前言：齒輪精密鍛造成形是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗的先進(jìn)制造技術(shù)，被廣泛地用于汽車齒形零件的大批量生產(chǎn)中。隨著精密鍛造工藝和精密模具制造技術(shù)的進(jìn)步，汽車齒輪和齒形類零件的生產(chǎn)已越來越多地采用精密鍛造成形。當(dāng)前國外一臺(tái)普通轎車采用的精鍛件總質(zhì)量已達(dá)到(40—45)Kg,其中齒形類零件總質(zhì)量達(dá)10Kg以上。精鍛成形的齒輪單件質(zhì)量可達(dá)1Kg以上、齒形精度達(dá)到(DIN) 7級(jí)。隨著汽車的輕量化要求和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),汽車齒輪制造業(yè)將更多地應(yīng)用精鍛成形技術(shù)。

一.傘齒輪的精鍛成形

1. 傘齒輪(錐齒輪)的熱精鍛成形

(1)早期的傘齒輪精密鍛造

傘齒輪的精密鍛造最早見于50年代德國的拜爾工廠，并在蒂森等公司得到廣泛的應(yīng)用(1)。我國上海汽車齒輪廠等在70年代采用熱精鍛技術(shù)，成功進(jìn)行了傘齒輪的精密鍛造生產(chǎn)。在當(dāng)時(shí)社會(huì)主義大協(xié)作的環(huán)境下，傘齒輪的精鍛技術(shù)很快在齒輪行業(yè)得到推廣應(yīng)用。

該技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展得益于2項(xiàng)當(dāng)時(shí)先進(jìn)的技術(shù)：模具的放電加工技術(shù)和毛坯感應(yīng)加熱技術(shù)。先淬火后加工的放電加工避免了模具淬火變形帶來的齒廓誤差;快速加熱的中頻感應(yīng)加熱解決了齒輪毛坯在加熱過程中的氧化和脫碳問題，以上2項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使鍛造成形的傘齒輪齒面達(dá)到無切削加工要求(圖1、圖2)。


(2)鍛造設(shè)備

傘齒輪的鍛造設(shè)備在國外一般使用熱模鍛壓力機(jī)。但在60-70年代的中國，熱模鍛壓力機(jī)是非常昂貴的設(shè)備。因此，國內(nèi)企業(yè)普遍使用的鍛造設(shè)備是雙盤摩擦壓力機(jī)(圖3)。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，很快成為齒輪精鍛的主力設(shè)備。但摩擦壓力機(jī)技術(shù)陳舊、難以控制打擊精度、而且能源利用率較低。隨著高能螺旋壓力機(jī)和電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的出現(xiàn)(圖4)，落后的摩擦壓力機(jī)有被取代的趨勢。



(3)熱精鍛造工藝

對(duì)于大量生產(chǎn)的汽車行星和差速齒輪，成熟的精鍛成形技術(shù)是號(hào)稱“一火兩鍛” 的熱精鍛工藝技術(shù)。即齒輪在熱鍛成形和切邊后利用鍛件余熱進(jìn)行熱精整。通常的設(shè)計(jì)原則是將成形模和精整模設(shè)計(jì)為完全相同的尺寸，使精整模用到接近換模極限時(shí)充當(dāng)成形模使用，使齒輪模具的使用壽命得到最大限度的利用。

當(dāng)時(shí)，齒輪行業(yè)的骨干企業(yè)已擁有引進(jìn)的高精度刨齒機(jī)，可以刨出較高精度的齒輪電極，但齒輪模腔的加工手段是早期的放電加工機(jī)床。這一類放電加工機(jī)床加工速度慢、電極損耗大、加工表面質(zhì)量差。因此，當(dāng)時(shí)的熱精鍛齒輪精度在9級(jí)左右，主要應(yīng)用于卡車和拖拉機(jī)工業(yè)。

