傘齒輪的精密鍛造技術(shù)

文／徐祥龍，李明明·江蘇森威精鍛有限公司

傘齒輪的精密鍛造技術(shù)

文／徐祥龍，李明明·江蘇森威精鍛有限公司

精密鍛造技術(shù)是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗的先進(jìn)制造技術(shù)，隨著精密鍛造工藝和精密模具制造技術(shù)的進(jìn)步，汽車齒輪和齒形類零件的生產(chǎn)已越來(lái)越多地采用精密鍛造技術(shù)。

當(dāng)前國(guó)外一臺(tái)普通轎車采用的精鍛件總質(zhì)量已達(dá)到40～45kg，其中齒形類零件的總質(zhì)量達(dá)10kg以上。精鍛成形的齒輪單件質(zhì)量可達(dá)1kg以上、齒形精度可達(dá)到DIN 7級(jí)。隨著汽車的輕量化要求和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，汽車齒輪制造業(yè)正越來(lái)越多地采用精密鍛造技術(shù)。下面本文就以傘齒輪為例來(lái)介紹精密鍛造技術(shù)在汽車齒輪生產(chǎn)制造中的應(yīng)用。

熱精鍛成形技術(shù)

傘齒輪的精密鍛造最早見(jiàn)于20世紀(jì)50年代德國(guó)的拜爾工廠，并在蒂森等公司得到廣泛的應(yīng)用。我國(guó)上海汽車齒輪廠等在20世紀(jì)70年代采用熱精鍛成形技術(shù)成功進(jìn)行了傘齒輪的精密鍛造生產(chǎn)。在當(dāng)時(shí)社會(huì)主義大協(xié)作的環(huán)境下，傘齒輪的熱精鍛成形技術(shù)很快在齒輪行業(yè)得到了推廣應(yīng)用。

該技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展得益于兩項(xiàng)當(dāng)時(shí)先進(jìn)的技術(shù)：模具的放電加工技術(shù)和毛坯感應(yīng)加熱技術(shù)。先淬火后加工的放電加工技術(shù)避免了模具淬火變形帶來(lái)的齒廓誤差；快速加熱的中頻感應(yīng)加熱技術(shù)解決了齒輪毛坯在加熱過(guò)程中的氧化和脫碳問(wèn)題，以上兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使鍛造成形的傘齒輪齒面達(dá)到了無(wú)切削加工要求，如圖1所示。

鍛造設(shè)備

在國(guó)外，傘齒輪的熱精鍛成形設(shè)備通常采用熱模鍛壓力機(jī)，但在20世紀(jì)60～70年代的中國(guó)，熱模鍛壓力機(jī)是非常昂貴的設(shè)備，因此國(guó)內(nèi)企業(yè)普遍使用的鍛造設(shè)備是雙盤(pán)摩擦壓力機(jī)(圖2）。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，很快成為了齒輪精鍛的主力設(shè)備，但雙盤(pán)摩擦壓力機(jī)技術(shù)陳舊，難以控制打擊精度，而且能源利用率較低。隨著高能螺旋壓力機(jī)(圖3）和電動(dòng)螺旋壓力機(jī)(圖4）的出現(xiàn)，落后的雙盤(pán)摩擦壓力機(jī)有被取代的趨勢(shì)。

熱精鍛工藝

對(duì)于大量生產(chǎn)的汽車行星和差速齒輪，成熟的齒輪成形技術(shù)是被稱為“一火兩鍛”的熱精鍛工藝，即齒輪在熱鍛成形和切邊后利用鍛件余熱進(jìn)行熱精整。通常將成形模和精整模設(shè)計(jì)為完全相同的尺寸，在精整模使用到接近換模極限時(shí)充當(dāng)成形模使用，從而使齒輪模具的使用壽命得到了最大限度的利用。

當(dāng)時(shí)齒輪行業(yè)的骨干企業(yè)已擁有引進(jìn)的高精度刨齒機(jī)，可以刨出較高精度的齒輪電極，但齒輪模腔的加工設(shè)備是早期的放電加工機(jī)床，這一類放電加工機(jī)床加工速度慢、電極損耗大、加工表面質(zhì)量差，因此當(dāng)時(shí)的熱精鍛齒輪精度一般在9級(jí)左右，主要應(yīng)用于卡車和拖拉機(jī)行業(yè)。

圖1 熱精鍛成形的汽車行星齒輪

改革開(kāi)放初期，隨著高精度刨齒機(jī)和精密數(shù)控電加工機(jī)床的引進(jìn)，模具的制造精度得到了明顯的提高，傘齒輪的制造精度隨之也提高到了8～9級(jí)，達(dá)到了卡車和輕型車的使用要求。

圖2 雙盤(pán)摩擦壓力機(jī)

圖3 高能螺旋壓力機(jī)

圖4 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)

先進(jìn)的閉塞鍛造技術(shù)

