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摘要：研究和试验了圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮和同步齿轮等3 种汽车用齿轮。制造工艺采用温锻加冷处理，用有限元模拟来分析锻造过程和设计模具，从而保证齿轮的精度。经过3 年的研究，已掌握其基本技术，下一步将进行工厂现场试验。
关键词：齿轮；精密锻造；计算机模拟；模具设计与制造
1 引言
齿轮精密锻造在近几十年来有很大的发展，越来越多的制造厂家和用户重视用锻造的方法制造齿轮。普遍认为，用锻造的方法，可以提高材料的利用率，提高生产率，提高齿轮的机械性能，降低成本和增强市场竞争力。尤其对用于汽车工业的大规模生产，齿轮精密锻造具有更大的效益和潜力[1～3 ] 。
尽管齿轮精密锻造有诸多优点，并已用于锥齿轮的规模生产，但距应用于一定尺寸的圆柱直齿轮和斜齿轮的规模生产还有一段距离。特别是应用于汽车动力传动的齿轮，还需要建立一套实用和可靠的生产工艺流程，才能为厂家所接受。
齿轮精密锻造技术源于德国。早在50 年代，由于缺乏足够的齿轮加工机床，德国人开始用闭式热模锻的方法试制锥齿轮。其中的主要特征是使用了当时很新的电火花加工工艺来制造锻模的型腔。另外还对锻造工艺过程进行了严格地控制。在此基础上，齿轮锻造技术进一步应用到螺旋锥齿轮和圆柱齿轮的生产。但是在圆柱齿轮锻造中，由于金属材料的塑性流动方向与其受力方向垂直，所以其齿形比锥齿轮更难形成。60 年代开始圆柱齿轮的锻造研究，70 年代有较大的发展，这主要是受到来自汽车工业降低成本的压力。到80 年代，锻造技术更加成熟，能达到更高的精度和一致性，使锻造生产齿轮能在流水生产线上准确定位，适合于批量生产。
齿轮精密锻造的目的是直接生产出不需要后续切削加工的齿轮。如果能在室温下进行锻造，则齿轮的形状和尺寸较易控制，也可避免高温带来的误差。目前已有较多的锥齿轮和小尺寸的圆柱齿轮用这种方法制成。当整体尺寸适合时，还可以用冷挤压的工艺来制造圆柱直、斜齿轮。但大部分用于汽车传动的齿轮，其直径、高度比较大，不适合采用挤压工艺。如用闭式模锻，则需要很高的压力才能使金属材料流动并充满模具型腔，因而此类齿轮需要采用热锻或温锻工艺。而高温将带来材料的氧化，模具畸变，影响锻件的精度和表面质量。用附加的切削加工来修正这些误差难度较大，还要增加成本。特别是当使用后续磨削工艺来修正齿形上的误差，除增加成本和延长工时外，还存在磨削工艺中齿轮的定位问题。
目前，比较一致认同的工艺途径为热锻、温锻和冷锻的结合。热锻、温锻可实现高效能和材料的高利用率，冷锻过程则修正热、温锻过程的误差和提高表面质量。同时，冷处理工艺还能使轮齿表面获得残余压应力，提高齿轮的寿命。
笔者在伯明翰大学工作期间，所在的机械工程学院刚完成了一项由英国工程科学研究协会(EPSRC) 资助，与英国的7 家企业(齿轮制造，模具制造，齿轮用户，锻造厂以及钢铁公司) 合作的3 年研究课题：圆柱直齿轮和斜齿轮精密锻造。该项目在多年研究和实践的基础上，进一步探讨齿轮锻造的机理，利用现代的分析手段，如计算机模拟和设计技术，旨在开发一种生产和经济上可行的锻造加工技术，制造出在齿形上不再需要后续加工的精密齿轮。该项目研究和试验了圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮和同步齿轮等3 种齿轮。考虑到整个过程的经济性，精密锻造只限于轮廓部分，而齿端和内孔等部分，则采用切削加工。制造工艺为温锻加冷处理，由温锻获得满足形状要求的齿轮，并在轮廓部分留有011mm 左右的余量。在冷处理过程中，把温锻后的齿轮挤压通过一精密设计和制造的模具，从而修正轮廓部分的误差，获得高精度的齿形表面。在研究过程中，有限元方法被用来分析锻造过程，设计模具，从而保证齿轮的精度。经过3 年的研究，已经掌握其基本技术，下一步将进行工厂现场试验。同时正在准备申报该项目的第二阶段研究。
2 温锻工艺
