1.2　齒輪滾軋成形技術及其研究進展

針對圓柱齒輪精鍛成形技術應用中的變形抗力大及難以脫模等問題，人們提出了齒輪滾軋成形新工藝。此工藝結合軋制成形方式的優勢并參考了搓絲工藝原理。

軋制成形技術是指坯料通過一對（或多個）旋轉的壓輥間隙，受到連續擠壓而產生特定截面形狀的塑性變形過程。常見的軋制成形有輥鍛、楔橫軋、碾環等。輥鍛是指坯料通過一對反向旋轉的帶有弧形模具的壓輥而產生塑性變形的工藝過程，其進料方向和出料方向不在同一側，如圖1-13（a）所示。碾環是指通過內外模具使得環形坯料的內外徑擴大的塑性變形方法，如圖1-13（b）所示。楔橫軋是指金屬坯料在一對同向旋轉的模具間發生局部變形的工藝過程，主要用于加工階梯軸、錐形軸等，如圖1-13（c）所示。

搓絲工藝是指坯料在兩個同向旋轉的壓輥或者兩個相對運動的搓板受到擠壓產生螺紋的塑性變形過程，如圖1-14所示。

齒條滾軋成形類似于搓絲工藝，一對裝有齒形結構模具的齒條相向運動，連續搓輥坯料，使坯料與齒條模具嚙合發生塑性變形，隨著齒條上的齒形逐步變長長大，利用范成原理，使坯料最終形成目標齒形，如圖1-15所示。

美國于20世紀70年代發表了花鍵軸的齒條滾軋成形專利［71，72］和多項齒條滾軋模具的專利技術［73～76］。燕山大學的王志奎等［77，78］研究了板式冷搓花鍵成形工藝，明確了初始咬入條件，對齒形精度和影響因素進行了分析研究。波蘭的Pater等［79］采用扳式軋機，在實驗室成功完成直齒圓柱齒輪軸的軋制。Domblesky等［79］仿真分析了外螺紋冷搓成形工藝，獲得了冷搓成形過程中金屬的流動規律。

齒輪滾軋工藝原理如圖1-16所示，一對（或三個或更多）參數相同的滾壓輪做同向、同步旋轉，并徑向進給擠壓坯料，坯料外圓部分的金屬發生塑性變形，逐漸形成齒形。

從齒輪滾軋成形方式看，連續塑性變形過程可使得齒輪角隅填充較完滿，同時滾軋過程中滾壓輪與坯料間局部接觸，因此所需載荷也較小；與齒條滾軋工藝相比，齒輪滾軋工裝系統所占空間小，理論上滾壓輪可與工件無數次滾軋嚙合，因而得到的齒輪齒形精度也較高。因此，從成形方式和技術潛力上看，齒輪滾軋工藝在克服鍛造成形齒形角隅充填不完滿、脫模困難等問題以及降低模具成本、工裝易于實現等方面具有較好的潛在應用前景。

目前，齒輪滾軋成形國內研究較少。從發表文獻看，主要集中在汽車齒輪及類齒輪零件如花鍵、齒輪軸的滾軋成形研究。

彭樹杰等［81～83］對于車載使用的轉向齒輪零件的冷滾軋工藝和滾壓輪設計進行了研究，滾軋成形的齒輪安裝在汽車上經測試完全符合使用要求，并使用漸開線齒形面積算法來計算漸開線圓柱齒形零件冷滾軋過程中坯料初始尺寸。

何楓［84］對漸開線花鍵滾軋的滾壓輪工藝參數提出了設計方案。

王柯智等［85］基于滾壓輪工藝參數設計原理，對UG進行二次開發，將待加工花鍵軸的特征參數直接輸入程序即可實現滾壓輪的參數化建模，簡化了滾壓輪的繪制時間，提高了花鍵類零件滾軋三維建模及有限元模擬效率。

