齿轮精密锻造技术.doc

汽车齿轮的精密锻造技术
摘要：本文介绍了精密锻造成形在汽车齿轮制造中的应用,总结了各种齿形精密锻造的关键技术,特别提到分流锻造在齿形成形方面的应用。
关键词：齿轮锻造；精密锻造
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)。

图1.精锻成形的行星和半轴齿轮图2.精锻成形的汽车行星齿轮

（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。

图3.双盘摩擦压力机图4.高能螺旋压力机和电动螺旋压力机

（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5.闭塞冷锻的汽车行星齿轮图6.闭塞冷锻的伞齿轮

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。

图7.伞齿轮闭塞成形原理

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17）。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。

图17.两滚式齿轮滚轧成形
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18）。

图18.冷滚轧或搓齿成形的渐开线花键

2.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