齒輪精鍛技術(shù)及裝備

文/金俊松，王新云，夏巨諶，鄧?yán)凇とA中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

齒輪精鍛技術(shù)及裝備

文/金俊松，王新云，夏巨諶，鄧?yán)凇とA中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有體積小、重里輕、速比范圍大、傳動(dòng)效率高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn).具有恒功率傳動(dòng)的特點(diǎn).比皮帶傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)等傳動(dòng)方式的傳動(dòng)精度高。廣泛用于汽車、拖拉機(jī)、鐵路機(jī)車、冶金、礦山、起重運(yùn)輸、機(jī)床、航空航天、通用機(jī)械等設(shè)備和機(jī)器上。

以汽車為例.每輛汽車使用的各種齒輪約有40余件.其中差速器使用的不同型號(hào)的行星齒輪和半軸齒輪3對(duì)共6件。2013年我國(guó)汽車產(chǎn)銷里均為2200萬(wàn)輛左右.僅圓錐齒輪就需要1.32億件.若將所需的各種齒輪相加.則達(dá)到8.8億件。因此.除標(biāo)準(zhǔn)件和軸承行業(yè)外.齒輪行業(yè)應(yīng)該是我國(guó)最大的零部件行業(yè)之一。

隨著中國(guó)機(jī)械工業(yè)的崛起.汽車行業(yè)的發(fā)展日益壯大.在國(guó)家大力推行節(jié)能節(jié)材及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力下.越來(lái)越多的齒輪企業(yè)由精密塑性成形工藝取代切削加工.因而對(duì)齒輪精鍛技術(shù)的需求愈來(lái)愈大.要求也愈來(lái)愈高。

華中科技大學(xué)與江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司、東風(fēng)汽車精工齒輪廠、陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司、青島三星精鍛齒輪有限公司、黃石華力鍛壓機(jī)床有限公司、武漢新威奇科技有限公司等多家齒輪與設(shè)備專業(yè)廠家.經(jīng)過(guò)十余年產(chǎn)、學(xué)、研緊密合作與不懈努力.在齒輪精鍛工藝與裝備方面取得了豐碩的成果.并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

齒輪精鍛工藝的分類

齒輪冷精鍛

齒輪冷精鍛是在室溫下將坯料直接鍛造出齒形。冷精鍛齒輪金相晶粒細(xì)化、組織致密、金屬流線完整、表面硬度高.機(jī)械力學(xué)性能優(yōu)異.抗拉強(qiáng)度與抗疲勞強(qiáng)度分別提高25%與40%；因?yàn)殄懬安恍枰獙?duì)毛坯加熱.因此有效地克服了氧化問(wèn)題.雖然在劇烈變形過(guò)程中.塑性變形產(chǎn)生的熱里可使鍛件溫度升高到200℃以上.但是對(duì)表面質(zhì)里和尺寸精度幾乎沒(méi)有影響.因而冷精鍛齒輪制造精度高.其尺寸精度可以高于IT7級(jí).表面粗糙度可以控制在0.2～0.8μm之間。但冷精鍛變形抗力大.金屬流動(dòng)困難.鍛件不易充滿模腔.對(duì)模具要求高.所需設(shè)備噸位大。通常適用于小模數(shù)（m≤3）.最大輪廓尺寸小于80mm的齒輪的鍛造。

