摘要：研究和試驗(yàn)了圓柱直齒輪、圓柱斜齒輪和同步齒輪等3 種汽車用齒輪。制造工藝采用溫鍛加冷處理，用有限元模擬來分析鍛造過程和設(shè)計(jì)模具，從而保證齒輪的精度。經(jīng)過3 年的研究，已掌握其基本技術(shù)，下一步將進(jìn)行工廠現(xiàn)場試驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：齒輪；精密鍛造；計(jì)算機(jī)模擬；模具設(shè)計(jì)與制造

1 引言

齒輪精密鍛造在近幾十年來有很大的發(fā)展，越來越多的制造廠家和用戶重視用鍛造的方法制造齒輪。普遍認(rèn)為，用鍛造的方法，可以提高材料的利用率，提高生產(chǎn)率，提高齒輪的機(jī)械性能，降低成本和增強(qiáng)市場競爭力。尤其對用于汽車工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)，齒輪精密鍛造具有更大的效益和潛力[1～3 ] 。

盡管齒輪精密鍛造有諸多優(yōu)點(diǎn)，并已用于錐齒輪的規(guī)模生產(chǎn)，但距應(yīng)用于一定尺寸的圓柱直齒輪和斜齒輪的規(guī)模生產(chǎn)還有一段距離。特別是應(yīng)用于汽車動力傳動的齒輪，還需要建立一套實(shí)用和可靠的生產(chǎn)工藝流程，才能為廠家所接受。

齒輪精密鍛造技術(shù)源于德國。早在50 年代，由于缺乏足夠的齒輪加工機(jī)床，德國人開始用閉式熱模鍛的方法試制錐齒輪。其中的主要特征是使用了當(dāng)時(shí)很新的電火花加工工藝來制造鍛模的型腔。另外還對鍛造工藝過程進(jìn)行了嚴(yán)格地控制。在此基礎(chǔ)上，齒輪鍛造技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用到螺旋錐齒輪和圓柱齒輪的生產(chǎn)。但是在圓柱齒輪鍛造中，由于金屬材料的塑性流動方向與其受力方向垂直，所以其齒形比錐齒輪更難形成。60 年代開始圓柱齒輪的鍛造研究，70 年代有較大的發(fā)展，這主要是受到來自汽車工業(yè)降低成本的壓力。到80 年代，鍛造技術(shù)更加成熟，能達(dá)到更高的精度和一致性，使鍛造生產(chǎn)齒輪能在流水生產(chǎn)線上準(zhǔn)確定位，適合于批量生產(chǎn)。

齒輪精密鍛造的目的是直接生產(chǎn)出不需要后續(xù)切削加工的齒輪。如果能在室溫下進(jìn)行鍛造，則齒輪的形狀和尺寸較易控制，也可避免高溫帶來的誤差。目前已有較多的錐齒輪和小尺寸的圓柱齒輪用這種方法制成。當(dāng)整體尺寸適合時(shí)，還可以用冷擠壓的工藝來制造圓柱直、斜齒輪。但大部分用于汽車傳動的齒輪，其直徑、高度比較大，不適合采用擠壓工藝。如用閉式模鍛，則需要很高的壓力才能使金屬材料流動并充滿模具型腔，因而此類齒輪需要采用熱鍛或溫鍛工藝。而高溫將帶來材料的氧化，模具畸變，影響鍛件的精度和表面質(zhì)量。用附加的切削加工來修正這些誤差難度較大，還要增加成本。特別是當(dāng)使用后續(xù)磨削工藝來修正齒形上的誤差，除增加成本和延長工時(shí)外，還存在磨削工藝中齒輪的定位問題。

目前，比較一致認(rèn)同的工藝途徑為熱鍛、溫鍛和冷鍛的結(jié)合。熱鍛、溫鍛可實(shí)現(xiàn)高效能和材料的高利用率，冷鍛過程則修正熱、溫鍛過程的誤差和提高表面質(zhì)量。同時(shí)，冷處理工藝還能使輪齒表面獲得殘余壓應(yīng)力，提高齒輪的壽命。