成形原理

閉塞鍛造是一種先進(jìn)的無(wú)飛邊精密成形技術(shù)，20世紀(jì)70年代國(guó)外在閉塞冷鍛技術(shù)方面取得了突破，之后很快就將此項(xiàng)技術(shù)用于了傘齒輪的精密成形中。閉塞冷鍛成形的齒輪精度相比熱精鍛成形可提高0.5～1級(jí)；閉塞冷鍛還有無(wú)飛邊鍛造的特征，使材料利用率得到了較大的提高。在20世紀(jì)80～90年代，轎車、輕型車和微型車的行星、半軸齒輪已廣泛采用閉塞冷鍛工藝生產(chǎn)，如圖5所示。

如圖6所示的傘齒輪大端面具有較厚的連皮，齒端連皮的存在提高了齒輪的抗彎力矩，使輪齒可承受更大的載荷，這樣的齒輪用機(jī)加工是難以加工出來(lái)的。

傘齒輪閉塞冷鍛成形原理如圖7所示，由圖可見(jiàn)，毛坯是在封閉的模腔里被擠壓沖頭推入齒輪型腔充填成形的。齒輪的成形精度主要取決于型腔的加工精度，并受到模具彈性變形的影響，但在普通精度條件下，模具的彈性變形可忽略不計(jì)。

圖5 閉塞冷鍛工藝成形的行星齒輪

圖6 閉塞冷鍛工藝成形的傘齒輪

圖7 傘齒輪閉塞冷鍛成形原理

鍛造設(shè)備

通常較大規(guī)格的傘齒輪在專用的大噸位液壓閉塞壓力機(jī)(圖8）上成形，而較小規(guī)格的傘齒輪更多地采用在普通冷鍛壓力機(jī)上以專用閉塞模架(圖 9）成形的方法。后一種方法具有生產(chǎn)效率高和成本低的特點(diǎn)，但受限于模架的閉塞壓力，難以完成大尺寸傘齒輪的成形。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)汽車齒輪的骨干企業(yè)如江蘇飛船股份有限公司和江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司等在20世紀(jì)90年代初及時(shí)引進(jìn)了傘齒輪的閉塞鍛造技術(shù)和設(shè)備，經(jīng)過(guò)多年的消化吸收，傘齒輪閉塞鍛造技術(shù)已日臻成熟。在近幾年汽車工業(yè)的飛躍發(fā)展中，傘齒輪的閉塞鍛造技術(shù)在國(guó)內(nèi)汽車差速器的生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。

等溫正火和齒輪精整技術(shù)的應(yīng)用

閉塞冷鍛成形的齒形精度能滿足一般汽車的使用要求，而當(dāng)對(duì)精度有更高的要求時(shí)，在齒輪閉塞冷鍛成形后進(jìn)行等溫正火，然后在精密模具內(nèi)作一次冷精整，可穩(wěn)定地獲得DIN 7級(jí)甚至更高的齒形精度。由于冷精整變形量小，故齒坯精整前只需要少量油霧潤(rùn)滑，無(wú)須作磷、皂化處理，精整后的齒面粗糙度有很大的改善。由于齒坯進(jìn)行了等溫正火，后續(xù)滲碳淬火時(shí)齒形變形量較小而且規(guī)律性好，因此根據(jù)淬火變形規(guī)律對(duì)鍛造齒形進(jìn)行修正，可達(dá)到熱處理后精度不降低的目標(biāo)。

由于傘齒輪精整毛坯有無(wú)氧化、無(wú)脫碳的要求，因此對(duì)等溫正火設(shè)備的技術(shù)要求很高，除采用密封爐體的結(jié)構(gòu)和抽真空—充氮?dú)獗Ｗo(hù)的措施外，通常還要充入少量氫氣等還原性氣體。充入氫氣后正火的毛坯表面光潔并呈銀亮色澤，精整后齒輪表面質(zhì)量特別好。但這樣的正火設(shè)備世界上只有少數(shù)廠家能提供，而且價(jià)格還非常昂貴。如圖10所示為國(guó)外某企業(yè)制造的連續(xù)式等溫正火自動(dòng)線。

圖8 閉塞鍛造專用壓力機(jī)

圖9 閉塞鍛造專用模架

圖10 連續(xù)式等溫正火自動(dòng)線

傘齒輪精密鍛造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著汽車行星—半軸齒輪規(guī)格越來(lái)越大和低成本生產(chǎn)的需要，傘齒輪的生產(chǎn)技術(shù)正在向溫鍛成形—冷鍛精整和熱鍛成形—冷鍛精整方向發(fā)展。

傘齒輪的溫—冷聯(lián)合成形和熱—冷聯(lián)合成形技術(shù)解決了傘齒輪熱精鍛成形精度較低和閉塞冷鍛成形規(guī)格尺寸偏小的問(wèn)題，使傘齒輪的成形發(fā)展到了一個(gè)新的階段。