齒輪溫精鍛

溫精鍛是將金屬坯料加熱到室溫以上再結(jié)晶溫度以下某個(gè)合適的范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造.對(duì)于黑色金屬.其成形溫度一般介于600～800℃之間。溫鍛精密成形技術(shù)既突破冷鍛成形中變形抗力大、零件形狀不能太復(fù)雜、需增加中間熱處理和表面處理工步的局限性.又克服了熱鍛中因強(qiáng)烈氧化作用而降低表面質(zhì)里和尺寸精度的問(wèn)題。它同時(shí)具有冷鍛和熱鍛的優(yōu)點(diǎn).減少了模具和壓力機(jī)的載荷.改善了金屬流動(dòng)的條件.提高了材料的塑性.無(wú)需鍛前退火。溫鍛較熱鍛可獲得更高精度的鍛件.鍛件表面質(zhì)里好.材料利用率較高.在性能上優(yōu)于熱鍛齒輪.它不但組織細(xì)密.而且在后續(xù)處理中熱變形小.齒面粗糙度較低.齒形精度較高.其性能接近冷鍛齒輪。但溫鍛工藝需要高精度專門的設(shè)備.而且對(duì)模具結(jié)構(gòu)和模具材料有較高的要求.適合于大批里生產(chǎn)的鍛件。

齒輪熱精鍛

將坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行精密鍛造為熱精鍛。由于材料在再結(jié)晶溫度以上具有非常好的塑性和流動(dòng)性.所以熱精鍛幾乎適用所有的鋼種并能生產(chǎn)各種形狀的零件。其缺點(diǎn)是加工過(guò)程中氧化反應(yīng)強(qiáng)烈.鍛件表面性能差.導(dǎo)致尺寸公差大.后續(xù)的機(jī)加工余里較大。

齒輪復(fù)合精鍛

由于直齒錐齒輪溫/熱鍛成形的尺寸精度比冷鍛差.結(jié)合溫/熱鍛與冷鍛的優(yōu)點(diǎn).采用溫/熱鍛作為精鍛齒輪成形的預(yù)成形.終鍛采用冷鍛成形.以獲得精度和表面光潔度更高的精鍛齒輪。但該方法需要在溫/熱鍛與冷精鍛工序之間增加正火或退火以及表面處理等工序。

典型的齒輪成形工藝

直錐齒輪精鍛工藝

⑴直錐齒輪閉式冷精鍛工藝.其工藝流程為下料→退火→表面處理→閉式冷精鍛。其中下料包括剝皮、鋸切、倒角等；退火主要為球化退火至HB140左右.通常采用少無(wú)氧化退火；表面處理包括清理退火時(shí)產(chǎn)生的少里氧化皮及進(jìn)行潤(rùn)滑處理。

其冷精鍛工藝原理如圖1所示.首先將經(jīng)過(guò)軟化和表面處理的坯料放入下凹模（圖a）.然后.上凹模1壓下與下凹模合攏并通過(guò)壓力F1使其充分壓緊.上凹模壓下時(shí)可使坯料產(chǎn)生一定的變形.或坯料上端進(jìn)入其料筒.接著上沖頭和上凹模及下凹模一同下行.下沖頭對(duì)坯料施加作用力F3使其變形充滿封閉的凹模模膛（圖b）.模鍛結(jié)束后.首先上沖頭和上凹模回程.接著下沖頭在F3作用下向上行程.將鍛件從下凹模頂出。從而在一道變形工序中獲得圓錐齒輪精密鍛件。圖2所示為某錐齒輪冷精鍛毛坯與鍛件。

圖1 閉式模鍛成形原理

圖2 某齒輪冷精鍛毛坯與鍛件

⑵直錐齒輪溫/熱精鍛工藝.直錐齒輪溫/熱精鍛工藝流程為下料→加熱→精密模鍛。

直錐齒輪溫/熱精鍛通常由兩至三工步完成。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的錐齒輪.采用鐓粗去氧化皮后終鍛成形；對(duì)于形狀復(fù)雜的錐齒輪.如一些除有齒形外還有其他復(fù)雜形狀要求的鍛件.通常采用鐓粗、預(yù)鍛成形和終鍛成形。與閉式冷精鍛不同.齒輪溫/熱精鍛一般采用的是小飛邊模鍛。通常盡可能將齒形凹模置于上模.以便減少與鍛件的接觸時(shí)間.避免模具溫升.提高模具使用壽命.同時(shí)便于型腔的清理.避免殘?jiān)鼘?duì)齒形成形的影響。其成形原理與常規(guī)的開式模鍛相同.只是飛邊相對(duì)較薄.如圖3所示。圖4為某齒輪溫精鍛鍛件。