何江川［86］對于紡紗機器上所用的具有羅拉溝槽齒形的斜齒輪滾軋加工時滾壓輪的設計制造及坯料尺寸選擇進行了介紹。

于榮貴［87］對漸開線螺旋花鍵冷滾軋模的特點、設計制造及使用進行了介紹。

莊中［88］介紹了齒條滾軋加工和齒輪滾軋加工，并對滾軋加工小模數漸開線花鍵的幾個關鍵問題進行了分析。

吳修義［89］及潘志強［90］對滾軋工藝參數、滾壓輪參數進行了設計，并闡述了滾壓輪同步調整以保證齒數準確的方法。

吳衛華［91］對漸開線花鍵冷滾軋中遇到的問題進行分析總結并提出解決方案。

林曉磊等［92］對于漸開線花鍵冷滾軋的兩種進給方式的齒形成形過程進行了分析，對滾壓輪工藝參數進行設計計算，并提到了滾軋加工中幾點注意事項。

王明福［93］對花鍵滾軋的成形理論進行了研究，著重分析了花鍵的分齒條件、坯料直徑及滾壓工藝參數設計，對花鍵冷滾軋進行了有限元模擬和實驗研究，獲得等效應力、等效應變的分布及金屬流動規律。

沈金富［94］從重合度角度分析了大壓力角漸開線花鍵冷滾軋時多齒現象及原因，確定了成形花鍵齒數選擇奇數可以達到提高成品質量的目的。

崔克天［95］使用Marc軟件對花鍵進行冷滾軋模擬分析和實驗研究，獲得滾軋過程金屬流動規律及力學特征，并基于彈塑性修正理論對滾壓輪齒形進行修正，實驗驗證修正后成形齒形接近于理想齒形。

張寶國［96］對使用改造搓絲機冷搓花鍵時出現的錯齒現象進行分析，提出將靜齒板換成無齒板，先在坯料上搓出花鍵輪廓，再換成靜齒板繼續搓齒，成功避免了錯齒現象，如圖1-17所示。

涂長生等［97］對冷滾軋花鍵的理論基礎知識進行系統分析，重點研究了軋制過程的咬入條件及滾壓輪的設計。

李泳嶧等［98］針對傳統花鍵軸滾軋中出現的錯齒、亂齒現象，提出了花鍵軸動力增量式滾軋成形工藝，如圖1-18（b）所示，經過理論分析及模擬比較，驗證了成形的花鍵軸齒數準確，齒形輪廓清晰、齒形飽滿，且避免了分齒不均、錯齒、折疊等缺陷。

端雪松［99］基于金屬塑性成形原理和齒輪嚙合原理，分析了漸開線花鍵冷滾壓工藝的過程，對滾壓輪的結構參數和滾軋工藝參數的算法進行推演，基于此，以SolidWorks為平臺開發一個滾壓輪設計專家系統；系統采用參數化設計和特征造型技術，實現三維建模和繪圖智能化。

孫育竹［100］對圓柱齒輪滾軋成形過程進行數值模擬分析，對滾軋過程中載荷的變化、金屬流動情況以及應力場與溫度場的分布與變化進行了分析，優化滾軋工藝參數與齒坯尺寸，對可能生成的缺陷進行了預測與分析，并提出改進措施。

鄭偉剛、陳大［101］對齒輪滾壓成形技術目前研究狀況和亟待解決的問題進行重點介紹，得出冷擠滾壓工藝適合低抗拉強度材料或模數較小（m<3）的齒輪，熱擠滾壓加工適合較高抗拉強度及大模數的齒輪。

楊向紅等［102］對諧波齒輪分齒精度影響因素進行了研究，得出坯料直徑應按照塑性變形前后體積不變原則進行設計計算，滾壓輪齒頂圓直徑應按照初始滾軋時弦長相等原則來確定，因滾軋過程中，坯料節距是變化的，為保證成形齒輪精度，應強制控制工件轉速實現正確分度。

石少文［103］對齒輪滾軋過程理論基礎進行分析，得出齒坯尺寸、滾壓輪設計方法，分析了滾軋過程的缺陷種類、缺陷產生原因及改善措施。

趙軍等［104］通過對滾軋成形后的齒輪進行微觀金相組織分析，如圖1-19所示，同一試樣不同位置微觀組織不同。齒尖和齒根部分的滲碳體組織較多，晶粒度較小，齒坯中間和齒坯軸心附近晶粒度較大，滲碳體析出較少，并得出結論：滾軋工藝很大程度改善了齒輪齒形齒間和齒根部分的金相組織，使所成形齒輪力學性能得到很大提高。

劉慧敏［105］根據塑性成形理論基礎及齒輪滾軋范成運動原理，對齒輪滾軋成形進行工藝設計，建立了有限元模型，通過數值模擬分析了工藝參數對成形的影響；為提高滾軋成形質量，減小突耳缺陷，模擬分析了滾壓輪齒頂修緣量和不同預成形方案對成形質量的影響。圖1-20為該文獻提出的預成形方案，基于齒形右側突耳比左側瘦高，考慮采用推遲滾壓輪與坯料齒形右側接觸的時間，從而達到減小右側突耳的目的。

