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[摘 要]本文利用Deform-3D有限元分析软件设计有限元模型，在传统模具设计的基础上针对结合齿齿坯在精整过程中齿形的定位方式及齿形变形余量大小等问题进行了分析与探讨。
[关键词]结合齿 精整 模拟 齿形 变形
中图分类号：TG61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0021-02
变速器结合齿主要用于换档传动产生不同种级差[1]。现代汽车变速器齿轮为了能防止工作中的脱档现象，大多数做成倒锥形[2]。传统的制造方法是将齿体与结合齿圈分两部分分别加工出来，然后通过过盈压装连接成一体。由于缺陷较多，现在大多采用整体精锻的方式来解决上述弊端。
在对一些结合齿齿坯进行热锻后往往達不到零件图要求。因此，通常采用增加一道精整工序的方式降低锻件表面粗糙度和增加尺寸精度以解决该问题。传统的方法主要是借助于模具设计人员的经验来设计模具型腔中齿形部分的尺寸参数，除了倒锥角需要在最后的径向挤压中完成，齿形的所有形状与尺寸均需要在冷精整后得以实现。冷精整后的齿形要求如图1.1b所示。
1 精整方式的确定
齿形的冷精整通常有两种方式，一种是挤压，另一种是镦粗[3]。通过挤压方式精整时，齿坯的齿形轮廓略大于精整模具的齿形型腔轮廓，因此虽成形载荷相对较小，但是毛坯在模具型腔中的定位较困难；而采用墩粗方式精整时，齿坯齿部完全进人模具，通过上模施加压力对齿形镦粗整形，这样就可避免挤压方式中出现的定位困难的情况。由于齿坯的齿形轮廓小于精整模具的齿形轮廓，其材料不足以填充精整模具的齿形型腔。所以，在锻齿坯时应使结合齿齿形高度高于齿坯定位端面一定距离以增加一些材料，方可得到合格锻件。但采用此方式精整，最后充满角隙时较困难、模具应力较大。综合两种方式的优缺点以及可操作性，在生产中基本上采用镦粗方式来实现齿形的冷精整。
当采用镦粗方式精整时就需要在终锻齿坯时将齿形形状锻成细长型，以便其在精整模具中能够很好的定位，同时也要保证齿坯中单个齿的体积略大于精整模具中单个齿的型腔体积，以便齿形能够完全充满。
2 精整变形余量的确定
如图2.1所示为齿形精整过程中齿坯与精整模具俯视角度示意图。如图2.2所示为终锻后的齿形与精整后的齿形的主视图对比，前者与后者相比较高出的部分称为在齿高方向上预留的变形余量。
精整变形余量的确定是零件能否达到图纸要求的一个关键因素，其值的大小决定了锻件齿厚和齿高方向上的变形余量在多大范围内能通过后续的冷精整达到产品图纸的要求。该值过大，对产品精度不利且可能造成冷精整时模具应力过大甚至破裂；该值过小，会导致齿形充填不满，无法保证其精度要求。为准确确定变形余量的具体值，我们决定采用数值模拟的办法来解决这个问题。
3 齿形变形量的设计
为了保证获得齿形精度的同时不增加模具应力，在齿厚方向的变形余量分别采用0.1mm、0.2mm、0.3mm三组数据。在齿高方向上的余量除了要考虑模具所受应力的影响，还要考虑到单个齿形的体积变化情况。综合这两点，决定把齿高方向上的变形余量设计为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm五组数据。
3.1 结合齿齿坯模型对比模拟分析
结合齿齿形精整最重要的技术参数是齿顶和齿尖的充填饱满程度。以上述变形余量数据作为原始模拟数据，采用Deform-3D软件进行模拟。从金属的流动和齿形的充填情况看，齿形的充满是先由齿顶开始，慢慢向齿根延伸。根据体积不变的原则，在整个齿形成型过程中最重要的一点就是要保证精整前齿部金属的体积要略大于或等于精整后的齿形体积。
模拟结果如表3.1所示。
3.2 模拟结果分析
从表3.1中我们可以看出当齿高和齿厚方向上的余量分别取0.5mm和0.1mm时齿形精整效果最佳（如有必要可对模型网格进一步细化，以确定更精确的齿高与齿厚数据），此时的模拟结果如图3.1所示，从结果可看出精整后的齿形充填饱满，无缺陷，齿下端余料适中。
在精整过程中，由于齿坯齿形的体积对于精整后的齿形的影响很大，因此，对于终锻后的齿坯齿形要求非常严格。考虑到齿形高度高出齿坯定位端面一定距离，且齿厚方向应预留一定余量，所以应该以齿坯上单个齿的体积不小于精整模具齿形型腔的体积为标准，齿坯上单个齿的体积过小会导致精整后齿形充填不满，体积过大会造成余料堆积、模具应力过大，进而模具寿命缩短（图3.2）。所以，应准确把握齿厚与齿高方向的预留余量。
5 小结
1） 探讨并确定了齿形的精整方式。
2）通过15组数据对比分析得出了最佳的齿厚方向余量和齿高方向余量，为齿形精整模具的设计提供了有效的理论支持。
3）使用数值模拟的方法对结合齿齿形的精整过程进行模拟，得到了齿部金属流动规律，为避免齿形充填不足或积料过多的情况做出了准确预测，并以此为依据优化了冷精整模具。
参考文献
[1] 邱晓忠.结合齿整体精锻成形技术研究[J]，《新技术新工艺》·热加工技术.2003（6），27-29.
[2] 章磊.倒锥形齿轮齿厚的/量球0测量法[J]，常州工学院学报.2004.（4），18-21.
