1．概述

齒輪是應(yīng)用最廣的一種機(jī)械傳動(dòng)零件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞動(dòng)力大、效率高、壽命長、可靠性好和傳動(dòng)比準(zhǔn)確等特點(diǎn)。齒輪的精密鍛壓技術(shù)由于其顯著優(yōu)點(diǎn)；正日益受到各國研究人員的重視，得到了蓬勃發(fā)展。

齒輪精鍛技術(shù)是指齒輪輪齒由坯料經(jīng)過精密鍛壓直接獲得完整的齒形，而齒面不需切削加工或僅需少許精加工即可進(jìn)行使用的齒輪制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的切削加工工藝相比，齒輪精鍛工卜藝具有以下特點(diǎn)：

(1)改善了齒輪的組織，提高了其力學(xué)性能。精鍛使得金屬材料的纖維組織沿齒形均勻連續(xù)分布，晶粒及組織細(xì)密，微觀缺陷少，因此，精鍛齒輪的性能優(yōu)越，齒的彎曲強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和耐沖擊性明顯高于切削齒輪。一般來說，精鍛可使輪齒抗沖擊強(qiáng)度提高約15%，抗彎曲疲勞壽命提高約20%。

(2)提高了生產(chǎn)效率和材料利用率。通過精鍛成形，齒輪精度能夠達(dá)到精密級公差標(biāo)準(zhǔn)，不需或僅需少量后續(xù)精加工，即可以進(jìn)行熱處理或直接投人使用，生產(chǎn)率和材料利用率高。

(3)精鍛齒輪減少了熱處理時(shí)的齒廓變形，提高了齒的耐磨性和齒輪嚙合時(shí)的平穩(wěn)性，提高了齒輪的使用壽命。

盡管齒輪鍛造有許多優(yōu)點(diǎn)，并且直傘齒輪精鍛技術(shù)已成功地應(yīng)用于生產(chǎn)，但由于直齒圓柱齒輪精鍛具有齒形型腔（特別是上下角隅處）充填困難、成形力大、模具設(shè)計(jì)與制造精度要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，成形中遇到了許多困難。多年來，各國研究人員運(yùn)用各種理論、技術(shù)手段和試驗(yàn)方法，對直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)進(jìn)行了不懈的研究。

2．直齒圓柱齒輪精鍛的理論研究

英國曼徹斯特大學(xué)科技學(xué)院的Chitkara N R等人對直齒圓柱齒輪的塑性成形作了數(shù)值模擬分析，用能量法和上限法分析了鐓鍛直齒輪的變形規(guī)律；Dohamann F等人用數(shù)值逼近法和主應(yīng)力法分析了冷精鍛齒輪時(shí)的金屬流動(dòng)和模具應(yīng)力情況，給出了沿齒面輪廓的法向應(yīng)力分布圖。韓國學(xué)者J.H.Song和Y.T.Im開發(fā)了一種直齒圓柱齒輪冷正擠壓輔助系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可根據(jù)輸人的齒輪參數(shù)給定可供實(shí)用的齒輪成形工裝。 Kondo K和Ohga K提出了齒輪分流減壓鍛造法Choi J C發(fā)展了分流法，提出了向內(nèi)分流成形的直齒圓柱齒輪精鍛工藝，并進(jìn)行了二維有限元模擬分析。 Jongung Choi和Hae-Yong Cho等人提出了一種直齒圓柱齒輪鍛造時(shí)的新的動(dòng)可容速度場，并用上限法對其成形過程進(jìn)行了深入的研究，得到了成形力主要與齒輪齒數(shù)有關(guān)的結(jié)論Yang D Y采用剛、粘塑性有限元法對直齒圓柱齒輪精鍛成形進(jìn)行了數(shù)值模擬。KnoerrM在1992年用DEFORM模擬了圓環(huán)狀齒輪坯的三工位熱鍛過程，預(yù)測了該成形過程中可能出現(xiàn)的折疊缺陷，并根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)成形參數(shù)，獲得了無缺陷的零件。德國Th.Herlan應(yīng)用有限元分析方法，采用ANSYS軟件來優(yōu)化齒輪的幾何形狀，從而降低鍛造壓力和模具應(yīng)力，給出了FEM分析的模具的受力圖和優(yōu)化齒輪形狀，最后將精鍛齒輪進(jìn)行疲勞測試并與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的齒輪進(jìn)行了比較。

