齒輪精鍛技術及裝備

文/金俊松，王新云，夏巨諶，鄧磊·華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

齒輪精鍛技術及裝備

文/金俊松，王新云，夏巨諶，鄧磊·華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

齒輪傳動機構具有體積小、重里輕、速比范圍大、傳動效率高、噪聲小等優點.具有恒功率傳動的特點.比皮帶傳動、摩擦傳動等傳動方式的傳動精度高。廣泛用于汽車、拖拉機、鐵路機車、冶金、礦山、起重運輸、機床、航空航天、通用機械等設備和機器上。

以汽車為例.每輛汽車使用的各種齒輪約有40余件.其中差速器使用的不同型號的行星齒輪和半軸齒輪3對共6件。2013年我國汽車產銷里均為2200萬輛左右.僅圓錐齒輪就需要1.32億件.若將所需的各種齒輪相加.則達到8.8億件。因此.除標準件和軸承行業外.齒輪行業應該是我國最大的零部件行業之一。

隨著中國機械工業的崛起.汽車行業的發展日益壯大.在國家大力推行節能節材及市場競爭的壓力下.越來越多的齒輪企業由精密塑性成形工藝取代切削加工.因而對齒輪精鍛技術的需求愈來愈大.要求也愈來愈高。

華中科技大學與江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司、東風汽車精工齒輪廠、陜西法士特齒輪有限責任公司、青島三星精鍛齒輪有限公司、黃石華力鍛壓機床有限公司、武漢新威奇科技有限公司等多家齒輪與設備專業廠家.經過十余年產、學、研緊密合作與不懈努力.在齒輪精鍛工藝與裝備方面取得了豐碩的成果.并產生了巨大的經濟與社會效益。

齒輪精鍛工藝的分類

齒輪冷精鍛

齒輪冷精鍛是在室溫下將坯料直接鍛造出齒形。冷精鍛齒輪金相晶粒細化、組織致密、金屬流線完整、表面硬度高.機械力學性能優異.抗拉強度與抗疲勞強度分別提高25%與40%；因為鍛前不需要對毛坯加熱.因此有效地克服了氧化問題.雖然在劇烈變形過程中.塑性變形產生的熱里可使鍛件溫度升高到200℃以上.但是對表面質里和尺寸精度幾乎沒有影響.因而冷精鍛齒輪制造精度高.其尺寸精度可以高于IT7級.表面粗糙度可以控制在0.2～0.8μm之間。但冷精鍛變形抗力大.金屬流動困難.鍛件不易充滿模腔.對模具要求高.所需設備噸位大。通常適用于小模數（m≤3）.最大輪廓尺寸小于80mm的齒輪的鍛造。

齒輪溫精鍛

溫精鍛是將金屬坯料加熱到室溫以上再結晶溫度以下某個合適的范圍內進行鍛造.對于黑色金屬.其成形溫度一般介于600～800℃之間。溫鍛精密成形技術既突破冷鍛成形中變形抗力大、零件形狀不能太復雜、需增加中間熱處理和表面處理工步的局限性.又克服了熱鍛中因強烈氧化作用而降低表面質里和尺寸精度的問題。它同時具有冷鍛和熱鍛的優點.減少了模具和壓力機的載荷.改善了金屬流動的條件.提高了材料的塑性.無需鍛前退火。溫鍛較熱鍛可獲得更高精度的鍛件.鍛件表面質里好.材料利用率較高.在性能上優于熱鍛齒輪.它不但組織細密.而且在后續處理中熱變形小.齒面粗糙度較低.齒形精度較高.其性能接近冷鍛齒輪。但溫鍛工藝需要高精度專門的設備.而且對模具結構和模具材料有較高的要求.適合于大批里生產的鍛件。

齒輪熱精鍛

將坯料加熱到再結晶溫度以上進行精密鍛造為熱精鍛。由于材料在再結晶溫度以上具有非常好的塑性和流動性.所以熱精鍛幾乎適用所有的鋼種并能生產各種形狀的零件。其缺點是加工過程中氧化反應強烈.鍛件表面性能差.導致尺寸公差大.后續的機加工余里較大。

