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摘要：试验研究了汽车差速器主动螺旋伞齿轮塑性成形方法，设计并制造出试验用模具，在万能拉伸试验机上进行了塑性成形实验，用网格实验研究了塑性成形齿轮截面上的金属流动情况及齿型充满过程，揭示了金属纤维走向与分布，测绘了塑性成形螺旋伞齿轮铅试件的行程压力曲线，为优化预制坯、成形模具结构设计和力能参数计算提供了实验依据。
关键词：螺旋伞齿轮；塑性成形；金属流动；成形力；试验
一、前言
目前，我国的汽车、拖拉机差速器主、从动螺旋伞齿轮都由锻坯经格林森切齿机切削加工齿型制造的。齿轮切削加工的工艺成熟，生产稳定，但与塑性加工相比不仅生产率低，材料利用率低，而且锻坯经切削加工齿形后，切断了金属纤维，齿轮的齿根弯曲疲劳强度、齿面接触疲劳强度和齿面耐磨性都比较低，因而齿轮的使用寿命短。作为车辆运动动力的传递者，工况复杂，负荷又重，缩短了车辆大修周期，不仅经济损失大，而且涉及到车辆运行的安全问题。
实践证明，塑性加工生产齿轮，不仅生产率高，材料利用率高，而且使金属纤维走向与齿形相适应，保持了其连续性，与同样材质所制造的切削加工齿形的齿轮相比，大大提高了各项强度指标，若以此种齿轮装配汽车拖拉机车桥，定能延长大修周期，提高整车质量和车辆运行的安全性。然而，由于车桥主动螺旋伞齿轮(图1)的齿型面形状复杂，锥顶角小，螺旋角大，塑性成形齿形时，金属充满型腔的运动路线弯曲漫长，流动阻力大，难充满，也难于脱模。为此，通过塑性成形模拟实验研究开发其齿形精锻生产工艺及模具结构设计。 （图片）
图1微型车车桥主动螺旋伞齿轮
Z＝7α＝22.5°齿全高h＝7.995螺旋角β＝48°齿面粗糙度3.2μm，螺旋方向左二、实验模具
1.试件形状简化
本实验是研究螺旋伞齿轮齿形塑性成形方法，该齿轮轴柄的形状不影响齿形的塑性成形，为了简化实验用模具结构，以便于加工制造，设计图1螺旋伞齿轮的实验试件其轴柄为简单锥体(图2)。（图片）
图2实验试件2.实验模具
主动螺旋伞齿轮的凹模齿的齿面角和齿根角分别为该齿轮齿的齿根角和齿面角，都为小于45°的锐角(图1)，且节点螺旋角β＝48°，由此所形成几何形体的干扰，阻碍金属沿轴向进入齿型腔而形成齿形，只能经A处或B处(图2)轴向进入型腔的金属挤压相应部分径向流入齿的型腔。这就限定了进入凹模齿型腔段的预制坯部分必须包容在齿面锥面(即齿轮齿根锥面)以内。预制坯尺寸形状和实验模具设计都必须适应主动螺旋伞齿轮塑性成形的这一特性。
(1)闭式模锻模具
闭式模锻的模具结构如图3所示。此模具的特点是装上预制坯进行压制之前，拧紧螺钉3，从而通过定位的连接套4把凹模1与下模5刚性联接起来，使之形成固定的型腔以后，再开动压力机压下冲头2，直到冲头2达到图3所示位置时使压机力滑块停止前进并回程，卸去螺钉3，由下端把工件6连同凹模一起顶出下模5，再通过冲头2将工件6顶出凹模，完成一个工作循环。所压出的工件如图4所示。由于该模具在使用过程中，需要有先固定、后打开模具型腔的动作，生产应用时需要设计复杂结构的模具，或采用双动压力机。（图片）
图3闭式模锻车桥主动螺旋伞齿轮试验模具
1.凹模2.冲头3.螺钉4.连接套5.下模6.工件7.垫板8.顶杆（图片）
图4车桥主动螺旋伞齿轮塑性成形铅试件照片(2)浮动模
根据用闭式模具压制主动螺旋伞齿轮的操作经验，我们又研制出图5所示浮动模。凹模6在弹簧5的作用下处于螺钉7的上端，工件9的预制坯装入浮动凹模6后，启动压力机滑块带动上垫板11、导套8和上模10下行，预制坯轴柄部完全进入上模腔时上模10碰到浮动凹模6并推动它压缩弹簧5。弹簧5被压缩的过程中冲头4挤压预制坯变形。直到浮动凹模6接触限程块3工件变形结束压力机滑块回程，工件留在浮动凹模6中，在浮动凹模6的C处放上垫块(图中未画)后压力机滑块二次压下，由顶杆(图中未画)将工件顶出浮动凹模。压力机滑块回程，取出垫块和工件，完成一个工作循环。由此模压制的齿轮试件如图4所示。（图片）
图5成形螺旋伞齿轮的浮动模