聯(lián)合成形技術(shù)中，溫鍛成形一般采用閉塞溫鍛工藝，主要用于中等規(guī)格的汽車傘齒輪的大批量生產(chǎn)。對(duì)于大規(guī)格的傘齒輪，推薦采用熱—冷聯(lián)合成形的方案，熱鍛成形也可采用閉塞鍛造工藝，但更多地是采用普通熱精鍛工藝，因?yàn)閷?duì)于大規(guī)格的傘齒輪來(lái)說(shuō)，閉塞鍛造的閉塞力已大到難以實(shí)現(xiàn)的程度，因此普通熱精鍛成為了熱—冷聯(lián)合成形的主流生產(chǎn)工藝。如圖11所示為一個(gè)使用熱—冷聯(lián)合成形工藝生產(chǎn)的用于農(nóng)業(yè)機(jī)械上的大規(guī)格傘齒輪。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)用于冷鍛精整的壓力機(jī)噸位已達(dá)到40MN，可完成外徑300mm的傘齒輪的精整成形。

圖11 熱—冷聯(lián)合成形工藝生產(chǎn)的傘齒輪

圖12 齒形修鼓原理

傘齒輪成形模具加工技術(shù)的進(jìn)步

在20世紀(jì)90年代及以前，放電加工是傘齒輪成形模具齒廓加工的主要手段，而齒輪電極主要用精密刨齒機(jī)刨出。刨齒加工是一種齒輪的展成成形加工，因此刨出的齒輪電極是一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的漸開(kāi)線齒輪，而電蝕加工出的齒輪模忠實(shí)拷貝了電極的形狀，所以這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的齒輪型腔。這對(duì)于一般精度的傘齒輪成形來(lái)說(shuō)并沒(méi)有什么問(wèn)題，但對(duì)于噪聲和傳動(dòng)平穩(wěn)性要求很高的轎車齒輪來(lái)說(shuō)，一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)齒廓的傘齒輪有時(shí)并不能獲得最好的傳動(dòng)效果。為了改善傳動(dòng)平穩(wěn)性并減小傳動(dòng)噪聲，一般要對(duì)傘齒輪的齒形和齒向作修鼓處理，如圖12、13所示。無(wú)載荷和輕載狀態(tài)時(shí)，齒廓嚙合處為修鼓的漸開(kāi)線，如圖12a所示；重載狀態(tài)時(shí)，齒廓嚙合處由于接觸應(yīng)力較大而發(fā)生彈性變形，接近標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線，使齒廓在重載時(shí)保持良好的齒形，如圖12b所示。如圖13a所示為標(biāo)準(zhǔn)的齒向形狀，齒輪裝配稍有誤差就會(huì)使齒廓接觸痕跡發(fā)生偏差，從而使傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性下降，并使傳動(dòng)噪聲增加；如圖13b所示為修鼓的齒向形狀，即使裝配稍有誤差，齒廓的接觸痕跡也能保持對(duì)稱的良好形狀。

由于齒輪的展成加工很難制作出齒形和齒向修鼓的齒輪電極，所以電極的修鼓成為了高精度傘齒輪精鍛成形的技術(shù)難題。國(guó)內(nèi)某大學(xué)曾提出利用金屬物體尖角處腐蝕速度大于平坦處的原理對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪電極進(jìn)行化學(xué)腐蝕，從而獲得齒形和齒向得到修鼓的傘齒輪電極，但這種方法缺少腐蝕量的控制手段，腐蝕的一致性差，因此很難應(yīng)用在傘齒輪的批量生產(chǎn)中。

20世紀(jì)90年代后期，高速銑的出現(xiàn)解決了齒形電極的修鼓問(wèn)題?，F(xiàn)代的高精度數(shù)控高速銑加工中心(圖14）加工銅電極時(shí)精度可達(dá)到微米級(jí)，只要建模正確，就完全有可能加工出任意修鼓量的齒形電極。應(yīng)用高性能的復(fù)合涂層刀具和CBN刀具，甚至能將淬硬到60HRC以上的高合金模具鋼直接銑加工成齒輪模具，如圖15所示。但是，高速銑在切削硬度超過(guò)60HRC的齒輪冷鍛模時(shí)刀具的耐用度很低，這嚴(yán)重影響了模具制造的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于硬質(zhì)合金齒輪模具，放電加工是目前惟一有效的方法。因此，當(dāng)前放電加工仍是齒輪冷鍛模具的主要制模工藝，但齒形電極的展成加工已基本被高速銑加工取代。

對(duì)于淬火硬度在50HRC左右的傘齒輪溫鍛和熱鍛成形模具，高速銑刀具已有足夠的耐用度；而高速銑加工在加工速度和精度方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)放電加工；高速銑加工的模具表面光潔，不會(huì)像放電加工那樣遺留下影響模具使用壽命的“白層”缺陷和殘余拉應(yīng)力，從而使用壽命明顯高于放電加工的模具。因此，在傘齒輪溫鍛和熱鍛成形模具的制造方面，高速銑加工已有全面取代放電加工的趨勢(shì)。

圖13 齒向修鼓原理

圖14 高精度數(shù)控高速銑加工中心

圖15 高速銑加工的傘齒輪成形模具