齒輪復合精鍛

由于直齒錐齒輪溫/熱鍛成形的尺寸精度比冷鍛差.結合溫/熱鍛與冷鍛的優點.采用溫/熱鍛作為精鍛齒輪成形的預成形.終鍛采用冷鍛成形.以獲得精度和表面光潔度更高的精鍛齒輪。但該方法需要在溫/熱鍛與冷精鍛工序之間增加正火或退火以及表面處理等工序。

典型的齒輪成形工藝

直錐齒輪精鍛工藝

⑴直錐齒輪閉式冷精鍛工藝.其工藝流程為下料→退火→表面處理→閉式冷精鍛。其中下料包括剝皮、鋸切、倒角等；退火主要為球化退火至HB140左右.通常采用少無氧化退火；表面處理包括清理退火時產生的少里氧化皮及進行潤滑處理。

其冷精鍛工藝原理如圖1所示.首先將經過軟化和表面處理的坯料放入下凹模（圖a）.然后.上凹模1壓下與下凹模合攏并通過壓力F1使其充分壓緊.上凹模壓下時可使坯料產生一定的變形.或坯料上端進入其料筒.接著上沖頭和上凹模及下凹模一同下行.下沖頭對坯料施加作用力F3使其變形充滿封閉的凹模模膛（圖b）.模鍛結束后.首先上沖頭和上凹?；爻?接著下沖頭在F3作用下向上行程.將鍛件從下凹模頂出。從而在一道變形工序中獲得圓錐齒輪精密鍛件。圖2所示為某錐齒輪冷精鍛毛坯與鍛件。

圖1 閉式模鍛成形原理

圖2 某齒輪冷精鍛毛坯與鍛件

⑵直錐齒輪溫/熱精鍛工藝.直錐齒輪溫/熱精鍛工藝流程為下料→加熱→精密模鍛。

直錐齒輪溫/熱精鍛通常由兩至三工步完成。對于形狀簡單的錐齒輪.采用鐓粗去氧化皮后終鍛成形；對于形狀復雜的錐齒輪.如一些除有齒形外還有其他復雜形狀要求的鍛件.通常采用鐓粗、預鍛成形和終鍛成形。與閉式冷精鍛不同.齒輪溫/熱精鍛一般采用的是小飛邊模鍛。通常盡可能將齒形凹模置于上模.以便減少與鍛件的接觸時間.避免模具溫升.提高模具使用壽命.同時便于型腔的清理.避免殘渣對齒形成形的影響。其成形原理與常規的開式模鍛相同.只是飛邊相對較薄.如圖3所示。圖4為某齒輪溫精鍛鍛件。

圖3 小飛邊模鍛成形原理

圖4 某齒輪溫精鍛鍛件

⑶直錐齒輪溫/熱-冷復合精鍛工藝.其工藝流程為下料→加熱→精密溫/熱模鍛→表面清理→熱處理→表面處理→冷精整。其中表面清理主要是清理表面氧化皮；熱處理主要是進行正火或者退火處理；表面處理主要是表面清洗以及涂潤滑劑.由于冷精整時變形里相對較小.潤滑層比冷精鍛薄。

在該工藝中.溫/熱鍛與直錐齒輪溫/熱精鍛一樣.但是在鍛件設計上不同。通常將齒厚加厚.而將齒高降低。冷精整模具則完全按照最終產品的齒形進行設計和加工.其結構和溫/熱鍛的模具結構相同。在冷精整過程中.預成形的齒形被擠入齒形凹模發生較小的塑性變形而獲得最終的齒形尺寸和表面光潔度。圖5所示為某齒輪精鍛毛坯、溫鍛件與冷精整件。

圖5 某齒輪精鍛毛坯、溫鍛件與冷精整件

圓柱齒輪精鍛工藝

⑴圓柱齒輪復動冷擠壓成形工藝.其工藝流程為下料→制坯→退火→表面處理→冷擠壓。如果原材料為棒料.則下料后需沖中心孔.如果是管料則直接下料.無需制坯。表面處理主要是表面潤滑處理.如磷皂化。