筆者在伯明翰大學(xué)工作期間，所在的機(jī)械工程學(xué)院剛完成了一項(xiàng)由英國工程科學(xué)研究協(xié)會(EPSRC) 資助，與英國的7 家企業(yè)(齒輪制造，模具制造，齒輪用戶，鍛造廠以及鋼鐵公司) 合作的3 年研究課題：圓柱直齒輪和斜齒輪精密鍛造。該項(xiàng)目在多年研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討齒輪鍛造的機(jī)理，利用現(xiàn)代的分析手段，如計(jì)算機(jī)模擬和設(shè)計(jì)技術(shù)，旨在開發(fā)一種生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)上可行的鍛造加工技術(shù)，制造出在齒形上不再需要后續(xù)加工的精密齒輪。該項(xiàng)目研究和試驗(yàn)了圓柱直齒輪、圓柱斜齒輪和同步齒輪等3 種齒輪。考慮到整個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)性，精密鍛造只限于輪廓部分，而齒端和內(nèi)孔等部分，則采用切削加工。制造工藝為溫鍛加冷處理，由溫鍛獲得滿足形狀要求的齒輪，并在輪廓部分留有011mm 左右的余量。在冷處理過程中，把溫鍛后的齒輪擠壓通過一精密設(shè)計(jì)和制造的模具，從而修正輪廓部分的誤差，獲得高精度的齒形表面。在研究過程中，有限元方法被用來分析鍛造過程，設(shè)計(jì)模具，從而保證齒輪的精度。經(jīng)過3 年的研究，已經(jīng)掌握其基本技術(shù)，下一步將進(jìn)行工廠現(xiàn)場試驗(yàn)。同時(shí)正在準(zhǔn)備申報(bào)該項(xiàng)目的第二階段研究。

2 溫鍛工藝

由于項(xiàng)目要求尋求一適合工廠實(shí)用的生產(chǎn)途徑，該研究選用一高速率、單動單曲柄機(jī)械壓機(jī)。由于鍛件被加熱，必須考慮材料的熱膨脹和冷收縮以及模具的變形，為此采用有限元作精確計(jì)算。此外還用有限元對鍛造過程模擬，以保證鍛件精度。實(shí)驗(yàn)表明，在850 ℃～950 ℃之間鍛造鋼齒輪，誤差可控制在0105mm 的范圍內(nèi)。

空心圓柱坯常用于空心軸對稱零件或齒輪的鍛造。圖1 為一用于圓柱直齒輪的閉式模鍛的設(shè)計(jì)。圖中右側(cè)顯示鍛造前的情形，左側(cè)顯示鍛造后的情形。該模具由上模(沖頭) ，下模(反沖頭) ，芯棒和具有輪廓的型腔構(gòu)成(如圖所示) 。模具型腔部分由彈簧支承，在鍛造過程中，沖頭隨壓機(jī)滑塊一起向下運(yùn)動，并帶動模具型腔向下運(yùn)動。由于沖頭只需封住型腔上表面，無需壓入型腔，因此沖頭可作成簡單的形狀。該設(shè)計(jì)中沖頭為一階梯圓柱形狀。反向沖頭在鍛造過程中保持靜止，在鍛造后把齒輪頂出型腔。芯棒此處與沖頭連成一體，用來幫助毛坯的定位。由于型腔在鍛造過程中與鍛件一起運(yùn)動，型腔與鍛件之間的摩擦力將有助于金屬流動，所需載荷也比型腔固定時(shí)低。

圖1 圓柱直齒輪的閉式模鍛的設(shè)計(jì)

在鍛造過程中，模具的基本功能是使零件正確成形。對于此類齒輪鍛造的模具設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[4 ，5 ]對此進(jìn)行了廣泛和深入的討論。由于鍛件的種類、設(shè)備的限制，模具有多種組合。文獻(xiàn)[4 ] 廣泛研究了一般精密鍛造中模具的結(jié)構(gòu)、模具的設(shè)計(jì)和設(shè)備對鍛件精度的影響。

鍛件的形狀不僅受高溫?zé)崤蛎浀挠绊懀遗c模具的彈性變形有關(guān)，后者與載荷和徑向壓力有關(guān)。在齒輪鍛造中，輪齒的角部最后形成。正是在此最后填充階段，載荷急劇上升。文獻(xiàn)[ 6 ] 的例子顯示，沖頭最后的013mm 的沖程(112 %的總變形)會導(dǎo)致增加50 %的載荷。可以從模具設(shè)計(jì)上加以考慮來減小載荷。比如引入倒角可使金屬易于流入輪齒的上下角部；由此帶來的端部余量可在后續(xù)切削工序中容易地去掉。這樣一來，模具的畸變減小，壽命延長，鍛件精度提高。對本文涉及的關(guān)于圓柱直齒輪的例子，文獻(xiàn)[5 ] 詳細(xì)分析了幾種可能的模具設(shè)計(jì)方案：如把模具型腔固定，對沖頭和沖頭倒角，并用有限元分析了各種情形下金屬的流動、輪齒的形成和鍛造載荷的變化。文中還討論了磨擦在各種條件下對變形和載荷的影響。

