直齿圆柱齿轮精锻技术的发展现状与趋势

1．概述

　　齿轮是应用最广的一种机械传动零件，具有结构紧凑、传递动力大、效率高、寿命长、可靠性好和传动比准确等特点。齿轮的精密锻压技术由于其显著优点；正日益受到各国研究人员的重视，得到了蓬勃发展。

　　齿轮精锻技术是指齿轮轮齿由坯料经过精密锻压直接获得完整的齿形，而齿面不需切削加工或仅需少许精加工即可进行使用的齿轮制造技术。与传统的切削加工工艺相比，齿轮精锻工卜艺具有以下特点：

　　(1)改善了齿轮的组织，提高了其力学性能。精锻使得金属材料的纤维组织沿齿形均匀连续分布，晶粒及组织细密，微观缺陷少，因此，精锻齿轮的性能优越，齿的弯曲强度、接触疲劳强度和耐冲击性明显高于切削齿轮。一般来说，精锻可使轮齿抗冲击强度提高约15%，抗弯曲疲劳寿命提高约20%。

　　(2)提高了生产效率和材料利用率。通过精锻成形，齿轮精度能够达到精密级公差标准，不需或仅需少量后续精加工，即可以进行热处理或直接投人使用，生产率和材料利用率高。

　　(3)精锻齿轮减少了热处理时的齿廓变形，提高了齿的耐磨性和齿轮啮合时的平稳性，提高了齿轮的使用寿命。

　　尽管齿轮锻造有许多优点，并且直伞齿轮精锻技术已成功地应用于生产，但由于直齿圆柱齿轮精锻具有齿形型腔（特别是上下角隅处）充填困难、成形力大、模具设计与制造精度要求严格等特点，成形中遇到了许多困难。多年来，各国研究人员运用各种理论、技术手段和试验方法，对直齿圆柱齿轮精锻技术进行了不懈的研究。

2．直齿圆柱齿轮精锻的理论研究

　　英国曼彻斯特大学科技学院的Chitkara N R等人对直齿圆柱齿轮的塑性成形作了数值模拟分析，用能量法和上限法分析了镦锻直齿轮的变形规律；Dohamann F等人用数值逼近法和主应力法分析了冷精锻齿轮时的金属流动和模具应力情况，给出了沿齿面轮廓的法向应力分布图。韩国学者J.H.Song和Y.T.Im开发了一种直齿圆柱齿轮冷正挤压辅助系统，这个系统可根据输人的齿轮参数给定可供实用的齿轮成形工装。 Kondo K和Ohga K提出了齿轮分流减压锻造法Choi J C发展了分流法，提出了向内分流成形的直齿圆柱齿轮精锻工艺，并进行了二维有限元模拟分析。 Jongung Choi和Hae-Yong Cho等人提出了一种直齿圆柱齿轮锻造时的新的动可容速度场，并用上限法对其成形过程进行了深入的研究，得到了成形力主要与齿轮齿数有关的结论Yang D Y采用刚、粘塑性有限元法对直齿圆柱齿轮精锻成形进行了数值模拟。KnoerrM在1992年用DEFORM模拟了圆环状齿轮坯的三工位热锻过程，预测了该成形过程中可能出现的折叠缺陷，并根据模拟结果改进成形参数，获得了无缺陷的零件。德国Th.Herlan应用有限元分析方法，采用ANSYS软件来优化齿轮的几何形状，从而降低锻造压力和模具应力，给出了FEM分析的模具的受力图和优化齿轮形状，最后将精锻齿轮进行疲劳测试并与传统工艺生产的齿轮进行了比较。

