造林机械的齿轮成型工艺与数字化建模研究*

杨剑波

（河南水利与环境职业学院基础部，郑州 450008)

造林是生产木材的重要步骤，造林机械是实现快速造林的重要方式之一。齿轮传动是传统造林机械中应用最为广泛的传动方式，同时齿轮也是机械传动结构的基础部件。我国的传统工业对齿轮也有着较高的需求。齿轮成型技术的发展与我国机械制造行业的发展息息相关。就现有的齿轮传动体系架构而言，常见的齿轮传动有：圆柱直齿齿轮传动、圆柱斜齿齿轮传动以及人字齿轮传动等。伴随着齿轮成型技术的不断发展，出现了更加具有操作价值的圆弧齿轮传动。这种新型的传动方式兼具了传统齿轮的优点，在传动过程中相比直齿齿轮具有更长的接触线和更多的传动接触面积，齿轮空间曲线受到的瞬时冲击大幅减小。然而这种新型的齿轮对当前的齿轮成型技术而言也是一种挑战。在当前的传动体系中引入数字化建模方法，可为新型齿轮传动技术的研发提供坚实基础。

1 造林机械齿轮成型工艺研究现状

在传统的造林机械齿轮成型工艺中，通常使用圆柱形胚料。在带有齿形的模型腔内，上凹模下行会迫使金属胚料发生流动并且逐渐填满整个模具腔，这是当前齿轮成型工艺中最为基础的方法。不断发展的现代传动技术，则对齿轮的成型锻造提出了新的要求。为改善传统齿轮锻造工艺的不足，相关研究人员提出分流锻造的思想，即在胚料上设置分流孔，以此来增加金属胚料锻造过程中的流动面积，从而减小齿轮成型后期的成型力。除此之外，现行的解决方案还包括在胚料上预留中心孔，使得在齿轮锻造成型过程中，胚料在流向齿形的同时也会流向分流孔。从整体齿轮成型工艺的发展现状来看，这几种技术都在一定程度上改良了现有的齿轮成型工艺，并为齿轮传动技术的快速发展提供支持。

2 造林机械齿轮成形工艺探究

2.1 机械齿轮成型工艺改良

在我国当前造林机械制造的整体架构中，齿轮传动方面的问题占据着50%机械制造领域内的技术问题。造林机械齿轮的常见参数如表1所示。从实际情况来看，可以对金属胚料的变形区进行局部加热和加载，通过降低金属材料的形变能力来达到减少加载面积的技术指标，进而实现降低胚料加载面积的技术目标。从整体的成型工艺来看，采用这种加热工艺可以防止金属胚料内部发生金属形变。经过预热处理的金属胚料内部可以被视为刚性区，对于刚性区大小的判断可以根据齿轮冷成型时的应变区来进行。在进行预热处理时，可以清楚地看到金属胚料内部的等效应变逐渐减少，因此在设计凸模时仅仅需要对金属胚料的外部塑性区进行加热处理，金属胚料的感应加热厚度也仅需要与塑性区的厚度接近即可。进行定型工艺处理时，技术胚料的尺寸则需要根据齿轮零件的实际体积来确定，同时在设计时需要预留出一定的余量，保证金属胚料和齿轮零件的高度一致。

表1 造林机械齿轮常见参数Tab.1 Common gear parameters of afforestation machinery

2.2 机械齿轮成型凹模型腔设计

实现造林机械齿轮的高适应性需要有精确的模具作为支撑，通常凹模由胚料导入段、胚料成型段、胚料整型段三部分组成。在胚料成型段，往往要考虑金属胚料的多种物理参数（见表2）。设置胚料导入段的目的是让胚料更快地进入到模型里面，以提高胚料成型的速率。胚料成型段采用了金属胚料所适应的大圆弧过渡，这使得金属胚料下半部分先进入成型阶段并且发生塑性变形。在成型阶段齿顶先于齿根成型，然后金属胚料继续下行进入到胚料整型段，之前没有成型的齿根面在此成型。该过程持续到整个金属胚料完全进入到整型段为止，到此齿轮的齿形成型完成，凹模的任务结束。接下来凸模开始下移，并且逐步完成修整毛刺、精整齿形的任务。模具的顶件器通常会设计成圆饼状，并且为确保产出成型件时起到导向的作用，该过程中顶件器的高度要始终保持一致。顶件器与凸模和凹模采用了小间隙的配合。常规的顶件器设定了金属胚料的定位结构，并且下半部分会通过顶出杆与齿轮成型设备的顶出结构进行联接。

表2 钢的物理参数Tab.2 Physical parameters of steel

3 造林机械齿轮数字化建模研究

3.1 齿轮复杂曲面数字化建模

在造林机械齿轮真实齿面的总体构建中，研究较多的关键技术之一就是复杂线的重建，相关研究人员对此做了大量的研究，其中最为常见的就是在NURBS曲线网络上使用连续的Gregory曲面进行覆盖的齿轮数字化建模技术。这种方式是以修正盈亏为原则进行基础构建，与之类似的还有迭代非均匀B-spline曲线曲面算法。对于齿轮齿面的构建方法研究主要包括两类，一是利用齿轮曲面的插值算法来对插值曲面进行构造，这种建模方法的精度较高并且能够准确地反映出齿面具体测量点的信息[1]；二是在采用一次线性插值建模计算的过程中，将面积权重插值法和线性插值法进行有机结合，以此实现对侧面区域之外的数据测量点进行相对准确的预估，这种插补方法对于真实齿面的构建以及数据点的构建都保持着较高的精确度。

3.2 基于非特征分块的齿面重构

非特征分块齿面重构是齿轮数字化建模体系中一个较为独特的分支， 同时这种曲面构建也是 STEP标准中产品数据模型的行业标准，在机械齿轮真实齿面的重构方面有较好的应用。当前在利用NURBS曲面来进行机械齿轮真实齿面重构的过程中，能够精准测量的数据点十分有限，而基于非特征分块的齿面重构法就很好地解决了这一问题。它利用了非真实的拟合曲线来对离散型的数据点进行了有权逼近，这种重构方法并不要求全部数据点都落在建模曲面上，而且建模得到的曲面光顺性较好，缺点是精度比插值曲面要低。事实上非特征分块的齿面重构是基于NURBS曲面的圆弧形齿轮真实齿面的仿真，将圆弧形的齿面通过扫描5×10点离散阵的方式并且使用三次NURBS曲面拟合。从整体上来看，由于齿面测量的数据点十分有限，所以这种建模方式主要适用于经过磨光处理并且较为光滑的齿面结构。

随着新型齿轮成型技术的不断发展，我国造林机械技术也在不断的发展中获得了技术填充。总体上凹凸模型腔的合理设计是齿轮成型的良好基础，同时在齿轮成型过程中应适当采取措施减少金属胚料的流动。确保这些成型因素的稳定性，才能保证齿轮成型的质量。除此之外也可以使用数字化建模技术对齿轮进行齿面重构。在多种工艺的并行发展之下，我国现行的齿轮传动技术必将得到较好的发展。