改革開放初期，隨著高精度刨齒機(jī)和精密數(shù)控電加工機(jī)床的引進(jìn)，模具的制造精度得到成級(jí)的提高。傘齒輪的制造精度隨之提高到8-9級(jí)，達(dá)到了卡車和輕型車的使用要求。

2.先進(jìn)的閉塞鍛造技術(shù)

(1)成形原理

閉塞鍛造是一種先進(jìn)的無飛邊精密成形技術(shù)。70年代，國外在閉塞冷鍛應(yīng)用技術(shù)得到突破后，很快用于傘齒輪的精密成形。閉塞冷鍛成形的齒輪精度相比熱精鍛成形可提高半級(jí)至一級(jí);閉塞冷鍛還有無飛邊鍛造的特征，使材料利用率得到較大提高。在80—90年代，轎車、輕型車和微型車的行星、半軸齒輪已廣泛采用閉塞冷鍛工藝生產(chǎn)(圖5)。



圖6所示的傘齒輪大端面具有較厚的連皮。齒端連皮的存在提高了齒輪的抗彎力矩，使輪齒可承受更大的載荷，這樣的齒輪用機(jī)加工是難以加工出來的。

傘齒輪閉塞冷鍛成形原理見圖(7)。由圖可見，毛坯是在封閉的模腔里，被擠壓沖頭推入齒輪型腔充填成形。齒輪的成形精度主要決定于型腔的加工精度，并受到模具彈性變形的影響。但在一般精度條件下，模具的彈性變形可忽視不計(jì)。


二.園柱齒輪的精密鍛造成形

1.園柱齒輪的滾軋成形

早在50年代，國內(nèi)的教科書和文獻(xiàn)資料上就介紹了園柱齒輪的熱滾軋和冷滾軋工藝(2)。典型的齒輪滾軋?jiān)砣?圖8)。按毛坯滾軋溫度可分為冷滾軋和熱滾軋;按滾輪和齒坯是否強(qiáng)制按一定速比可分為自由滾軋和強(qiáng)制滾軋;按滾輪數(shù)量可分為單輪滾軋、雙輪滾軋和三輪滾軋和搓齒成形等等。


由于大模數(shù)的園柱齒輪很難通過滾軋加工得到較高精度，因此，在園柱齒輪精密鍛造方法出現(xiàn)后，人們已很少使用滾軋齒輪的方法。只有在小規(guī)格的漸開線花鍵成形方面，還在大量使用滾軋成形和搓齒成形的方法(圖9)。


園柱齒輪的正擠壓成形

(1)齒輪和花鍵的正擠壓成形

園柱齒輪的正擠壓成形是較早得到應(yīng)用的齒輪成形工藝。典型零件是汽車起動(dòng)電機(jī)小齒輪，及齒輪正擠壓模具結(jié)構(gòu)。圖11.是起動(dòng)齒輪的工藝過程。



由于冷鍛過程是金屬在高應(yīng)力下的塑性變形，因此，冷鍛成形的起動(dòng)齒輪組織致密，金屬纖維連續(xù),疲勞強(qiáng)度和耐磨性比切削加工的齒輪要高出許多。特別是冷擠成形的起動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)上一端封閉，為輪齒提供了額外的抗彎強(qiáng)度，最適合于汽車起動(dòng)機(jī)頻繁沖擊和高載荷工況下工作。

齒輪正擠壓成形時(shí)，齒形凹?？梢杂酶呔染€切割機(jī)床加工。當(dāng)齒形擠壓模具采用高速鋼材料，模具齒形制造精度達(dá)到(DIN)6級(jí)，在批量生產(chǎn)條件下，齒輪成形精度穩(wěn)定達(dá)到(DIN) 8—9級(jí)?？紤]到模具的彈性變形和磨損，在大批量生產(chǎn)時(shí)改用硬質(zhì)合金模具并合理設(shè)計(jì)冷鍛變形率，可使正擠壓齒輪的齒形精度進(jìn)一步達(dá)到(DIN)7—7.5級(jí)。