1.下垫板2.模座3.限程块4.冲头5.弹簧
6.浮动凹模7.螺钉8.导套9.工件10.上模11.上垫板三、网格实验与压力测试
1.网格实验
将铅试件毛坯沿预定位置的平面剖分开，打磨平光后刻划上直线网格，再用低熔点合金把剖分块粘合起来，加工成预定形状的预制坯，经模锻成形后，加热熔化低熔点合金使试件又从原剖分面分开。图6为试件变形后剖面上网格照片。根据网格变形前后的尺寸算得试件剖面上各处的应变，如图7、图8所示。（图片）
(a)（图片）
(b)
图6铅试件剖分面上网格的变形
(a)横剖面，网格原形为：圆周分度5°40，径向3mm
(b)纵剖面，网格原形为3mm×3mm
1.轴向压缩10mm的变形网格2.轴向压缩20mm的变形网格
3.轴向压缩30mm的变形网格4.轴向压缩40mm的变形网格（图片）
图7齿大端横剖面上径向应变（图片）分布
(Δr0、Δr分别为变形前后网格径向长度)
a.变形后剖面上的网格b.εr—r曲线（图片）
图8齿轮轴心处轴向应变（图片）的分布
(Δz0、Δz分别为变形前后网格轴向高度)
a.齿轮剖面b.z—εz曲线2.压力测试
车桥主动螺旋伞齿轮铅试件在万能拉伸试验机上塑性成形的行程—压力曲线如图9。 （图片）
图9微型汽车车桥主动螺旋伞齿轮铅试件塑性成形的行程—压力曲线
a—闭式模成形的S—P曲线b—浮动模成形的S—P曲线
c—卸料的S—P曲线d—铅试件(φ34.6mm×h40mm)
自由镦粗的S—P曲线将试验成形的齿轮轴向投影面积F及铅ε=-0.8的流动极限σs＝20N／mm2代入(1)式可算得系数k＝1.11～1.39。由此得计算伞齿轮齿形成形力的经验计算公式为：
P＝(1.11～1.39)Fσ*s(2)
采用模膛锁定的闭式模具成形时，k＝1.39，采用浮动凹模成形时，k＝1.11。
四、讨论
由实验研究得出以下几点结论：
(1)采用连接上、下模锁定模膛的模具(图3)或浮动凹模的模具(图4)，以冲头镦挤成形车桥主动螺旋伞齿轮的齿形是可行的。锁定模膛中成形时，冲头需要传递较大的压力(图9a)，因而需(下转30页)(上接5页)要冲头具备更高的强度。而且该模具上、下模的合、开及锁定需另提供动力，或者使用复动压力机，也增加了模具结构的复杂性。比较起来，浮动凹模之模具更好。
(2)镦挤成形时，发生轴向压缩(εz＜0)，径向和切向延伸(εr＝εθ＞0)的变形，从直径小端开始，即先成形并充满小端齿形，随着继续压下，镦挤力增大，则齿形由小端至大端顺次成形并充满。该方法所要求的预制坯外形包容于齿根锥台曲面和大、小端齿根圆轴向平移所形成的圆柱面内。并且小端圆柱体的体积要大于全部齿形体积的一半。若将这部分金属放在大端，则要求镦挤过程中上、下模能相对转动。严重时压力急剧上升，大端齿形虽充满，而其余齿形缺肉。螺旋伞齿轮塑性成形齿形的这个变形特性，成为预制坯形状设计准则。
(3)由于根据棒材轧制方向在试件剖面上刻划网格线，所以试件塑性变形所引起网格线的变形也表示金属轧制纤维的变形。试件变形后其剖面上网格(图6)照片说明：金属纤维仍保持连续而无任何切断痕迹；其分布与应变分布相对应；纤维的走向与工件形状有关，纤维的形状自内而外逐渐与工件外形趋向一致，齿根处纤维线密度增高。齿轮内部这样的组织结构，改善质量，提高其疲劳强度和耐磨性，延长了齿轮的服役寿命。
(4)塑性成形螺旋伞齿轮齿形，其生产率高于切削加工，设备、工装投资额度低，还提高15%以上的材料利用率，降低产品成本10%。
(5)实测铅试件S—P曲线(图9a，b)表明，镦挤成形螺旋伞齿轮齿形的工艺力较大，且都加在冲头上。而冲头直径≤齿轮小端齿根圆直径，其刚度、强度不能增大，限定了承受工艺力的能力。只能采取加热钢件，降低工艺力，实现温、热塑性成形。
*塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室资助项目
作者简介：张猛 武汉汽车工业大学(430070)
6/10/2007
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