于杰、王寶雨等［106，107］結合齒輪軋制成形與楔橫軋工藝的原理，同時完成軸類零件和齒形部分的軋制成形，證實使用楔橫軋機來軋制齒輪軸完全可行；軋制采用分段式進給，且各段進給量按照逐漸遞減的趨勢；模具齒廓采用按進給量大小從上向下截取標準齒廓的方式設計，實驗證實是可行的，如圖1-21所示為模具構成及齒形。

通過數值模擬結合實驗研究分析了影響成形齒形的因素及影響規律。結果表明：因其齒廓共軛，因此模具齒形精度對待軋齒輪軸齒形起決定作用；模具的位置決定了齒形變形結果；端面附近齒形下凹缺陷可以通過坯料預成形來彌補；齒頂（拉尖）現象可以采取降低滾軋溫度減輕。

李曉冬［108］通過數值模擬和實驗相結合的方法對圓柱斜齒輪塑性成形方法中的浮動凹模成形和滾軋成形進行了研究，分析了浮動凹模工藝過程中金屬流動、載荷分布、等效應力場應變場的變化以及鍛后影響鍛件精度的因素等，分析了滾軋成形中的工藝參數設計、滾軋時存在的缺陷并提出了相應的解決方案。

朱小星等［109～114］提出采用熱軋工藝對大模數齒輪近凈成形的關鍵技術進行研究，首先基于實驗數據建立了SAE8620H鋼微觀組織演變模型，然后建立了大模數齒輪熱軋成形數值模型，對比分析了大齒輪熱化過程中軋制力的變化規律，研究了齒形長起過程中金屬流動趨勢；分析了齒形兩端填充不滿的原因，提出了補償方法并通過有限元數值模擬和實驗進行了分析與驗證；分析了軋輥軋件齒廓間相對滑動對齒形拉尖形成的影響，仿真分析了工藝參數對拉尖的影響規律，提出通過工藝參數組合和軋輥齒根壓整作用降低拉尖程度；研究了內孔變化尺寸和軸直徑對齒輪形狀最大偏差和齒形齒向偏差的影響規律；編寫了微觀金相組織變化子程序，分析了大模數齒輪熱軋時坯料齒形晶粒尺寸分布；研究了熱軋溫度、進給速度和滾壓輪轉速各參數對熱軋大模數齒輪齒部微觀金相組織變化規律的影響，對比實驗誤差，證明了所建立微觀組織模型的可靠性，對齒輪滾軋工藝具有實際指導價值。

國外雖然在該工藝技術實驗研究及設備制造上取得了重要進展，但是公開發表的文獻極少。

Brecher等［115］使用有限元數值模擬方法，通過還原分析研究了不同規格齒輪的常見滾壓工藝參數。

Kadashevich等［116］利用商用有限元軟件和自行開發的有限差分求解器求解了齒輪滾壓過程的熱量分布及幾何尺寸偏差。

Sabkhi等［117］提出了確定滾齒加工中切削力的模型。

Domblesky等［118］分析研究了螺紋冷搓成形的二維及三維模擬結果。

Pater等［119］提出采用一種帶有特殊凹槽的楔形平板作為模具進行螺紋滾壓的新方法。

Kao等［120］研究了基于CAD/CAM/CAE的螺紋軋制成形模具集成系統的開發。

德國學者Neugebauer等［121］分析了模具齒形節距變化對工件齒形成形精度的影響，提出了不斷變化節距的齒條滾軋成形方法，如圖1-22所示。初始階段齒條節距PA對應的接觸弧長為（d0為坯料初始直徑，Z為齒數），變形終止時刻齒條節距PK對應的接觸弧長為（dK為成形工件齒根圓直徑），顯然，由節距PA到PK是逐漸減小的。文獻中提出了采用逐漸遞減的方式將齒條節距由PA過渡到PK。通過實驗表明，此種方法可以使齒廓精度由51μm提高到26μm。

