輪；塑性成形；金屬流動；成形力；試驗 一、前言 目前，我國的汽車、拖拉機差速器主、從動螺旋傘齒輪都由鍛坯經格林森切齒機切削加工齒型制造的。齒輪切削加工的工藝成熟，生產穩定，但與塑性加工相比不僅生產率低，材料利用率低，而且鍛坯經切削加工齒形后，切斷了金屬纖維，齒輪的齒根彎曲疲勞強度、齒面接觸疲勞強度和齒面耐磨性都比較低，因而齒輪的使用壽命短。作為車輛運動動力的傳遞者，工況復雜，負荷又重，縮短了車輛大修周期，不僅經濟損失大，而且涉及到車輛運行的安全問題。 實踐證明，塑性加工生產齒輪，不僅生產率高，材料利用率高，而且使金屬纖維走向與齒形相適應，保持了其連續性，與同樣材質所制造的切削加工齒形的齒輪相比，大大提高了各項強度指標，若以此種齒輪裝配汽車拖拉機車橋，定能延長大修周期，提高整車質量和車輛運行的安全性。然而，由于車橋主動螺旋傘齒輪（圖1）的齒型面形狀復雜，錐頂角小，螺旋角大，塑性成形齒形時，金屬充滿型腔的運動路線彎曲漫長，流動阻力大，難充滿，也難于脫模。為此，通過塑性成形模擬實驗研究開發其齒形精鍛生產工藝及模具結構設計。 [align=center] 圖1微型車車橋主動螺旋傘齒輪 [/align] Z＝7α＝22.5°齒全高h＝7.995螺旋角β＝48°齒面粗糙度3.2μm，螺旋方向左 二、實驗模具 1.試件形狀簡化 本實驗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，為了簡化實驗用模具結構，以便于加工制造，設計圖1螺旋傘齒輪的實驗試件其軸柄為簡單錐體（圖2）。 [align=center] 圖2實驗試件[/align] 2.實驗模具 主動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），且節點螺旋角β＝48°，由此所形成幾何形體的干擾，阻礙金屬沿軸向進入齒型腔而形成齒形，只能經A處或B處（圖2）軸向進入型腔的金屬擠壓相應部分徑向流入齒的型腔。這就限定了進入凹模齒型腔段的預制坯部分必須包容在齒面錐面（即齒輪齒根錐面）以內。預制坯尺寸形狀和實驗模具設計都必須適應主動螺旋傘齒輪塑性成形的這一特性。 （1）閉式模鍛模具 閉式模鍛的模具結構如圖3所示。此模具的特點是裝上預制坯進行壓制之前，擰緊螺釘3，從而通過定位的連接套4把凹模1與下模5剛性聯接起來，使之形成固定的型腔以后，再開動壓力機壓下沖頭2，直到沖頭2達到圖3所示位置時使壓機力滑塊停止前進并回程，卸去螺釘3，由下端把工件6連同凹模一起頂出下模5，再通過沖頭2將工件6頂出凹模，完成一個工作循環。所壓出的工件如圖4所示。由于該模具在使用過程中，需要有先固定、后打開模具型腔的動作，生產應用時需要設計復雜結構的模具，或采用雙動壓力機。 [align=center] 圖3閉式模鍛車橋主動螺旋傘齒輪試驗模具 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車橋主動螺旋傘齒輪塑性成形鉛試件照片[/align] （2）浮動模 根據用閉式模具壓制主動螺旋傘齒輪的操作經驗，我們又研制出圖5所示浮動模。凹模6在彈簧5的作用下處于螺釘7的上端，工件9的預制坯裝入浮動凹模6后，啟動壓力機滑塊帶動上墊板11、導套8和上模10下行，預制坯軸柄部完全進入上模腔時上模10碰到浮動凹模6并推動它壓縮彈簧5。彈簧5被壓縮的過程中沖頭4擠壓預制坯變形。直到浮動凹模6接觸限程塊3工件變形結束壓力機滑塊回程，工件留在浮動凹模6中，在浮動凹模6的C處放上墊塊（圖中未畫）后壓力機滑塊二次壓下，由頂桿（圖中未畫）將工件頂出浮動凹模。壓力機滑塊回程，取出墊塊和工件，完成一個工作循環。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模 1.