由于项目要求寻求一适合工厂实用的生产途径，该研究选用一高速率、单动单曲柄机械压机。由于锻件被加热，必须考虑材料的热膨胀和冷收缩以及模具的变形，为此采用有限元作精确计算。此外还用有限元对锻造过程模拟，以保证锻件精度。实验表明，在850 ℃～950 ℃之间锻造钢齿轮，误差可控制在0105mm 的范围内。
空心圆柱坯常用于空心轴对称零件或齿轮的锻造。图1 为一用于圆柱直齿轮的闭式模锻的设计。图中右侧显示锻造前的情形，左侧显示锻造后的情形。该模具由上模(冲头) ，下模(反冲头) ，芯棒和具有轮廓的型腔构成(如图所示) 。模具型腔部分由弹簧支承，在锻造过程中，冲头随压机滑块一起向下运动，并带动模具型腔向下运动。由于冲头只需封住型腔上表面，无需压入型腔，因此冲头可作成简单的形状。该设计中冲头为一阶梯圆柱形状。反向冲头在锻造过程中保持静止，在锻造后把齿轮顶出型腔。芯棒此处与冲头连成一体，用来帮助毛坯的定位。由于型腔在锻造过程中与锻件一起运动，型腔与锻件之间的摩擦力将有助于金属流动，所需载荷也比型腔固定时低。 （图片）
图1 圆柱直齿轮的闭式模锻的设计在锻造过程中，模具的基本功能是使零件正确成形。对于此类齿轮锻造的模具设计，文献[4 ，5 ]对此进行了广泛和深入的讨论。由于锻件的种类、设备的限制，模具有多种组合。文献[4 ] 广泛研究了一般精密锻造中模具的结构、模具的设计和设备对锻件精度的影响。
锻件的形状不仅受高温热膨胀的影响，而且与模具的弹性变形有关，后者与载荷和径向压力有关。在齿轮锻造中，轮齿的角部最后形成。正是在此最后填充阶段，载荷急剧上升。文献[ 6 ] 的例子显示，冲头最后的013mm 的冲程(112 %的总变形)会导致增加50 %的载荷。可以从模具设计上加以考虑来减小载荷。比如引入倒角可使金属易于流入轮齿的上下角部；由此带来的端部余量可在后续切削工序中容易地去掉。这样一来，模具的畸变减小，寿命延长，锻件精度提高。对本文涉及的关于圆柱直齿轮的例子，文献[5 ] 详细分析了几种可能的模具设计方案：如把模具型腔固定，对冲头和冲头倒角，并用有限元分析了各种情形下金属的流动、轮齿的形成和锻造载荷的变化。文中还讨论了磨擦在各种条件下对变形和载荷的影响。
图2 为一按图1 所示设计制造的模具，装配在伯明翰大学机械工程学院的一台1200t 的机械压力机上。上下模具的相对定位是通过两套筒实现的。通过实践，证实高效率的锻造是可行的。采用同一模架，对模具型腔作些修改，还完成了圆柱直齿轮和斜齿轮以及复合齿轮的锻造。（图片）
图2 齿轮锻造模具图3 所示为在此设备上温锻的圆柱直齿轮、斜齿轮和同步齿轮。温锻过程中，坯料加热到900 ℃，模具加热到200 ℃，并用水基石墨作润滑剂。图4为温锻后圆柱直齿轮的测量结果，可以看出，该齿轮齿形规则一致，轮廓留有0108mm～011mm 的余量，以便在后续冷处理过程中加以修正。由于温度控制在900 ℃左右，轮齿的表面质量也较高，Ra 为3μm 左右。（图片）
图3 温锻圆柱直齿轮、斜齿轮和同步齿轮（图片）
图4 圆柱直齿轮的测量结果图3 冷处理工艺
热、温锻工艺作为齿轮精密锻造的第一阶段，相对而言比较容易控制，因为锻造齿轮有一定余量可以调节。而冷成形工艺则需要相当高的精度。当把锻造齿轮挤过冷成形模具后，形状应该达到最后要求，无需再加工。对轮齿而言，轮廓的精度要求在10μm 左右，对模具的设计提出非常高的要求。
在齿轮冷成形(精整) 工艺中，齿轮被逐渐挤过冷成形模具，模具的内应力和变形与齿轮的位置有关。特别是径向压力的变化将决定模具的变形，如能设计适当的模具形状，模具的变形可以被加以利用。比如，当齿轮在模具入口和出口处，模具的受力相对小些，因此变形也相对小些。当齿轮在模具中部时，模具的变形就相对大些。该特征有可能被利用来获得具有鼓形的轮齿。文献[6 ] 用角度的空心圆柱形零件对鼓形成作了理论分析和实验研究。