吉林大學(xué)寇淑清等人利用有限元模擬理論與三維成形模擬軟件對齒輪冷精鍛技術(shù)進(jìn)行了較全面的研究，首次將彈塑性大變形有限元數(shù)值模擬分析應(yīng)用于直齒輪冷精鍛成形過程中。山東大學(xué)夏世升等人提出了一種由空心坯成形直齒圓柱齒輪的新工藝：預(yù)鍛分流區(qū)一分流終鍛，用三維有限元數(shù)值模擬軟件DEFORM-3D進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了鍛造載荷一行程曲線以及整個(gè)成形過程的應(yīng)力、應(yīng)變、速度分布等。程軍、林治平等人采用環(huán)氧樹脂模型對直齒圓柱齒輪精鍛凹模進(jìn)行三維光彈性試驗(yàn)?zāi)M，通過對光彈圖象的處理，獲得了直齒精鍛圓柱齒輪凹模的內(nèi)壁應(yīng)力分布。張治民等人采用三維大變形彈塑性有限元法對以閉式鐓擠和以溫?cái)D徑向?qū)Я饕患s束分流兩步成形方式的成形情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了新工藝成形過程的應(yīng)力分布圖以及載荷一行程曲線。數(shù)值分析結(jié)果表明：約束分流成形與閉式成形相比可明顯降低成形力，有利于金屬的流動(dòng)，保證齒形充填良好，改善模具受力條件，提高成形件質(zhì)量。李更新等人用優(yōu)化后的凹模結(jié)構(gòu)對直齒圓柱齒輪的溫?cái)D壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，以人模角為180°、擠壓筒內(nèi)徑等于直齒輪齒頂圓直徑，且在齒根圓處倒角為特點(diǎn)的凹模形式對齒形成形效果良好，此種凹模形式能夠解決齒形角隅充不滿的難題，非常適合直齒圓柱齒輪的擠壓精密成形。

3．直齒圓柱齒輪精鍛的工藝研究

1987年英國伯明翰大學(xué)Tuncer C等提出了浮動(dòng)凹模精鍛空心件思想，歸納了無飛邊鍛模制造和使用的各種工藝要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了各種模具。 Nagai Y提出將預(yù)制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施，即通過拉延、整形、變薄拉延和壓縮這四個(gè)工步實(shí)現(xiàn)具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形。伊朗Tarbiat Modarxes大學(xué)的M.H.Sadeghi與英國伯明翰大學(xué)的T.A.Dean用浮動(dòng)凹模原理模具對直齒輪和斜齒輪作了系統(tǒng)的研究，包括模具結(jié)構(gòu)形式選擇，齒輪尺寸精度的影響因素，齒輪塑性成形力的預(yù)測及其與摩擦系數(shù)、齒輪模數(shù)、寬度關(guān)系，脫模力與摩擦系數(shù)、成形力、成形溫度、壓力角、齒數(shù)的關(guān)系。德國的Th. Herlan以材料為20MnCr4的直傘齒輪為例，采用了溫鍛冷鍛復(fù)合成形工藝，其工藝流程為：下料——感應(yīng)加熱（850℃）——鍛造——硬化處理——精整。首先，將初始棒料加熱、鐓粗、噴丸再加熱至850℃，送至12.5MN機(jī)械壓力機(jī)進(jìn)行鍛造，之后進(jìn)行噴丸和表面磷化、皂化處理，最后在12.5MN液壓機(jī)上進(jìn)行冷鍛，并給出了冷鍛的活動(dòng)模具簡圖。

山東大學(xué)張清萍等人對兩步成形直齒圓柱齒輪冷精鍛工藝模具齒形設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，分別采用修正模數(shù)法和變位法對終鍛和預(yù)鍛模具的齒形進(jìn)行設(shè)計(jì)。青島理工大學(xué)的田福祥等人對直齒圓柱齒輪熱精鍛進(jìn)行了深人研究，給出了快檔齒輪熱精鍛成形的實(shí)用模具結(jié)構(gòu)，論述了模具設(shè)計(jì)、裝配和使用的有關(guān)問題，該模具采用強(qiáng)力脫模裝置，使鍛件在鍛擊結(jié)束瞬間立即脫離凸模，解決了鍛件將凸模抱死的關(guān)鍵技術(shù)問題。張治民、張寶紅等人提出了一種新的方法，即直齒輪徑向的分流成形，溫鍛和冷擠壓整形的復(fù)合方法，并以一個(gè)用于拖拉機(jī)的直齒輪作為例子，制造出的齒輪精度可達(dá)IT8。這種新的直齒輪成形技術(shù)，能夠使大模數(shù)、輪齒高的齒輪在較低的變形力下就能使輪齒充滿，其工藝過程為：齒輪輪齒的初成形第一次采用中溫鍛，然后通過冷成形制成高精度的齒輪。齒輪的制造采用鐓粗?jǐn)D壓，為了避免齒輪在塑性成形過程中出現(xiàn)缺陷，提出了一種新的徑向成形技術(shù)，在模具的長度方向設(shè)計(jì)較大的偏轉(zhuǎn)斜度，通過偏轉(zhuǎn)斜度，鋼坯被推動(dòng)沿著斜度壓下，同時(shí)，金屬徑向流動(dòng)，齒輪輪齒底部剩余的金屬流向齒輪的頂部，齒輪被填充成形。馮沖前根據(jù)對直齒圓柱齒輪鐓擠成形過程的實(shí)驗(yàn)研究，針對直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝的技術(shù)關(guān)鍵，提出了一種新的成形工藝——浮動(dòng)凹模鐓擠成形工藝，并以安陽齒輪廠農(nóng)用車變速齒輪為研究對象，設(shè)計(jì)了專用鐓擠模具，并進(jìn)行了成形試驗(yàn)，研究了其成形規(guī)律。燕山大學(xué)趙軍等人利用塑性范成成形齒輪的方法成形出直齒圓柱齒輪，并對成形后齒輪的金相組織進(jìn)行了分析，從成形組織方面驗(yàn)證了該工藝的可行性。姜英等人利用滾壓設(shè)備對齒輪進(jìn)行了滾壓研究，得出只需更換滾輪，就可以用于中、小模數(shù)的圓柱直齒輪、圓柱斜齒輪等的加工，該工藝加工工藝簡單，生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量好。

