汽车齿轮的精密锻造技术

 　　前言：齿轮精密锻造成形是一种优质、高效、低消耗的先进制造技术，被广泛地用于汽车齿形零件的大批量生产中。随着精密锻造工艺和精密模具制造技术的进步，汽车齿轮和齿形类零件的生产已越来越多地采用精密锻造成形。当前国外一台普通轿车采用的精锻件总质量已达到(40—45)Kg,其中齿形类零件总质量达10Kg以上。精锻成形的齿轮单件质量可达1Kg以上、齿形精度达到(DIN) 7级。随着汽车的轻量化要求和人们环保意识的增强,汽车齿轮制造业将更多地应用精锻成形技术。

一.伞齿轮的精锻成形

1. 伞齿轮(锥齿轮)的热精锻成形

(1)早期的伞齿轮精密锻造

伞齿轮的精密锻造最早见于50年代德国的拜尔工厂，并在蒂森等公司得到广泛的应用(1)。我国上海汽车齿轮厂等在70年代采用热精锻技术，成功进行了伞齿轮的精密锻造生产。在当时社会主义大协作的环境下，伞齿轮的精锻技术很快在齿轮行业得到推广应用。

该技术的应用和发展得益于2项当时先进的技术：模具的放电加工技术和毛坯感应加热技术。先淬火后加工的放电加工避免了模具淬火变形带来的齿廓误差;快速加热的中频感应加热解决了齿轮毛坯在加热过程中的氧化和脱碳问题，以上2项技术的应用使锻造成形的伞齿轮齿面达到无切削加工要求(图1、图2)。


(2)锻造设备

伞齿轮的锻造设备在国外一般使用热模锻压力机。但在60-70年代的中国，热模锻压力机是非常昂贵的设备。因此，国内企业普遍使用的锻造设备是双盘摩擦压力机(图3)。该设备结构简单，价格便宜，很快成为齿轮精锻的主力设备。但摩擦压力机技术陈旧、难以控制打击精度、而且能源利用率较低。随着高能螺旋压力机和电动螺旋压力机的出现(图4)，落后的摩擦压力机有被取代的趋势。



(3)热精锻造工艺

对于大量生产的汽车行星和差速齿轮，成熟的精锻成形技术是号称“一火两锻” 的热精锻工艺技术。即齿轮在热锻成形和切边后利用锻件余热进行热精整。通常的设计原则是将成形模和精整模设计为完全相同的尺寸，使精整模用到接近换模极限时充当成形模使用，使齿轮模具的使用寿命得到最大限度的利用。

当时，齿轮行业的骨干企业已拥有引进的高精度刨齿机，可以刨出较高精度的齿轮电极，但齿轮模腔的加工手段是早期的放电加工机床。这一类放电加工机床加工速度慢、电极损耗大、加工表面质量差。因此，当时的热精锻齿轮精度在9级左右，主要应用于卡车和拖拉机工业。

改革开放初期，随着高精度刨齿机和精密数控电加工机床的引进，模具的制造精度得到成级的提高。伞齿轮的制造精度随之提高到8-9级，达到了卡车和轻型车的使用要求。

2.先进的闭塞锻造技术

(1)成形原理

闭塞锻造是一种先进的无飞边精密成形技术。70年代，国外在闭塞冷锻应用技术得到突破后，很快用于伞齿轮的精密成形。闭塞冷锻成形的齿轮精度相比热精锻成形可提高半级至一级;闭塞冷锻还有无飞边锻造的特征，使材料利用率得到较大提高。在80—90年代，轿车、轻型车和微型车的行星、半轴齿轮已广泛采用闭塞冷锻工艺生产(图5)。



图6所示的伞齿轮大端面具有较厚的连皮。齿端连皮的存在提高了齿轮的抗弯力矩，使轮齿可承受更大的载荷，这样的齿轮用机加工是难以加工出来的。

伞齿轮闭塞冷锻成形原理见图(7)。由图可见，毛坯是在封闭的模腔里，被挤压冲头推入齿轮型腔充填成形。齿轮的成形精度主要决定于型腔的加工精度，并受到模具弹性变形的影响。但在一般精度条件下，模具的弹性变形可忽视不计。


二.园柱齿轮的精密锻造成形

1.园柱齿轮的滚轧成形

早在50年代，国内的教科书和文献资料上就介绍了园柱齿轮的热滚轧和冷滚轧工艺(2)。典型的齿轮滚轧原理如(图8)。按毛坯滚轧温度可分为冷滚轧和热滚轧;按滚轮和齿坯是否强制按一定速比可分为自由滚轧和强制滚轧;按滚轮数量可分为单轮滚轧、双轮滚轧和三轮滚轧和搓齿成形等等。