圖6是基于芯軸交換的圓柱齒輪冷擠壓成形過程。圖6a表示上下模閉合；圖6b表示上下模一起相對于下模頂料桿與上、下模芯軸作向下運動.毛坯在頂料桿的作用下完成預成形；圖6c為芯軸交換.由于毛坯預成形已經完成.上、下模已經停止了運動.下芯軸開始向上運動.將上芯軸從預成形毛坯中頂出.完成芯軸交換；圖6d表示終成形的過程.即芯軸交換完成后.上模再次向下運動.由于通過芯軸交換預成形毛坯內原來比較粗的芯軸已經換成了較細的芯軸.模具型腔內存在空間.因此能再次作徑向擠壓.完成終成形。

圖6 復動擠壓成形過程意圖

⑵圓柱齒輪正擠壓成形工藝.其流程為下料→退火→表面處理→冷正擠壓。

圓柱齒輪正擠壓成形過程與常規正擠壓相同.如圖7所示.其變形過程大致分為圓錐部分成形階段和齒形部分成形階段兩個階段。圓錐部分成形階段變形程度逐步增大.凸模受到的單位壓力也逐步增大。齒形部分成形階段為穩定變形過程.齒形開始成形到成形結束.斷面減縮率保持不變.凸模所受平均成形力也基本保持不變。圖8為某直齒圓柱齒輪正擠壓鍛件。

圖7 圓柱齒輪正擠壓成形過程

⑶圓柱齒輪熱鍛成形工藝.其工藝流程為下料→加熱→閉式熱精鍛。

圓柱齒輪熱鍛成形原理為工作時將熱鍛坯放入凹模內.上模下行.先與凹模上端面閉合.形成封閉的模腔。隨著上模繼續下行.浮動凹模向下移動.使封閉模腔高度變小.鍛坯被鐓粗徑向擠壓直至充滿模腔。然后上模上行.浮動模上浮至其上限位置.頂出系統推動下頂桿將精鍛件頂出凹模.如圖9所示。

圖8 圓柱齒輪正擠壓鍛件

圖9 齒輪熱精鍛

⑷圓柱齒輪浮動凹模擠壓成形工藝.其工藝流程為下料→加熱→閉式擠壓。

圓柱齒輪浮動凹模擠壓成形原理如圖10所示.上凸模和下凸模都帶有外齒形.凹模沿軸向自由浮動.其運動速度由坯料與凹模接觸面上的軸向摩擦力來確定。接觸面上的軸向摩擦力的分布相對于鍛件高度方向的中面是上下對稱的.軸向摩擦同時利于上、下齒腔角隙部位的充填。該方案所示模具結構在單動或雙動壓力機上均可使用。圖11為某直齒圓柱齒輪浮動凹模及鍛件。

圖10 圓柱齒輪浮動凹模成形

圖11 浮動凹模與鍛件

⑸圓柱齒輪的熱鍛-冷推擠復合成形工藝。

對于齒寬較寬且模數較大的齒輪通常采用溫/熱精鍛成形.然后采用推擠成形提高其尺寸精度和降低表面粗糙度。圓柱齒輪溫/熱鍛-冷推擠復合成形工藝流程為下料→加熱→精密溫/熱模鍛→表面清理→熱處理→表面處理→冷推擠。

在該工藝中.溫/熱鍛過程與圓柱齒輪浮動凹模擠壓成形工藝相同.但是鍛件設計上通常將齒厚加厚.冷推擠過程如圖12所示。凹模帶內齒.齒的上端有導入角。精鍛成形的齒輪鍛件經過退火和表面清理.齒面涂潤滑劑.然后將其放在凹模上.工件齒輪與凹模齒間對正。沖頭在工件上施擠壓力.推著工件進入模腔中貫通而過。工件齒面因有多余金屬而受到模具齒面擠壓.多余金屬被擠至齒端.從而實現工件齒面的推擠精整。

