彭树杰：一种特殊齿形零件的精密成形技术研究

一种特殊齿形零件的精密成形技术研究中国兵器工业第五九研究所彭树杰摘要分析了齿形不对称特殊齿形零件的结构特点及应用冷滚轧精密成形工艺的技术难点，详细阐述了此种类型零件冷滚轧成形技术的工艺和模具设计原则，以及滚轧模具的加工、安装和调试；并设计了汽车制动机构间隙自动调节蜗杆的滚轧工艺和滚轧模具，进行了深入地试验研究，获得了成功，并应用冷滚轧成形工艺生产出了符合用户要求的零件。

关键词：齿形不对称；冷滚轧成形技术；成形模具；相位调整；工艺参数；工艺试验Research on the precise forming technology for a kind of parts withunsymmetrical tooth profilesAbstractThe paper has analyzed the structure characteristics of a kind of parts with unsymmetrical tooth profiles and the technology difficulties when processed by forming of cold rolling ; elaborated theprinciple of process and die design on cold rolling technology of this kind of parts , also theproducing , installing and adjusting the rollers . In addition , the cold rolling technology and the roller for the self-adjusting worms of brake mechanism of automobile have been designed in this paper . In this research , the author has carried out many experiments thoroughly and got successes .The parts rolled have conformed to the requirements of customer.Keywords: unsymmetrical tooth profiles; cold rolling technology; forming die; adjusting slotposition of the tooth; technical parameter; technical research.1 引言一般机械工业中所应用的常规齿形类零件，无论是齿轮、链轮、花键、还是蜗杆、螺纹、皮带轮等等，在这些零件中，绝大多数的齿形两面(端面或法面或轴面)是对称的，即齿形两面形状相同，齿形角大小相等；但也有较少的零件齿形比较特殊，如两面是不对称的，即齿形两面形状不同或齿形角不相等。

因此，后者相比前者机械加工的难度较大，也要复杂一些。

但对于这种齿形不对称的特殊轴类零件，就可以应用一种精密成形的加工技术来加工零件的齿形。

本文的研究对象，汽车制动机构的制动间隙自动调节蜗杆就是一典型的齿形不对称的特殊轴类齿形零件，如图1所示。

该种蜗杆的齿形传统的加工工艺是采用车削的方法来加工，然而，由于该蜗杆模数和尺寸均较大，光车削加工齿形每件就需要半个小时以上，生产效率十分低下，很难满足大批量生产的需要。

为此，本研究就是想寻找到一种高效率、低成本的新加工工艺—冷滚轧成形工艺来生产加工该特殊的蜗杆齿形。

2 成形技术的分析运用冷滚轧成形技术加工该类特殊齿形零件须解决以下的难点：首先冷滚轧工艺使用的模具--滚轧轮和工装的设计计算与常规的齿形零件就不尽相同；其次由于该蜗杆的模数和直径均较大，冷滚轧时的滚轧压力自然也较大，所用时间也较长，所以需通过设计计算及试验确定出较为科学合理的工艺参数，如滚轧压力、时间、进给速度及进给压下量等，从而达到既不降低生产效率，又能提高滚轧轮和机床的使用寿命；还有，因为零件齿形是不对称的，滚轧时产生的轴向力更大，且在不同滚轧时期受力方向会不同，所以在工装夹具上须设有轴向力的平衡机构，以免滚轧时，轴向力作用在支撑夹具上而无法消除，从而损坏工装夹具和滚轧轮。

3 成形技术的设计3.1 成形技术的工艺流程对于该蜗杆齿形的加工，传统的工艺流程是：下料—车坯—磨外圆—粗车齿形—精车齿形—后续加工—热处理—磨齿形；而采用冷滚轧技术，工艺路线是：下料—车坯—冷滚轧齿形—后续加工—热处理。

可见冷滚轧成形工艺较传统工艺工序少，工艺路线短，而且由于滚轧齿形的时间较车削齿形所用的时间少得多，所以采用冷滚轧工艺就大大减少了零件齿形的加工时间，从而大大提高了生产效率。

除此之外，由于滚轧成形的坯料直径较车齿的坯料直径小许多，也就大大节约了金属材料。

图1 特殊齿形零件简图3.2 成形坯料设计d、长度及两端部的结构和尺寸。

零件成形坯料的设计主要是指齿形滚轧成形段的直径p冷滚轧成形技术是一种金属材料的少无切削加工，即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，从而完成齿的成形加工。

根据滚轧成形前后体积不变的原理就可计算出成形坯料滚轧段的直径来。

另外，考虑d应在理论值的基到实际滚轧时存在打滑及材料的端面流出等情况，所以最终的坯料直径值p础上乘以修正系数k，对于低碳钢一般取k=1.003～1.005。

冷滚轧成形时，金属材料向端面流出，使得靠近两端的齿形不完整，为了满足零件完整的齿形段长度要求，所以，坯料滚轧成形段两端需较零件齿形段长度分别加长10mm左右。

图2中的上图所示为成形坯料的简图。

图2 成形坯料及零件简图3.3 模具设计该零件的成形模具，即一对冷滚轧轮的设计原则如下：(1) 设计确定滚轧轮的齿数r z ：滚轧轮齿数r z 的确定原则是根据所滚轧零件的直径大小和所使用滚轧机主轴中心距的限制，以及实际操作时便于装取工件等来设计确定。

(2) 设计计算滚轧轮的齿顶圆直径ar d ：在零件齿数g z 、坯料滚轧段直径p d 及滚轧轮齿数r z 已知或已确定的情况下，就可通过计算得出滚轧轮的齿顶圆直径ar d 。