　　吉林大学寇淑清等人利用有限元模拟理论与三维成形模拟软件对齿轮冷精锻技术进行了较全面的研究，首次将弹塑性大变形有限元数值模拟分析应用于直齿轮冷精锻成形过程中。山东大学夏世升等人提出了一种由空心坯成形直齿圆柱齿轮的新工艺：预锻分流区一分流终锻，用三维有限元数值模拟软件DEFORM-3D进行了数值模拟研究，得到了锻造载荷一行程曲线以及整个成形过程的应力、应变、速度分布等。程军、林治平等人采用环氧树脂模型对直齿圆柱齿轮精锻凹模进行三维光弹性试验模拟，通过对光弹图象的处理，获得了直齿精锻圆柱齿轮凹模的内壁应力分布。张治民等人采用三维大变形弹塑性有限元法对以闭式镦挤和以温挤径向导流一约束分流两步成形方式的成形情况进行了数值模拟分析，得到了新工艺成形过程的应力分布图以及载荷一行程曲线。数值分析结果表明：约束分流成形与闭式成形相比可明显降低成形力，有利于金属的流动，保证齿形充填良好，改善模具受力条件，提高成形件质量。李更新等人用优化后的凹模结构对直齿圆柱齿轮的温挤压成形进行了数值模拟，结果表明，以人模角为180°、挤压筒内径等于直齿轮齿顶圆直径，且在齿根圆处倒角为特点的凹模形式对齿形成形效果良好，此种凹模形式能够解决齿形角隅充不满的难题，非常适合直齿圆柱齿轮的挤压精密成形。

3．直齿圆柱齿轮精锻的工艺研究

　　1987年英国伯明翰大学Tuncer C等提出了浮动凹模精锻空心件思想，归纳了无飞边锻模制造和使用的各种工艺要点，设计了各种模具。 Nagai Y提出将预制杯形件作为某些圆柱齿轮冷锻的制坯措施，即通过拉延、整形、变薄拉延和压缩这四个工步实现具有较大沉孔的圆柱齿轮冷锻成形。伊朗Tarbiat Modarxes大学的M.H.Sadeghi与英国伯明翰大学的(暂不可见)an用浮动凹模原理模具对直齿轮和斜齿轮作了系统的研究，包括模具结构形式选择，齿轮尺寸精度的影响因素，齿轮塑性成形力的预测及其与摩擦系数、齿轮模数、宽度关系，脱模力与摩擦系数、成形力、成形温度、压力角、齿数的关系。德国的Th. Herlan以材料为20MnCr4的直伞齿轮为例，采用了温锻冷锻复合成形工艺，其工艺流程为：下料——感应加热（850℃）——锻造——硬化处理——精整。首先，将初始棒料加热、镦粗、喷丸再加热至850℃，送至12.5MN机械压力机进行锻造，之后进行喷丸和表面磷化、皂化处理，最后在12.5MN液压机上进行冷锻，并给出了冷锻的活动模具简图。

　　山东大学张清萍等人对两步成形直齿圆柱齿轮冷精锻工艺模具齿形设计方法进行了研究，分别采用修正模数法和变位法对终锻和预锻模具的齿形进行设计。青岛理工大学的田福祥等人对直齿圆柱齿轮热精锻进行了深人研究，给出了快档齿轮热精锻成形的实用模具结构，论述了模具设计、装配和使用的有关问题，该模具采用强力脱模装置，使锻件在锻击结束瞬间立即脱离凸模，解决了锻件将凸模抱死的关键技术问题。张治民、张宝红等人提出了一种新的方法，即直齿轮径向的分流成形，温锻和冷挤压整形的复合方法，并以一个用于拖拉机的直齿轮作为例子，制造出的齿轮精度可达IT8。这种新的直齿轮成形技术，能够使大模数、轮齿高的齿轮在较低的变形力下就能使轮齿充满，其工艺过程为：齿轮轮齿的初成形第一次采用中温锻，然后通过冷成形制成高精度的齿轮。齿轮的制造采用镦粗挤压，为了避免齿轮在塑性成形过程中出现缺陷，提出了一种新的径向成形技术，在模具的长度方向设计较大的偏转斜度，通过偏转斜度，钢坯被推动沿着斜度压下，同时，金属径向流动，齿轮轮齿底部剩余的金属流向齿轮的顶部，齿轮被填充成形。冯冲前根据对直齿圆柱齿轮镦挤成形过程的实验研究，针对直齿圆柱齿轮精锻成形工艺的技术关键，提出了一种新的成形工艺——浮动凹模镦挤成形工艺，并以安阳齿轮厂农用车变速齿轮为研究对象，设计了专用镦挤模具，并进行了成形试验，研究了其成形规律。燕山大学赵军等人利用塑性范成成形齿轮的方法成形出直齿圆柱齿轮，并对成形后齿轮的金相组织进行了分析，从成形组织方面验证了该工艺的可行性。姜英等人利用滚压设备对齿轮进行了滚压研究，得出只需更换滚轮，就可以用于中、小模数的圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮等的加工，该工艺加工工艺简单，生产效率高，加工质量好。