圖3 小飛邊模鍛成形原理

圖4 某齒輪溫精鍛鍛件

⑶直錐齒輪溫/熱-冷復(fù)合精鍛工藝.其工藝流程為下料→加熱→精密溫/熱模鍛→表面清理→熱處理→表面處理→冷精整。其中表面清理主要是清理表面氧化皮；熱處理主要是進(jìn)行正火或者退火處理；表面處理主要是表面清洗以及涂潤(rùn)滑劑.由于冷精整時(shí)變形里相對(duì)較小.潤(rùn)滑層比冷精鍛薄。

在該工藝中.溫/熱鍛與直錐齒輪溫/熱精鍛一樣.但是在鍛件設(shè)計(jì)上不同。通常將齒厚加厚.而將齒高降低。冷精整模具則完全按照最終產(chǎn)品的齒形進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工.其結(jié)構(gòu)和溫/熱鍛的模具結(jié)構(gòu)相同。在冷精整過(guò)程中.預(yù)成形的齒形被擠入齒形凹模發(fā)生較小的塑性變形而獲得最終的齒形尺寸和表面光潔度。圖5所示為某齒輪精鍛毛坯、溫鍛件與冷精整件。

圖5 某齒輪精鍛毛坯、溫鍛件與冷精整件

圓柱齒輪精鍛工藝

⑴圓柱齒輪復(fù)動(dòng)冷擠壓成形工藝.其工藝流程為下料→制坯→退火→表面處理→冷擠壓。如果原材料為棒料.則下料后需沖中心孔.如果是管料則直接下料.無(wú)需制坯。表面處理主要是表面潤(rùn)滑處理.如磷皂化。

圖6是基于芯軸交換的圓柱齒輪冷擠壓成形過(guò)程。圖6a表示上下模閉合；圖6b表示上下模一起相對(duì)于下模頂料桿與上、下模芯軸作向下運(yùn)動(dòng).毛坯在頂料桿的作用下完成預(yù)成形；圖6c為芯軸交換.由于毛坯預(yù)成形已經(jīng)完成.上、下模已經(jīng)停止了運(yùn)動(dòng).下芯軸開始向上運(yùn)動(dòng).將上芯軸從預(yù)成形毛坯中頂出.完成芯軸交換；圖6d表示終成形的過(guò)程.即芯軸交換完成后.上模再次向下運(yùn)動(dòng).由于通過(guò)芯軸交換預(yù)成形毛坯內(nèi)原來(lái)比較粗的芯軸已經(jīng)換成了較細(xì)的芯軸.模具型腔內(nèi)存在空間.因此能再次作徑向擠壓.完成終成形。

圖6 復(fù)動(dòng)擠壓成形過(guò)程意圖

⑵圓柱齒輪正擠壓成形工藝.其流程為下料→退火→表面處理→冷正擠壓。

圓柱齒輪正擠壓成形過(guò)程與常規(guī)正擠壓相同.如圖7所示.其變形過(guò)程大致分為圓錐部分成形階段和齒形部分成形階段兩個(gè)階段。圓錐部分成形階段變形程度逐步增大.凸模受到的單位壓力也逐步增大。齒形部分成形階段為穩(wěn)定變形過(guò)程.齒形開始成形到成形結(jié)束.斷面減縮率保持不變.凸模所受平均成形力也基本保持不變。圖8為某直齒圓柱齒輪正擠壓鍛件。

圖7 圓柱齒輪正擠壓成形過(guò)程

⑶圓柱齒輪熱鍛成形工藝.其工藝流程為下料→加熱→閉式熱精鍛。

圓柱齒輪熱鍛成形原理為工作時(shí)將熱鍛坯放入凹模內(nèi).上模下行.先與凹模上端面閉合.形成封閉的模腔。隨著上模繼續(xù)下行.浮動(dòng)凹模向下移動(dòng).使封閉模腔高度變小.鍛坯被鐓粗徑向擠壓直至充滿模腔。然后上模上行.浮動(dòng)模上浮至其上限位置.頂出系統(tǒng)推動(dòng)下頂桿將精鍛件頂出凹模.如圖9所示。

