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。
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