成形模的齒形設(shè)計(jì)要考慮冷鍛過程中模具的彈性變形和模具磨損的影響，對(duì)模具齒形加以必要的修正。由于在擠壓過程中模具曲率大的部分磨損速率大于曲率小的部分，因此，采用標(biāo)準(zhǔn)齒形的齒輪擠壓模齒頂處的磨損明顯大于齒面和齒根處的磨損。如果對(duì)齒形作適當(dāng)修正，可使模具齒形獲得均勻磨損的效果，從而得到較長的模具壽命。

正擠壓成形工藝的另一特出優(yōu)點(diǎn)是模具齒形由數(shù)控線切割加工得到，在少齒數(shù)齒輪加工時(shí)通過編程即可獲得理想齒形而不必?fù)?dān)心根切。在加工特殊齒形或修正齒形場合，采用數(shù)控線切割加工齒形比齒輪的展成加工或仿形加工更方便、更快捷、更正確。

花鍵冷鍛成形是齒輪正擠壓成形的一個(gè)特例。漸開線花鍵的成形相當(dāng)于擠壓一個(gè)較長的正齒輪，矩形花鍵的擠壓與漸開線花鍵的擠壓相似。從另一方面考慮，小模數(shù)正齒輪可采用分割漸開線花鍵軸的方法來得到。

從70年代起，國內(nèi)外汽車起動(dòng)齒輪絕大部分用冷鍛方法生產(chǎn)(3)、(4)。某公司用冷擠壓工藝生產(chǎn)摩托車花鍵軸，并用分割漸開線花鍵軸的方法生產(chǎn)小模數(shù)正齒輪。分割的小齒輪主要用于轎車起動(dòng)電機(jī)行星減速系統(tǒng)。

(3)螺旋齒輪的擠壓成形

當(dāng)代，齒輪的擠壓成形技術(shù)已從正齒輪成形發(fā)展到了斜齒園柱齒輪和螺旋花鍵軸的擠壓成形(圖12)，齒形精度已接近和達(dá)到(DIN)7級(jí)，能充分滿足大部分汽車齒形零件的要求。冷擠壓成形的齒形零件應(yīng)用已從汽車起動(dòng)電機(jī)、汽車搖窗機(jī)等外圍部件發(fā)展到汽車轉(zhuǎn)向機(jī)、汽車變速箱等關(guān)鍵總成上。



螺旋齒輪的擠壓成形關(guān)鍵技術(shù)是螺旋齒形模具的制作。在使用帶數(shù)控旋轉(zhuǎn)軸的放電加工設(shè)備后，螺旋齒形模具的制造已不太困難。螺旋齒輪擠壓能否成功的另一關(guān)鍵是螺旋齒輪的擠壓的限制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，螺旋升角小于27度的齒輪能夠順利擠壓成形。對(duì)于貫通式擠壓，螺旋升角還可以加大。

3.園柱齒輪的的分流鍛造

(1)園柱齒輪的閉式冷鐓鍛成形

對(duì)于齒寬較窄和直徑較大的園柱齒輪，可用的成形工藝有閉式冷鐓鍛成形(圖14)。


由于齒輪冷鐓鍛成形時(shí)在齒頂?shù)募饨遣拷饘倭鲃?dòng)條件不好，單用加大鍛造力的方法不能有效地改善齒尖部的充填效果。而加大鍛造力的負(fù)面效應(yīng)是使模具壽命大幅度下降。鍛造應(yīng)力的加大還使模具彈性變形增加，使鍛件的齒形精度下降。由于閉模鍛造的特點(diǎn)，當(dāng)齒坯的下料精度較低時(shí)，毛坯體積少量超標(biāo)就會(huì)引起鍛造應(yīng)力的急劇上升，最終造成模具的破損失效。