下墊板2.模座3.限程塊4.沖頭5.彈簧 6.浮動凹模7.螺釘8.導套9.工件10.上模11.上墊板[/align] 三、網格實驗與壓力測試 1.網格實驗 將鉛試件毛坯沿預定位置的平面剖分開，打磨平光后刻劃上直線網格，再用低熔點合金把剖分塊粘合起來，加工成預定形狀的預制坯，經模鍛成形后，加熱熔化低熔點合金使試件又從原剖分面分開。圖6為試件變形后剖面上網格照片。根據網格變形前后的尺寸算得試件剖面上各處的應變，如圖7、圖8所示。 [align=center] （a） （b） 圖6鉛試件剖分面上網格的變形 （a）橫剖面，網格原形為：圓周分度5°40，徑向3mm （b）縱剖面，網格原形為3mm×3mm 1.軸向壓縮10mm的變形網格2.軸向壓縮20mm的變形網格 3.軸向壓縮30mm的變形網格4.軸向壓縮40mm的變形網格[/align] [align=center] 圖7齒大端橫剖面上徑向應變分布 （Δr0、Δr分別為變形前后網格徑向長度） a.變形后剖面上的網格b.εr—r曲線[/align] [align=center] 圖8齒輪軸心處軸向應變的分布 （Δz0、Δz分別為變形前后網格軸向高度） a.齒輪剖面b.z—εz曲線[/align] 2.壓力測試 車橋主動螺旋傘齒輪鉛試件在萬能拉伸試驗機上塑性成形的行程—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] 將試驗成形的齒輪軸向投影面積F及鉛ε=-0.8的流動極限σs＝20N／mm2代入（1）式可算得系數k＝1.11～1.39。由此得計算傘齒輪齒形成形力的經驗計算公式為： P＝（1.11～1.39）Fσ＊s（2） 采用模膛鎖定的閉式模具成形時，k＝1.39，采用浮動凹模成形時，k＝1.11。 四、討論 由實驗研究得出以下幾點結論： （1）采用連接上、下模鎖定模膛的模具（圖3）或浮動凹模的模具（圖4），以沖頭鐓擠成形車橋主動螺旋傘齒輪的齒形是可行的。鎖定模膛中成形時，沖頭需要傳遞較大的壓力（圖9a），因而需（下轉30頁）（上接5頁）要沖頭具備更高的強度。而且該模具上、下模的合、開及鎖定需另提供動力，或者使用復動壓力機，也增加了模具結構的復雜性。比較起來，浮動凹模之模具更好。 （2）鐓擠成形時，發生軸向壓縮（εz＜0），徑向和切向延伸（εr＝εθ＞0）的變形，從直徑小端開始，即先成形并充滿小端齒形，隨著繼續壓下，鐓擠力增大，則齒形由小端至大端順次成形并充滿。該方法所要求的預制坯外形包容于齒根錐臺曲面和大、小端齒根圓軸向平移所形成的圓柱面內。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，則要求鐓擠過程中上、下模能相對轉動。嚴重時壓力急劇上升，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變形特性，成為預制坯形狀設計準則。 （3）由于根據棒材軋制方向在試件剖面上刻劃網格線，所以試件塑性變形所引起網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格（圖6）照片說明：金屬纖維仍保持連續而無任何切斷痕跡；其分布與應變分布相對應；纖維的走向與工件形狀有關，纖維的形狀自內而外逐漸與工件外形趨向一致，齒根處纖維線密度增高。齒輪內部這樣的組織結構，改善質量，提高其疲勞強度和耐磨性，延長了齒輪的服役壽命。 （4）塑性成形螺旋傘齒輪齒形，其生產率高于切削加工，設備、工裝投資額度低，還提高15%以上的材料利用率，降低產品成本10%。 （5）實測鉛試件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，實現溫、熱塑性成形。