[3] 俞汉青，陈金德.金属塑性成形原理[M]，北京：机械工业出版社，1999.
[关键词]结合齿 精整 模拟 齿形 变形
中图分类号：TG61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0021-02
变速器结合齿主要用于换档传动产生不同种级差[1]。现代汽车变速器齿轮为了能防止工作中的脱档现象，大多数做成倒锥形[2]。传统的制造方法是将齿体与结合齿圈分两部分分别加工出来，然后通过过盈压装连接成一体。由于缺陷较多，现在大多采用整体精锻的方式来解决上述弊端。
在对一些结合齿齿坯进行热锻后往往達不到零件图要求。因此，通常采用增加一道精整工序的方式降低锻件表面粗糙度和增加尺寸精度以解决该问题。传统的方法主要是借助于模具设计人员的经验来设计模具型腔中齿形部分的尺寸参数，除了倒锥角需要在最后的径向挤压中完成，齿形的所有形状与尺寸均需要在冷精整后得以实现。冷精整后的齿形要求如图1.1b所示。
1 精整方式的确定
齿形的冷精整通常有两种方式，一种是挤压，另一种是镦粗[3]。通过挤压方式精整时，齿坯的齿形轮廓略大于精整模具的齿形型腔轮廓，因此虽成形载荷相对较小，但是毛坯在模具型腔中的定位较困难；而采用墩粗方式精整时，齿坯齿部完全进人模具，通过上模施加压力对齿形镦粗整形，这样就可避免挤压方式中出现的定位困难的情况。由于齿坯的齿形轮廓小于精整模具的齿形轮廓，其材料不足以填充精整模具的齿形型腔。所以，在锻齿坯时应使结合齿齿形高度高于齿坯定位端面一定距离以增加一些材料，方可得到合格锻件。但采用此方式精整，最后充满角隙时较困难、模具应力较大。综合两种方式的优缺点以及可操作性，在生产中基本上采用镦粗方式来实现齿形的冷精整。
当采用镦粗方式精整时就需要在终锻齿坯时将齿形形状锻成细长型，以便其在精整模具中能够很好的定位，同时也要保证齿坯中单个齿的体积略大于精整模具中单个齿的型腔体积，以便齿形能够完全充满。
2 精整变形余量的确定
如图2.1所示为齿形精整过程中齿坯与精整模具俯视角度示意图。如图2.2所示为终锻后的齿形与精整后的齿形的主视图对比，前者与后者相比较高出的部分称为在齿高方向上预留的变形余量。
精整变形余量的确定是零件能否达到图纸要求的一个关键因素，其值的大小决定了锻件齿厚和齿高方向上的变形余量在多大范围内能通过后续的冷精整达到产品图纸的要求。该值过大，对产品精度不利且可能造成冷精整时模具应力过大甚至破裂；该值过小，会导致齿形充填不满，无法保证其精度要求。为准确确定变形余量的具体值，我们决定采用数值模拟的办法来解决这个问题。
3 齿形变形量的设计
为了保证获得齿形精度的同时不增加模具应力，在齿厚方向的变形余量分别采用0.1mm、0.2mm、0.3mm三组数据。在齿高方向上的余量除了要考虑模具所受应力的影响，还要考虑到单个齿形的体积变化情况。综合这两点，决定把齿高方向上的变形余量设计为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm五组数据。
3.1 结合齿齿坯模型对比模拟分析
结合齿齿形精整最重要的技术参数是齿顶和齿尖的充填饱满程度。以上述变形余量数据作为原始模拟数据，采用Deform-3D软件进行模拟。从金属的流动和齿形的充填情况看，齿形的充满是先由齿顶开始，慢慢向齿根延伸。根据体积不变的原则，在整个齿形成型过程中最重要的一点就是要保证精整前齿部金属的体积要略大于或等于精整后的齿形体积。
模拟结果如表3.1所示。
3.2 模拟结果分析
从表3.1中我们可以看出当齿高和齿厚方向上的余量分别取0.5mm和0.1mm时齿形精整效果最佳（如有必要可对模型网格进一步细化，以确定更精确的齿高与齿厚数据），此时的模拟结果如图3.1所示，从结果可看出精整后的齿形充填饱满，无缺陷，齿下端余料适中。
在精整过程中，由于齿坯齿形的体积对于精整后的齿形的影响很大，因此，对于终锻后的齿坯齿形要求非常严格。考虑到齿形高度高出齿坯定位端面一定距离，且齿厚方向应预留一定余量，所以应该以齿坯上单个齿的体积不小于精整模具齿形型腔的体积为标准，齿坯上单个齿的体积过小会导致精整后齿形充填不满，体积过大会造成余料堆积、模具应力过大，进而模具寿命缩短（图3.2）。所以，应准确把握齿厚与齿高方向的预留余量。
5 小结
1） 探讨并确定了齿形的精整方式。
2）通过15组数据对比分析得出了最佳的齿厚方向余量和齿高方向余量，为齿形精整模具的设计提供了有效的理论支持。
3）使用数值模拟的方法对结合齿齿形的精整过程进行模拟，得到了齿部金属流动规律，为避免齿形充填不足或积料过多的情况做出了准确预测，并以此为依据优化了冷精整模具。
参考文献
[1] 邱晓忠.结合齿整体精锻成形技术研究[J]，《新技术新工艺》·热加工技术.2003（6），27-29.
[2] 章磊.倒锥形齿轮齿厚的/量球0测量法[J]，常州工学院学报.2004.（4），18-21.
[3] 俞汉青，陈金德.金属塑性成形原理[M]，北京：机械工业出版社，1999.