Neugebauer等［122］還通過分析機器系統的穩定性預測成形齒廓的準確性。

美國學者Kamouneh等［123］分別采用Deform軟件和Abaqus軟件對齒輪滾軋成形過程進行了模擬分析，結果表明Deform軟件在齒輪滾軋方面的適應性優于Abaqus，并分析了齒形滾軋成形常見缺陷——齒頂突耳、齒形兩側翼不對稱和端部塌角，如圖1-23所示。文獻提出通過反轉模具的方法來解決突耳及非對稱側翼缺陷，通過Deform模擬進行反轉前后結果的比較，最佳結果是模具正轉70%步數，反轉30%步數。圖1-24是沒有反轉模具和有反轉模具時模擬結果中突耳形貌的變化。從圖中可以看出采用反轉模具前齒形的左側翼是75%的充滿，右側是34%的充滿，而加入反轉動作后左側翼81%的充滿，右側翼43%的充滿，左側有6%的提高，右側有9%的提高。研究指出，如果改變一些齒輪的其他設置有可能獲得更大充填率的提高，如可以通過把倒斜角換成倒圓角可能會提高金屬流動，或者選擇比試驗用材料ANSI 4620更容易成形的材料也可以獲得更好的充填。

非對稱側翼是因兩側不同的金屬流動導致。從圖1-25中可以看到采用Deform模擬反轉模具后左側翼最大偏移量從0.162變到了0.127（有21%的提高），右側翼從0.190變到了0.142（有25%的提高）。

端部塌角是因為模具充填在端部比在中間部分要少，導致齒形在端部的形狀比中間要差。解決端部塌角問題的方案是修改工件幾何外形。文獻［123］提出了一個試驗工件模型，首先選擇一根圓柱棒料，然后把它放在CNC機器上進行機加工，最后獲得如圖1-26所示的形狀。從圖1-27修形前后的坯料模擬結果可以看出，端部塌角缺陷通過這種方法得到了改善。從圖中可以看出，和未修形時比較，端部塌角得到明顯改善。

日本愛信精機株式會社的勇田英理、栗田信明［124］發明的“用于漸開線齒輪的成形滾軋方法”專利提出增大模具齒形壓力角及設計更尖構形的齒頂部的滾軋成形模具，可減小成形力，提高滾軋成形模具的使用壽命。

大輪田國男［125］對于汽車齒輪滾壓工藝的成形技術、分類、模具制造技術及影響加工齒輪精度的主要工藝參數進行了系統的分析介紹，并通過大量數據分析得出模具制造精度對待加工齒形精度起主要影響作用。

松井等［126］建立了變節距齒條滾壓成形數值模型并對滾壓成形過程進行模擬，分析研究了模具速度、摩擦系數等工藝因素對齒條滾壓成形的影響。

Sasaki等［127］介紹了一種與齒輪滾軋相關的齒形設計方法。

綜上所述，目前國內外關于類齒輪零件滾軋成形的工藝理論并不完善，成形質量受工藝參數影響等研究非常有限，齒輪、花鍵類零件滾軋成形生產中的工藝參數的確定經常依賴經驗和試錯。

對于采用滾壓輪直接滾軋棒坯成形直齒輪，德國和美國報道了該項工藝技術的實現，彭樹杰采用冷滾軋技術實現了汽車用轉向齒輪零件的成形。與其他軸桿類、環盤類等零件軋制工藝技術相比［128］，齒輪滾軋還沒有形成自身的成形工藝理論和相關的技術體系，還未探明各種主要工藝因素對成形過程及其成形質量的影響規律。

因此，如何結合齒輪滾軋成形的特點，通過有限元軟件實現對齒輪滾軋成形工藝的數值模擬，分析工藝參數對成形的影響規律，針對滾軋成形初期的打滑現象，通過分析滾軋初期受力狀況及影響因素對打滑的影響規律，獲得減小甚至消除打滑的工藝措施，對于防止出現錯齒、亂齒等成形缺陷，提高成形齒輪的質量有著重要研究意義；針對滾軋成形中存在的“突耳”缺陷，分析其成形機理及工藝因素對突耳的影響規律，獲得減小突耳的工藝措施，并建立齒輪滾軋成形突耳缺陷控制體系是齒輪滾軋成形技術研究的核心科學問題及關鍵技術；針對坯料采用不同材料，模擬分析不同材料屬性對成形的影響，針對齒輪常用鋼種，分析冷、熱態下不同溫度對其成形的影響規律，對于滾軋成形時坯料材料選擇及冷熱態的選擇具有實際指導意義。