由于大模数的园柱齿轮很难通过滚轧加工得到较高精度，因此，在园柱齿轮精密锻造方法出现后，人们已很少使用滚轧齿轮的方法。只有在小规格的渐开线花键成形方面，还在大量使用滚轧成形和搓齿成形的方法(图9)。


园柱齿轮的正挤压成形

(1)齿轮和花键的正挤压成形

园柱齿轮的正挤压成形是较早得到应用的齿轮成形工艺。典型零件是汽车起动电机小齿轮，及齿轮正挤压模具结构。图11.是起动齿轮的工艺过程。



由于冷锻过程是金属在高应力下的塑性变形，因此，冷锻成形的起动齿轮组织致密，金属纤维连续,疲劳强度和耐磨性比切削加工的齿轮要高出许多。特别是冷挤成形的起动齿轮结构上一端封闭，为轮齿提供了额外的抗弯强度，最适合于汽车起动机频繁冲击和高载荷工况下工作。

齿轮正挤压成形时，齿形凹模可以用高精度线切割机床加工。当齿形挤压模具采用高速钢材料，模具齿形制造精度达到(DIN)6级，在批量生产条件下，齿轮成形精度稳定达到(DIN) 8—9级。考虑到模具的弹性变形和磨损，在大批量生产时改用硬质合金模具并合理设计冷锻变形率，可使正挤压齿轮的齿形精度进一步达到(DIN)7—7.5级。

成形模的齿形设计要考虑冷锻过程中模具的弹性变形和模具磨损的影响，对模具齿形加以必要的修正。由于在挤压过程中模具曲率大的部分磨损速率大于曲率小的部分，因此，采用标准齿形的齿轮挤压模齿顶处的磨损明显大于齿面和齿根处的磨损。如果对齿形作适当修正，可使模具齿形获得均匀磨损的效果，从而得到较长的模具寿命。

正挤压成形工艺的另一特出优点是模具齿形由数控线切割加工得到，在少齿数齿轮加工时通过编程即可获得理想齿形而不必担心根切。在加工特殊齿形或修正齿形场合，采用数控线切割加工齿形比齿轮的展成加工或仿形加工更方便、更快捷、更正确。

花键冷锻成形是齿轮正挤压成形的一个特例。渐开线花键的成形相当于挤压一个较长的正齿轮，矩形花键的挤压与渐开线花键的挤压相似。从另一方面考虑，小模数正齿轮可采用分割渐开线花键轴的方法来得到。

从70年代起，国内外汽车起动齿轮绝大部分用冷锻方法生产(3)、(4)。某公司用冷挤压工艺生产摩托车花键轴，并用分割渐开线花键轴的方法生产小模数正齿轮。分割的小齿轮主要用于轿车起动电机行星减速系统。

(3)螺旋齿轮的挤压成形

当代，齿轮的挤压成形技术已从正齿轮成形发展到了斜齿园柱齿轮和螺旋花键轴的挤压成形(图12)，齿形精度已接近和达到(DIN)7级，能充分满足大部分汽车齿形零件的要求。冷挤压成形的齿形零件应用已从汽车起动电机、汽车摇窗机等外围部件发展到汽车转向机、汽车变速箱等关键总成上。



螺旋齿轮的挤压成形关键技术是螺旋齿形模具的制作。在使用带数控旋转轴的放电加工设备后，螺旋齿形模具的制造已不太困难。螺旋齿轮挤压能否成功的另一关键是螺旋齿轮的挤压的限制。根据经验，螺旋升角小于27度的齿轮能够顺利挤压成形。对于贯通式挤压，螺旋升角还可以加大。

3.园柱齿轮的的分流锻造

(1)园柱齿轮的闭式冷镦锻成形

对于齿宽较窄和直径较大的园柱齿轮，可用的成形工艺有闭式冷镦锻成形(图14)。


由于齿轮冷镦锻成形时在齿顶的尖角部金属流动条件不好，单用加大锻造力的方法不能有效地改善齿尖部的充填效果。而加大锻造力的负面效应是使模具寿命大幅度下降。锻造应力的加大还使模具弹性变形增加，使锻件的齿形精度下降。由于闭模锻造的特点，当齿坯的下料精度较低时，毛坯体积少量超标就会引起锻造应力的急剧上升，最终造成模具的破损失效。