圖2 為一按圖1 所示設(shè)計(jì)制造的模具，裝配在伯明翰大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的一臺1200t 的機(jī)械壓力機(jī)上。上下模具的相對定位是通過兩套筒實(shí)現(xiàn)的。通過實(shí)踐，證實(shí)高效率的鍛造是可行的。采用同一模架，對模具型腔作些修改，還完成了圓柱直齒輪和斜齒輪以及復(fù)合齒輪的鍛造。

圖2 齒輪鍛造模具

圖3 所示為在此設(shè)備上溫鍛的圓柱直齒輪、斜齒輪和同步齒輪。溫鍛過程中，坯料加熱到900 ℃，模具加熱到200 ℃，并用水基石墨作潤滑劑。圖4為溫鍛后圓柱直齒輪的測量結(jié)果，可以看出，該齒輪齒形規(guī)則一致，輪廓留有0108mm～011mm 的余量，以便在后續(xù)冷處理過程中加以修正。由于溫度控制在900 ℃左右，輪齒的表面質(zhì)量也較高，Ra 為3μm 左右。

圖3 溫鍛圓柱直齒輪、斜齒輪和同步齒輪

圖4 圓柱直齒輪的測量結(jié)果圖

3 冷處理工藝

熱、溫鍛工藝作為齒輪精密鍛造的第一階段，相對而言比較容易控制，因?yàn)殄懺忑X輪有一定余量可以調(diào)節(jié)。而冷成形工藝則需要相當(dāng)高的精度。當(dāng)把鍛造齒輪擠過冷成形模具后，形狀應(yīng)該達(dá)到最后要求，無需再加工。對輪齒而言，輪廓的精度要求在10μm 左右，對模具的設(shè)計(jì)提出非常高的要求。

在齒輪冷成形(精整) 工藝中，齒輪被逐漸擠過冷成形模具，模具的內(nèi)應(yīng)力和變形與齒輪的位置有關(guān)。特別是徑向壓力的變化將決定模具的變形，如能設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)哪＞咝螤睿＞叩淖冃慰梢员患右岳谩１热纾?dāng)齒輪在模具入口和出口處，模具的受力相對小些，因此變形也相對小些。當(dāng)齒輪在模具中部時(shí)，模具的變形就相對大些。該特征有可能被利用來獲得具有鼓形的輪齒。文獻(xiàn)[6 ] 用角度的空心圓柱形零件對鼓形成作了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

有限元法被用于齒輪冷成形(精整) 工藝，分析模具的變形、齒輪的變形和回彈。考慮了鍛造齒輪的余量、模具形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)對最終產(chǎn)品的影響。圖5 為一用于分析圓柱直齒輪冷成形過程的有限模型。沖頭的變形對齒輪的形狀影響不大，所以在有限元模型中可處理為剛性體。而模具型腔的變形則直接影響輪廓的形狀和尺寸，因此模具按變形體模擬。冷處理過程中，只有輪齒表面發(fā)生塑性變形，輪齒內(nèi)部和輪齒的大部分區(qū)域處于彈性變形狀態(tài)。彈性回復(fù)的比例很大，必須用彈塑性材料模型才能預(yù)計(jì)輪廓的最后形狀。

圖5 分析圓柱直齒輪冷成形的有限元模型

圖6 為一用于圓柱直齒輪冷成形的模具。沖頭與芯棒作為一體，裝在壓機(jī)的上滑塊上。芯棒與鍛造齒輪孔之間有微小間隙，它不用來定位，只用來幫助導(dǎo)向。因?yàn)樵阱懺爝^程中，只保證輪齒的精度而不能保證內(nèi)孔的精度。齒輪進(jìn)入模具型腔也是靠模具的倒角導(dǎo)入。

圖6 用于圓柱直齒輪冷成性的模具

如果要用于斜齒輪的精整，齒輪在擠入過程中會轉(zhuǎn)動。需在沖頭于壓機(jī)之間裝配一滾動軸承，使沖頭能隨之轉(zhuǎn)動。另外在擠壓斜齒輪時(shí)，輪齒兩側(cè)受力不對稱，變形也不相同，可把該齒輪反向再擠一次。事實(shí)上，直齒輪也可用兩次處理，這樣不但輪齒形狀較好，而且表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)也比一次擠壓效果好。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，單次擠壓可獲得20MPa～50MPa 的殘余壓應(yīng)力，兩次處理可使殘余壓應(yīng)力達(dá)到100MPa 左右[8 ] 。