圖8 圓柱齒輪正擠壓鍛件

圖9 齒輪熱精鍛

⑷圓柱齒輪浮動(dòng)凹模擠壓成形工藝.其工藝流程為下料→加熱→閉式擠壓。

圓柱齒輪浮動(dòng)凹模擠壓成形原理如圖10所示.上凸模和下凸模都帶有外齒形.凹模沿軸向自由浮動(dòng).其運(yùn)動(dòng)速度由坯料與凹模接觸面上的軸向摩擦力來(lái)確定。接觸面上的軸向摩擦力的分布相對(duì)于鍛件高度方向的中面是上下對(duì)稱的.軸向摩擦同時(shí)利于上、下齒腔角隙部位的充填。該方案所示模具結(jié)構(gòu)在單動(dòng)或雙動(dòng)壓力機(jī)上均可使用。圖11為某直齒圓柱齒輪浮動(dòng)凹模及鍛件。

圖10 圓柱齒輪浮動(dòng)凹模成形

圖11 浮動(dòng)凹模與鍛件

⑸圓柱齒輪的熱鍛-冷推擠復(fù)合成形工藝。

對(duì)于齒寬較寬且模數(shù)較大的齒輪通常采用溫/熱精鍛成形.然后采用推擠成形提高其尺寸精度和降低表面粗糙度。圓柱齒輪溫/熱鍛-冷推擠復(fù)合成形工藝流程為下料→加熱→精密溫/熱模鍛→表面清理→熱處理→表面處理→冷推擠。

在該工藝中.溫/熱鍛過(guò)程與圓柱齒輪浮動(dòng)凹模擠壓成形工藝相同.但是鍛件設(shè)計(jì)上通常將齒厚加厚.冷推擠過(guò)程如圖12所示。凹模帶內(nèi)齒.齒的上端有導(dǎo)入角。精鍛成形的齒輪鍛件經(jīng)過(guò)退火和表面清理.齒面涂潤(rùn)滑劑.然后將其放在凹模上.工件齒輪與凹模齒間對(duì)正。沖頭在工件上施擠壓力.推著工件進(jìn)入模腔中貫通而過(guò)。工件齒面因有多余金屬而受到模具齒面擠壓.多余金屬被擠至齒端.從而實(shí)現(xiàn)工件齒面的推擠精整。

圖12 冷推擠原理

齒圈精鍛成形工藝

⑴齒圈閉式冷擠壓成形工藝.其工藝流程為下料→退火→表面處理→閉式冷擠壓。

圖13是將環(huán)形坯料置于凹模中.帶齒形和芯棒的沖頭穿過(guò)坯料與凹模形成封閉型腔.然后擠壓坯料.迫使坯料充滿型腔。圖14是采用冷擠壓成形的某齒圈。

圖13 齒圈閉式冷擠壓成形

圖14 采用冷擠壓成形的某齒圈

⑵齒圈的熱精鍛工藝.其成形過(guò)程如圖15所示。

圖15 齒圈熱擠壓法成形過(guò)程

成形過(guò)程中.利用沖頭的錐角.在坯料內(nèi)徑處產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力.使坯料產(chǎn)生徑向變形而形成鍵槽.并且隨著沖頭的不斷下降.使齒形部分依靠脹形而初步成形.最后當(dāng)沖頭平臺(tái)和坯料接觸時(shí).才開始?jí)嚎s坯料保證齒形棱角部分能夠被較好地充滿。