4．直齿圆柱齿轮精锻的质量与精度控制研究

　　目前，关于直齿圆柱齿轮精锻过程质量和精度控制方面的研究还比较少。Abdel-Rahman等人研究了锻前加热和锻后冷却方式对锻件性能的影响，分析了常规气体、非氧化性气体、坯料表面渗碳、冷却速度对齿轮锻件硬度的影响，锻后热收缩对齿轮轮廓成形的影响，以及齿轮的齿数、模数、锻造温度对齿形误差的影响。蔡利等人探讨了几种圆柱齿轮冷锻成形技术，对圆柱齿轮冷锻特性进行了分析，并运用系统的观点对提高冷锻圆柱齿轮的轮齿精度做了探讨，并提出了系统提高轮齿精度的重要性，其中成形库的建立尤为重要。林治平等对直齿圆柱齿轮热精锻的研究表明，模具设计、坯料尺寸、温度控制等因素是保证齿轮锻件精度的关键，模具的加工方法、磨损和弹性变形、润滑与冷却、能否充分排气排污都影响着齿形精度。刘华等人通过对精锻齿轮弹性回复的理论分析及有限元模拟提出了齿轮弹性回复时弹性修正量和弹性修正系数的概念，并求出了45号钢在800℃时成形齿轮的弹性修正系数值，同时发现在体积成形过程中，在卸载时工件材料发生的二次屈服对成形精度也有影响。伍太宾针对摩托车启动主动齿轮的结构特点，讨论了坯料形状和尺寸对该齿轮的成形难易程度、充填性、内齿轮质量以及模具寿命的影响，介绍了冷挤压成形模的结构，指出了模具设计、制造时应注意相关事项。

5．直齿圆柱齿轮精锻技术的发展趋势

　　多年来，学者们对直齿圆柱齿轮精锻技术的研究取得了许多成果，在分析国内外精锻技术现状的基础上，笔者以为今后直齿圆柱齿轮精锻技术将向以下几个方面发展。

　　(1)优化工艺和模具结构，提高模具的寿命，解决齿轮锻件的出模问题

为满足制造工艺的要求，在工艺设计和模具设计中，应以金属在精锻过程中的真实流动规律和变形力学特征为基础，优化模具结构、坯料形状尺寸等工艺参数，选用优质模具材料，使用合适的锻压设备，提高模具加工精度和使用寿命。另外，直齿圆柱齿轮精锻没有拔模斜度，出模困难，需要较大的顶出力才能将锻件从模具．中顶出。因此，对模具结构和锻造设备有较高的要求，如何解决好锻件出模，也是一个必须重点解决的问题。

　　(2)改善精锻齿轮的质量和精度，提高齿轮生产率

　　齿轮制造工艺的发展，很大程度上表现在精度等级与生产效率的提高。在今后齿轮的精锻工艺的提升中，要掌握精锻过程中的金属变形流动规律以及各种工艺参数对工件质量的影响，提高产品质量，严格控制模具温度、锻造温度和润滑条件等工艺因素，减少因模具和锻件温度波动而造成的锻件尺寸误差，使直齿圆柱齿轮精锻向着净成形方向发展。

　　(3)充分运用各种计算机技术和数学理论，提高直齿圆柱齿轮精锻技术开发的效率

　　计算机技术的快速发展和数学理论的充分运用，提高了齿轮产品的设计精度和加工效率。今后工艺和模具设计应和计算机技术紧密结合起来，利用计算机技术结合塑性或弹塑性有限元方法，找出齿轮坯料自由表面和内部的金属流动及应力应变分布规律，通过控制金属的塑性流动达到所需零件的精密成形。使齿轮精锻技术的研究向着CAD/CAE/CAM一体化发展，促进直齿圆柱齿轮精锻技术的提高以及向产业化的转化。

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