圖7 為一圓柱直齒輪冷成形的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。用坐標(biāo)測量機(jī)對冷擠齒輪的輪廓進(jìn)行測量，并與有限元預(yù)測的結(jié)果相比較。圖中顯示了鍛造齒輪、模具、實(shí)測的精整齒輪以及有限元計(jì)算的輪廓。可以看出，理論分析與實(shí)際測量吻合較好。從分析可準(zhǔn)確估計(jì)輪廓的回彈量，從而精確地設(shè)計(jì)模具的尺寸和形狀。

圖7 圓柱直齒輪冷成性的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

冷成形的另一優(yōu)點(diǎn)是改善輪齒的表面質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)表明，其光潔度達(dá)到Ra = 1μm 以下，滿足輪齒加工的要求[8 ] 。

4 模具制造與齒輪的測量

冷成形模具的精度是齒輪精密鍛造技術(shù)的關(guān)鍵。目前的分析手段已經(jīng)發(fā)展到一定水平，可以考慮多種影響因素，精確地設(shè)計(jì)模具。但要制造出高精度的模具，還有很多困難，尤其是齒輪精鍛模的輪齒，更難加工。因?yàn)橐a(bǔ)償齒輪的彈性回復(fù)和模具的彈性變形，模具的齒輪輪廓不再是標(biāo)準(zhǔn)的漸開線。因此，為模具廠家提供的數(shù)據(jù)不是齒輪的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，而是描述輪廓的數(shù)據(jù)坐標(biāo)，通常要求精度在5μm 以內(nèi)。對直齒輪的模具，可用線切割加工；但對斜齒輪的模具，則需用電解加工。線切割加工可接近5μm 的精度，但這超過了一般電解加工的精度。再用磨削工藝來提高精度，必須注意到其輪廓不是標(biāo)準(zhǔn)齒輪。在本文提到的研究課題中，模具的制造就經(jīng)過了兩次以上的加工和修正。

齒輪精密鍛造技術(shù)的另一關(guān)鍵是測量，包括模具和齒輪的測量。由于模具的輪齒為非標(biāo)準(zhǔn)齒輪，不能用一標(biāo)準(zhǔn)齒輪來作比較進(jìn)行測量，也存在模數(shù)和其他參數(shù)的誤差。

測量鍛造齒輪的關(guān)鍵困難是其缺乏精確的基準(zhǔn)。用常規(guī)方法切削加工齒輪，其內(nèi)孔同時(shí)作為輪齒加工和測量的基準(zhǔn)。但用鍛造方法獲得的齒輪內(nèi)孔的精度有限，不能作為測量的基準(zhǔn)。事實(shí)上只有輪齒才有精密的特性。因此，如果用標(biāo)準(zhǔn)的齒輪測量設(shè)備來測量鍛造齒輪，很難避免定位誤差。常有這樣一種情況，輪廓能精確測量并滿足精度要求，但很難確定其精度等級。

5 結(jié)果和討論

經(jīng)過多年在齒輪鍛造方面的經(jīng)驗(yàn)積累和近來用溫鍛加冷處理的實(shí)驗(yàn)，有如下體會:

1) 一套通用的模具可用于多種齒輪的精密鍛造，并證明在單動單曲柄壓機(jī)上行之有效；
2) 有成熟的設(shè)計(jì)方法保證齒輪熱、溫鍛的精度和一致性，比如讓輪廓尺寸具有011mm～012mm的冷加工余量；
3) 可用現(xiàn)代手段詳細(xì)地分析冷成形(精整) 的過程，考慮多種影響因素，包括材料、幾何形狀及尺寸，模具的變形和潤滑等等，從而精確地設(shè)計(jì)模具；
4) 熱、溫鍛齒輪經(jīng)過冷成形處理，可達(dá)到ISO6～5 的精度；
5) 在模具加工和模具及齒輪測量方面還有大量的工作要做。

致謝
文中引用的結(jié)果主要來源于伯明翰大學(xué)一項(xiàng)由英國工程科學(xué)研究協(xié)會( EPSRC) 與英國的7 家企業(yè)資助的3 年合作課題。作者在此感謝伯明翰大學(xué)的Dean 教授和蔡靜博士為此課題所做的工作。