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摘要：研究和試驗了圓柱直齒輪、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計模具，從而保證齒輪的精度。經過3 年的研究，已掌握其基本技術，下一步將進行工廠現場試驗。
關鍵詞：齒輪；精密鍛造；計算機模擬；模具設計與制造

1 引言

齒輪精密鍛造在近幾十年來有很大的發展，越來越多的制造廠家和用戶重視用鍛造的方法制造齒輪。普遍認為，用鍛造的方法，可以提高材料的利用率，提高生產率，提高齒輪的機械性能，降低成本和增強市場競爭力。尤其對用于汽車工業的大規模生產，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點，并已用于錐齒輪的規模生產，但距應用于一定尺寸的圓柱直齒輪和斜齒輪的規模生產還有一段距離。特別是應用于汽車動力傳動的齒輪，還需要建立一套實用和可靠的生產工藝流程，才能為廠家所接受。

齒輪精密鍛造技術源于德國。早在50 年代，由于缺乏足夠的齒輪加工機床，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時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行了嚴格地控制。在此基礎上，齒輪鍛造技術進一步應用到螺旋錐齒輪和圓柱齒輪的生產。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 年代有較大的發展，這主要是受到來自汽車工業降低成本的壓力。到80 年代，鍛造技術更加成熟，能達到更高的精度和一致性，使鍛造生產齒輪能在流水生產線上準確定位，適合于批量生產。

齒輪精密鍛造的目的是直接生產出不需要后續切削加工的齒輪。如果能在室溫下進行鍛造，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。當整體尺寸適合時，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。特別是當使用后續磨削工藝來修正齒形上的誤差，除增加成本和延長工時外，還存在磨削工藝中齒輪的定位問題。

目前，比較一致認同的工藝途徑為熱鍛、溫鍛和冷鍛的結合。熱鍛、溫鍛可實現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量。同時，冷處理工藝還能使輪齒表面獲得殘余壓應力，提高齒輪的壽命。

筆者在伯明翰大學工作期間，所在的機械工程學院剛完成了一項由英國工程科學研究協會(EPSRC) 資助，與英國的7 家企業(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。該項目在多年研究和實踐的基礎上，進一步探討齒輪鍛造的機理，利用現代的分析手段，如計算機模擬和設計技術，旨在開發一種生產和經濟上可行的鍛造加工技術，制造出在齒形上不再需要后續加工的精密齒輪。該項目研究和試驗了圓柱直齒輪、圓柱斜齒輪和同步齒輪等3 種齒輪。考慮到整個過程的經濟性，精密鍛造只限于輪廓部分，而齒端和內孔等部分，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計和制造的模具，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，設計模具，從而保證齒輪的精度。經過3 年的研究，已經掌握其基本技術，下一步將進行工廠現場試驗。同時正在準備申報該項目的第二階段研究。

2 溫鍛工藝

由于項目要求尋求一適合工廠實用的生產途徑，該研究選用一高速率、單動單曲柄機械壓機。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算。此外還用有限元對鍛造過程模擬，以保證鍛件精度。實驗表明，在850 ℃～950 ℃之間鍛造鋼齒輪，誤差可控制在0105mm 的范圍內。

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計。圖中右側顯示鍛造前的情形，左側顯示鍛造后的情形。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，沖頭隨壓機滑塊一起向下運動，并帶動模具型腔向下運動。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。該設計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低。

圖1 圓柱直齒輪的閉式模鍛的設計

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計，文獻[4 ，5 ]對此進行了廣泛和深入的討論。由于鍛件的種類、設備的限制，模具有多種組合。文獻[4 ] 廣泛研究了一般精密鍛造中模具的結構、模具的設計和設備對鍛件精度的影響。

鍛件的形狀不僅受高溫熱膨脹的影響，而且與模具的彈性變形有關，后者與載荷和徑向壓力有關。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[ 6 ] 的例子顯示，沖頭最后的013mm 的沖程(112 %的總變形)會導致增加50 %的載荷。可以從模具設計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。對本文涉及的關于圓柱直齒輪的例子，文獻[5 ] 詳細分析了幾種可能的模具設計方案：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 所示設計制造的模具，裝配在伯明翰大學機械工程學院的一臺1200t 的機械壓力機上。上下模具的相對定位是通過兩套筒實現的。通過實踐，證實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合齒輪的鍛造。