(3) 设计确定滚轧轮的齿高r h ：滚轧轮的齿高r h 原则上就是所滚轧零件的齿高g h ；但实际上，滚轧轮的齿高还应考虑一个齿高增加量△h，它包括零件滚轧后的齿顶加工余量和滚轧时的齿顶(齿根)间隙，所以对于不同的滚轧零件，其齿高增加量的数值是不一样的。

(4) 设计滚轧轮的齿形尺寸：滚轧轮齿形尺寸的设计原则是轧轮的分度圆齿厚s r 等于所滚轧零件的分度圆齿槽宽g t ，而轧轮的分度圆齿槽宽t r 等于所滚轧零件的分度圆齿厚g s ；轧轮的齿顶高ar h 等于所滚轧零件的齿根高fg h ，而轧轮的齿根高fr h 则等于所滚轧零件的齿顶高ag h 与齿高增加量△h 之和；滚轧轮齿两面的齿形角分别等同于所滚轧零件对应齿面上的齿形角。

图3所示为两者的齿形对比简图。

图3 齿形对比简图(5) 设计滚轧轮的结构尺寸：滚轧轮的厚度，设计的方法是根据零件滚轧段的长度和其两端的加长量，滚轧轮两端面所倒斜角的宽度，以及滚轧过程中零件随夹具轴向移动的量来确定；滚轧轮的内孔，其尺寸大小取决于所使用冷滚轧机主轴的大小，两者的名义尺寸值相等，并选取较小的间隙配合，一般选取公差配合G7/h6。

(6) 滚轧轮的其余参数，如轴向模数、轴向齿距、分度圆上导程角应设计成和零件相同的数值，而螺旋方向则须和所滚轧零件螺旋方向相反，即为左旋。

4 模具的加工制造成形模具，即滚轧轮的齿在滚轧成形时承受很大的压力和弯曲力矩，并且轮齿表面还承受因滚动中的滑动而产生的摩擦力，因此要求滚轧轮的材料具有适当的硬度，并要求有较好的韧性和耐磨损性。

现在常用高碳铬模具钢或高速钢，本研究中滚轧轮的材料选用Cr12MoV 。

滚轧轮加工时，坯料须反复锻造并退火保证碳化物不均度小于3级；坯件粗车后热处理，淬火后必须进行充分回火，硬度控制在HRC56～60，以增加滚轧轮齿的韧性；两滚轧轮应同时以孔为基准穿芯轴加工外圆和齿形，以保证两者的一致性；滚轧轮齿表面不得有裂纹、锈迹及磨削烧伤等影响其使用性能的加工缺陷；滚轧轮所有机加工序完成后，还应进行去除应力处理。

5 工艺试验5.1 坯料的加工成形试验的坯料须按3.2节中所确定的结构与尺寸来加工。

零件材料为20CrMo ，加工坯料之前材料须先退火，硬度应不超过HB140。

因为坯料硬度越低，金属材料的塑性和流动性就愈好，滚轧时所需的压力就较小，时间也较短，这样不但提高了生产效率，而且也相应地提高了滚轧轮的寿命，从而降低滚轧生产的成本。

另外，坯料滚轧段的直径、表面粗糙度、形位公差以及两端的中心孔的大小等，均应严格按冷滚轧成形技术的工艺要求来加工，否则将会影响到滚轧成形工件的质量和精度。

5.2 安装和调试在安装滚轧轮及工装之前，应首先检测滚轧机两根主轴是否平行、等高，主轴外圆对其轴线的径向跳动误差，主轴的周向转动误差，夹具前后顶尖中心线的高度是否和主轴高度一致等等，所有这些检测并调试完成后，就可以安装滚轧轮和工装夹具了。

根据工件滚轧段的位置、工件装夹的方向、以及便于工件装取等，来确定滚轧轮安装在机床主轴上的位置和方向。

特别是对这种特殊齿形齿形的工件，一定要注意两滚轧轮齿的方向必须相同，且滚轧轮齿的方向须与所滚轧工件齿的方向一致。

另外两滚轧轮同一侧端面须平齐，安装时最好用水平尺或刀口尺检测一下。

安装并调试工装夹具。

首先调节夹具前后顶尖之间的距离，使之与滚轧工件的长度相适合，即当动顶尖顶紧时能刚好夹紧工件，松开后则可轻松取下工件；然后调节夹具在两主轴间的左右位置，使当工件齿形滚轧到要求的尺寸时，工件的中心高刚好为滚轧机主轴的中心高或略低点；另外冷滚轧时，工件会随夹具前后移动，因此须在夹具活动轴的前后位置各安装一弹性元件，这样滚轧过程中夹具夹持部分能前后移动，且不能使工件滚轧段因移动而超出滚轧轮端面，而滚轧完成后夹具又能恢复到原始位置，使定位基准不发生改变。

5.3 成形试验5.3.1 周向相位调整(1) 周向相位调整的目标是使两滚轧轮在坯料外圆表面上所滚压的齿槽痕完全重合。

实际操作当中，不可能做到使两滚轧轮的压痕完全重合在一起，只能尽量使两滚轧轮的压痕重合在一起，即坯料外圆表面上滚压出的齿槽底宽越接近滚轧轮的齿顶厚越好。

(2) 调整的方法是先使滚轧轮在工件坯料表面滚压出较浅的沟槽来，这样可以避免因相位不准确而造成工件报废或损坏滚轧轮齿；然后观察坯料表面压痕，测量并估算出需要最少调整的角度或弧长以及相位调整机构所需调整的齿数。