有限元法被用于齿轮冷成形(精整) 工艺，分析模具的变形、齿轮的变形和回弹。考虑了锻造齿轮的余量、模具形状、尺寸和结构对最终产品的影响。图5 为一用于分析圆柱直齿轮冷成形过程的有限模型。冲头的变形对齿轮的形状影响不大，所以在有限元模型中可处理为刚性体。而模具型腔的变形则直接影响轮廓的形状和尺寸，因此模具按变形体模拟。冷处理过程中，只有轮齿表面发生塑性变形，轮齿内部和轮齿的大部分区域处于弹性变形状态。弹性回复的比例很大，必须用弹塑性材料模型才能预计轮廓的最后形状。（图片）
图5 分析圆柱直齿轮冷成形的有限元模型图6 为一用于圆柱直齿轮冷成形的模具。冲头与芯棒作为一体，装在压机的上滑块上。芯棒与锻造齿轮孔之间有微小间隙，它不用来定位，只用来帮助导向。因为在锻造过程中，只保证轮齿的精度而不能保证内孔的精度。齿轮进入模具型腔也是靠模具的倒角导入。（图片）
图6 用于圆柱直齿轮冷成性的模具如果要用于斜齿轮的精整，齿轮在挤入过程中会转动。需在冲头于压机之间装配一滚动轴承，使冲头能随之转动。另外在挤压斜齿轮时，轮齿两侧受力不对称，变形也不相同，可把该齿轮反向再挤一次。事实上，直齿轮也可用两次处理，这样不但轮齿形状较好，而且表面的残余应力状态也比一次挤压效果好。经过实验，单次挤压可获得20MPa～50MPa 的残余压应力，两次处理可使残余压应力达到100MPa 左右[8 ] 。
图7 为一圆柱直齿轮冷成形的分析和实验结果。用坐标测量机对冷挤齿轮的轮廓进行测量，并与有限元预测的结果相比较。图中显示了锻造齿轮、模具、实测的精整齿轮以及有限元计算的轮廓。可以看出，理论分析与实际测量吻合较好。从分析可准确估计轮廓的回弹量，从而精确地设计模具的尺寸和形状。（图片）
图7 圆柱直齿轮冷成性的分析和实验结果冷成形的另一优点是改善轮齿的表面质量，实验表明，其光洁度达到Ra = 1μm 以下，满足轮齿加工的要求[8 ] 。
4 模具制造与齿轮的测量
冷成形模具的精度是齿轮精密锻造技术的关键。目前的分析手段已经发展到一定水平，可以考虑多种影响因素，精确地设计模具。但要制造出高精度的模具，还有很多困难，尤其是齿轮精锻模的轮齿，更难加工。因为要补偿齿轮的弹性回复和模具的弹性变形，模具的齿轮轮廓不再是标准的渐开线。因此，为模具厂家提供的数据不是齿轮的标准参数，而是描述轮廓的数据坐标，通常要求精度在5μm 以内。对直齿轮的模具，可用线切割加工；但对斜齿轮的模具，则需用电解加工。线切割加工可接近5μm 的精度，但这超过了一般电解加工的精度。再用磨削工艺来提高精度，必须注意到其轮廓不是标准齿轮。在本文提到的研究课题中，模具的制造就经过了两次以上的加工和修正。
齿轮精密锻造技术的另一关键是测量，包括模具和齿轮的测量。由于模具的轮齿为非标准齿轮，不能用一标准齿轮来作比较进行测量，也存在模数和其他参数的误差。
测量锻造齿轮的关键困难是其缺乏精确的基准。用常规方法切削加工齿轮，其内孔同时作为轮齿加工和测量的基准。但用锻造方法获得的齿轮内孔的精度有限，不能作为测量的基准。事实上只有轮齿才有精密的特性。因此，如果用标准的齿轮测量设备来测量锻造齿轮，很难避免定位误差。常有这样一种情况，轮廓能精确测量并满足精度要求，但很难确定其精度等级。
5 结果和讨论
经过多年在齿轮锻造方面的经验积累和近来用温锻加冷处理的实验，有如下体会:
1) 一套通用的模具可用于多种齿轮的精密锻造，并证明在单动单曲柄压机上行之有效；
2) 有成熟的设计方法保证齿轮热、温锻的精度和一致性，比如让轮廓尺寸具有011mm～012mm的冷加工余量；
3) 可用现代手段详细地分析冷成形(精整) 的过程，考虑多种影响因素，包括材料、几何形状及尺寸，模具的变形和润滑等等，从而精确地设计模具；
4) 热、温锻齿轮经过冷成形处理，可达到ISO6～5 的精度；
5) 在模具加工和模具及齿轮测量方面还有大量的工作要做。
致谢
文中引用的结果主要来源于伯明翰大学一项由英国工程科学研究协会( EPSRC) 与英国的7 家企业资助的3 年合作课题。作者在此感谢伯明翰大学的Dean 教授和蔡静博士为此课题所做的工作。
8/4/2007
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