4．直齒圓柱齒輪精鍛的質(zhì)量與精度控制研究

目前，關(guān)于直齒圓柱齒輪精鍛過程質(zhì)量和精度控制方面的研究還比較少。Abdel-Rahman等人研究了鍛前加熱和鍛后冷卻方式對鍛件性能的影響，分析了常規(guī)氣體、非氧化性氣體、坯料表面滲碳、冷卻速度對齒輪鍛件硬度的影響，鍛后熱收縮對齒輪輪廓成形的影響，以及齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、鍛造溫度對齒形誤差的影響。蔡利等人探討了幾種圓柱齒輪冷鍛成形技術(shù)，對圓柱齒輪冷鍛特性進(jìn)行了分析，并運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)對提高冷鍛圓柱齒輪的輪齒精度做了探討，并提出了系統(tǒng)提高輪齒精度的重要性，其中成形庫的建立尤為重要。林治平等對直齒圓柱齒輪熱精鍛的研究表明，模具設(shè)計(jì)、坯料尺寸、溫度控制等因素是保證齒輪鍛件精度的關(guān)鍵，模具的加工方法、磨損和彈性變形、潤滑與冷卻、能否充分排氣排污都影響著齒形精度。劉華等人通過對精鍛齒輪彈性回復(fù)的理論分析及有限元模擬提出了齒輪彈性回復(fù)時(shí)彈性修正量和彈性修正系數(shù)的概念，并求出了45號鋼在800℃時(shí)成形齒輪的彈性修正系數(shù)值，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在體積成形過程中，在卸載時(shí)工件材料發(fā)生的二次屈服對成形精度也有影響。伍太賓針對摩托車啟動(dòng)主動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，討論了坯料形狀和尺寸對該齒輪的成形難易程度、充填性、內(nèi)齒輪質(zhì)量以及模具壽命的影響，介紹了冷擠壓成形模的結(jié)構(gòu)，指出了模具設(shè)計(jì)、制造時(shí)應(yīng)注意相關(guān)事項(xiàng)。

5．直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)的發(fā)展趨勢

多年來，學(xué)者們對直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)的研究取得了許多成果，在分析國內(nèi)外精鍛技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，筆者以為今后直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)將向以下幾個(gè)方面發(fā)展。

(1)優(yōu)化工藝和模具結(jié)構(gòu)，提高模具的壽命，解決齒輪鍛件的出模問題

為滿足制造工藝的要求，在工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)中，應(yīng)以金屬在精鍛過程中的真實(shí)流動(dòng)規(guī)律和變形力學(xué)特征為基礎(chǔ)，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、坯料形狀尺寸等工藝參數(shù)，選用優(yōu)質(zhì)模具材料，使用合適的鍛壓設(shè)備，提高模具加工精度和使用壽命。另外，直齒圓柱齒輪精鍛沒有拔模斜度，出模困難，需要較大的頂出力才能將鍛件從模具．中頂出。因此，對模具結(jié)構(gòu)和鍛造設(shè)備有較高的要求，如何解決好鍛件出模，也是一個(gè)必須重點(diǎn)解決的問題。

(2)改善精鍛齒輪的質(zhì)量和精度，提高齒輪生產(chǎn)率

齒輪制造工藝的發(fā)展，很大程度上表現(xiàn)在精度等級與生產(chǎn)效率的提高。在今后齒輪的精鍛工藝的提升中，要掌握精鍛過程中的金屬變形流動(dòng)規(guī)律以及各種工藝參數(shù)對工件質(zhì)量的影響，提高產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)格控制模具溫度、鍛造溫度和潤滑條件等工藝因素，減少因模具和鍛件溫度波動(dòng)而造成的鍛件尺寸誤差，使直齒圓柱齒輪精鍛向著凈成形方向發(fā)展。

(3)充分運(yùn)用各種計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)理論，提高直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)開發(fā)的效率

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)學(xué)理論的充分運(yùn)用，提高了齒輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度和加工效率。今后工藝和模具設(shè)計(jì)應(yīng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合起來，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合塑性或彈塑性有限元方法，找出齒輪坯料自由表面和內(nèi)部的金屬流動(dòng)及應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，通過控制金屬的塑性流動(dòng)達(dá)到所需零件的精密成形。使齒輪精鍛技術(shù)的研究向著CAD/CAE/CAM一體化發(fā)展，促進(jìn)直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)的提高以及向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化。