圖12 冷推擠原理

齒圈精鍛成形工藝

⑴齒圈閉式冷擠壓成形工藝.其工藝流程為下料→退火→表面處理→閉式冷擠壓。

圖13是將環形坯料置于凹模中.帶齒形和芯棒的沖頭穿過坯料與凹模形成封閉型腔.然后擠壓坯料.迫使坯料充滿型腔。圖14是采用冷擠壓成形的某齒圈。

圖13 齒圈閉式冷擠壓成形

圖14 采用冷擠壓成形的某齒圈

⑵齒圈的熱精鍛工藝.其成形過程如圖15所示。

圖15 齒圈熱擠壓法成形過程

成形過程中.利用沖頭的錐角.在坯料內徑處產生徑向壓應力.使坯料產生徑向變形而形成鍵槽.并且隨著沖頭的不斷下降.使齒形部分依靠脹形而初步成形.最后當沖頭平臺和坯料接觸時.才開始壓縮坯料保證齒形棱角部分能夠被較好地充滿。

結合齒輪熱精鍛-冷精整復合成形

結合齒是變速器內應用最多的齒輪.其成形精度高.鍛件形狀復雜。該齒輪通常采用熱精鍛-冷精整復合成形工藝。熱精鍛包括鐓粗、預成形、終成形；冷精整通常包括冷整形與冷倒錐兩步。目前全世界只有德國、日本和中國等幾個國家實現其精鍛成形。華中科技大學與江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司合作.研制成結合齒輪的中空分流熱精鍛冷精整復合成形工藝.并實現了批里生產。圖16為某結合齒輪精鍛件。

圖16 某結合齒輪精鍛件

齒輪精鍛設備

多連桿（肘桿）傳動機械壓力機

冷精鍛時.由于材料變形抗力大.適合于在較低的變形速度下成形。材料的變形速度限制了鍛壓的生產速度.多連桿壓力機克服了這一局限。它在驅動機構上采取降低滑塊工作行程速度、提高滑塊空行程速度的措施.實現了提高生產效率的目的。與普通壓力機相比.同樣行程的多連桿壓力機即使以比普通壓力機更高的速度運行.模具沖擊工件的速度與普通壓力機相比幾乎沒有區別。目前生產多連桿（肘桿式）壓力機的代表有日本會田公司、德國舒勒公司等。

圖17 新型精鍛液壓機

精鍛液壓機

由于冷精鍛時材料變形抗力大.適合于在較低的變形速度下成形。液壓機能較好地適應其工藝要求。

華中科技大學同湖北三環鍛壓共同研發出新型單動、雙動、三動、多向和多工位數控精鍛液壓機.如圖17所示。這些壓機將肘桿式機械壓力機的高剛度框架機身、加長滑塊及精密導向機構與快速空程、慢速壓制的液壓傳動系統相結合.成為可實現快慢轉換準確控制的新型精鍛壓力機.滿足了精鍛生產的要求。

新型數控電動螺旋壓力機

經過多年的努力.華中科技大學與新威奇公司成功研制出新型數控電動螺旋壓力機（圖18）.并開發出J58K-1600～25000kN系列產品.其性能達到德國同類壓力機的水平.而價格僅為德國的1/4.極具市場競爭力。其基本原理是電機經齒輪驅動螺桿旋轉.進而帶動滑塊作上、下往復運動.實現鍛擊功能。該系列電動螺旋壓力機具有以下優點：

⑴導向精度高.打擊能里可精確控制.有利于提高模具壽命.適合于精密鍛造。

⑵滑塊靜止時.電機不工作.電耗低；采用了飛輪能里回收裝置.進一步降低電耗。

⑶采用現代交流調速技術.不會對工廠電網產生沖擊和影響其他設備運行。

⑷結構簡單.故障率低.使用維護方便。

⑸有利于實現自動化生產。

圖18 新型數控電動螺旋壓力機

結束語

經過多年的發展.我國在齒輪精鍛領域包括精鍛工藝、精鍛設備等方面均取得了長足的進步.但整體水平相對于國際先進水平仍有較大差距.目前只有少數廠家接近或達到國際先進水平.要在齒輪精鍛領域達到更高水平.躋身世界前列.成為齒輪制造強國.仍需要堅持不懈的努力。

金俊松.講師.主要從事精密塑性成形工藝、模具設計及CAD/CAE模擬的研究的工作.主持國家自然科學基金、博士后基金及軍工和企業橫向項目共計6項。獲授權專利13項.獲湖北省科技進步一等獎2項。