圖2 齒輪鍛造模具

圖3 所示為在此設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果，可以看出，該齒輪齒形規則一致，輪廓留有0108mm～011mm 的余量，以便在后續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，因為鍛造齒輪有一定余量可以調節。而冷成形工藝則需要相當高的精度。當把鍛造齒輪擠過冷成形模具后，形狀應該達到最后要求，無需再加工。對輪齒而言，輪廓的精度要求在10μm 左右，對模具的設計提出非常高的要求。

在齒輪冷成形(精整) 工藝中，齒輪被逐漸擠過冷成形模具，模具的內應力和變形與齒輪的位置有關。特別是徑向壓力的變化將決定模具的變形，如能設計適當的模具形狀，模具的變形可以被加以利用。比如，當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。當齒輪在模具中部時，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[6 ] 用角度的空心圓柱形零件對鼓形成作了理論分析和實驗研究。

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、尺寸和結構對最終產品的影響。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，只有輪齒表面發生塑性變形，輪齒內部和輪齒的大部分區域處于彈性變形狀態。彈性回復的比例很大，必須用彈塑性材料模型才能預計輪廓的最后形狀。

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，只用來幫助導向。因為在鍛造過程中，只保證輪齒的精度而不能保證內孔的精度。齒輪進入模具型腔也是靠模具的倒角導入。

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動。需在沖頭于壓機之間裝配一滾動軸承，使沖頭能隨之轉動。另外在擠壓斜齒輪時，輪齒兩側受力不對稱，變形也不相同，可把該齒輪反向再擠一次。事實上，直齒輪也可用兩次處理，這樣不但輪齒形狀較好，而且表面的殘余應力狀態也比一次擠壓效果好。經過實驗，單次擠壓可獲得20MPa～50MPa 的殘余壓應力，兩次處理可使殘余壓應力達到100MPa 左右[8 ] 。

圖7 為一圓柱直齒輪冷成形的分析和實驗結果。用坐標測量機對冷擠齒輪的輪廓進行測量，并與有限元預測的結果相比較。圖中顯示了鍛造齒輪、模具、實測的精整齒輪以及有限元計算的輪廓。可以看出，理論分析與實際測量吻合較好。從分析可準確估計輪廓的回彈量，從而精確地設計模具的尺寸和形狀。

圖7 圓柱直齒輪冷成性的分析和實驗結果

冷成形的另一優點是改善輪齒的表面質量，實驗表明，其光潔度達到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的關鍵。目前的分析手段已經發展到一定水平，可以考慮多種影響因素，精確地設計模具。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。因為要補償齒輪的彈性回復和模具的彈性變形，模具的齒輪輪廓不再是標準的漸開線。因此，為模具廠家提供的數據不是齒輪的標準參數，而是描述輪廓的數據坐標，通常要求精度在5μm 以內。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準齒輪。在本文提到的研究課題中，模具的制造就經過了兩次以上的加工和修正。

齒輪精密鍛造技術的另一關鍵是測量，包括模具和齒輪的測量。由于模具的輪齒為非標準齒輪，不能用一標準齒輪來作比較進行測量，也存在模數和其他參數的誤差。

測量鍛造齒輪的關鍵困難是其缺乏精確的基準。用常規方法切削加工齒輪，其內孔同時作為輪齒加工和測量的基準。但用鍛造方法獲得的齒輪內孔的精度有限，不能作為測量的基準。事實上只有輪齒才有精密的特性。因此，如果用標準的齒輪測量設備來測量鍛造齒輪，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 結果和討論

經過多年在齒輪鍛造方面的經驗積累和近來用溫鍛加冷處理的實驗，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上行之有效；
2) 有成熟的設計方法保證齒輪熱、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) 可用現代手段詳細地分析冷成形(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，從而精確地設計模具；
4) 熱、溫鍛齒輪經過冷成形處理，可達到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
文中引用的結果主要來源于伯明翰大學一項由英國工程科學研究協會( EPSRC) 與英國的7 家企業資助的3 年合作課題。作者在此感謝伯明翰大學的Dean 教授和蔡靜博士為此課題所做的工作。