結(jié)合齒輪熱精鍛-冷精整復(fù)合成形

結(jié)合齒是變速器內(nèi)應(yīng)用最多的齒輪.其成形精度高.鍛件形狀復(fù)雜。該齒輪通常采用熱精鍛-冷精整復(fù)合成形工藝。熱精鍛包括鐓粗、預(yù)成形、終成形；冷精整通常包括冷整形與冷倒錐兩步。目前全世界只有德國(guó)、日本和中國(guó)等幾個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)其精鍛成形。華中科技大學(xué)與江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司合作.研制成結(jié)合齒輪的中空分流熱精鍛冷精整復(fù)合成形工藝.并實(shí)現(xiàn)了批里生產(chǎn)。圖16為某結(jié)合齒輪精鍛件。

圖16 某結(jié)合齒輪精鍛件

齒輪精鍛設(shè)備

多連桿（肘桿）傳動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)

冷精鍛時(shí).由于材料變形抗力大.適合于在較低的變形速度下成形。材料的變形速度限制了鍛壓的生產(chǎn)速度.多連桿壓力機(jī)克服了這一局限。它在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上采取降低滑塊工作行程速度、提高滑塊空行程速度的措施.實(shí)現(xiàn)了提高生產(chǎn)效率的目的。與普通壓力機(jī)相比.同樣行程的多連桿壓力機(jī)即使以比普通壓力機(jī)更高的速度運(yùn)行.模具沖擊工件的速度與普通壓力機(jī)相比幾乎沒(méi)有區(qū)別。目前生產(chǎn)多連桿（肘桿式）壓力機(jī)的代表有日本會(huì)田公司、德國(guó)舒勒公司等。

圖17 新型精鍛液壓機(jī)

精鍛液壓機(jī)

由于冷精鍛時(shí)材料變形抗力大.適合于在較低的變形速度下成形。液壓機(jī)能較好地適應(yīng)其工藝要求。

華中科技大學(xué)同湖北三環(huán)鍛壓共同研發(fā)出新型單動(dòng)、雙動(dòng)、三動(dòng)、多向和多工位數(shù)控精鍛液壓機(jī).如圖17所示。這些壓機(jī)將肘桿式機(jī)械壓力機(jī)的高剛度框架機(jī)身、加長(zhǎng)滑塊及精密導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與快速空程、慢速壓制的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合.成為可實(shí)現(xiàn)快慢轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確控制的新型精鍛壓力機(jī).滿足了精鍛生產(chǎn)的要求。

新型數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)

經(jīng)過(guò)多年的努力.華中科技大學(xué)與新威奇公司成功研制出新型數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)（圖18）.并開發(fā)出J58K-1600～25000kN系列產(chǎn)品.其性能達(dá)到德國(guó)同類壓力機(jī)的水平.而價(jià)格僅為德國(guó)的1/4.極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。其基本原理是電機(jī)經(jīng)齒輪驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn).進(jìn)而帶動(dòng)滑塊作上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng).實(shí)現(xiàn)鍛擊功能。該系列電動(dòng)螺旋壓力機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

⑴導(dǎo)向精度高.打擊能里可精確控制.有利于提高模具壽命.適合于精密鍛造。

⑵滑塊靜止時(shí).電機(jī)不工作.電耗低；采用了飛輪能里回收裝置.進(jìn)一步降低電耗。

⑶采用現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù).不會(huì)對(duì)工廠電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊和影響其他設(shè)備運(yùn)行。

⑷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.故障率低.使用維護(hù)方便。

⑸有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖18 新型數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展.我國(guó)在齒輪精鍛領(lǐng)域包括精鍛工藝、精鍛設(shè)備等方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步.但整體水平相對(duì)于國(guó)際先進(jìn)水平仍有較大差距.目前只有少數(shù)廠家接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.要在齒輪精鍛領(lǐng)域達(dá)到更高水平.躋身世界前列.成為齒輪制造強(qiáng)國(guó).仍需要堅(jiān)持不懈的努力。

金俊松.講師.主要從事精密塑性成形工藝、模具設(shè)計(jì)及CAD/CAE模擬的研究的工作.主持國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后基金及軍工和企業(yè)橫向項(xiàng)目共計(jì)6項(xiàng)。獲授權(quán)專利13項(xiàng).獲湖北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。