齒輪類零件(近)凈成形鍛造技術(shù)(上)

文/孟江濤，孟怡辰·洛陽福瑞可汽車零部件有限公司

鍛造成形是機(jī)械制造的最基礎(chǔ)工藝之一，隨著各行各業(yè)的飛躍發(fā)展，鍛造行業(yè)早已進(jìn)入微利時(shí)代。鍛造技術(shù)和鍛造加工產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，正朝著優(yōu)質(zhì)輕量化、精密(近)凈成形化、高效低成本化等方向邁進(jìn)。隨著國家一系列去產(chǎn)能、降成本的調(diào)控政策及綠水青山就是金山銀山的環(huán)保政策的深入人心，鍛造企業(yè)就必須建立以技術(shù)、市場(chǎng)為導(dǎo)向的綠色創(chuàng)新體系，必須依靠技術(shù)支撐、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和高質(zhì)量發(fā)展才能實(shí)現(xiàn)逆境中重生。

因此，節(jié)材鍛造、提高鍛件的精度及減小后續(xù)機(jī)加工的去材量，甚至部分去材工序以鍛造替代，已被愈來愈多的企業(yè)所重視并身體力行地實(shí)施。只有提高鍛件的材料利用率，才能減少原材料的消耗，進(jìn)而減少加熱時(shí)的電耗及后續(xù)鍛件在機(jī)加工時(shí)的刀具消耗。以精密鍛造(近)凈成形替代后續(xù)部分機(jī)加工工序，可極大地提高機(jī)加工效率，免除刀具消耗和設(shè)備投入，節(jié)約人力成本等，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)或接近“綠色鍛造”。

行星、半軸差速器齒輪非齒形面部分功能面的凈成形鍛造

行星、半軸齒輪安裝面上的油槽結(jié)構(gòu)

差速器行星、半軸直齒錐齒輪是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，無論車輛的雙級(jí)橋還是單級(jí)橋，其內(nèi)部差減總成中都有一套或數(shù)套差速器行星、半軸直齒錐齒輪，在傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用；為了確保差速器直齒錐齒輪在嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)過程中處于良好的工作狀態(tài)，其齒輪的安裝面與差殼內(nèi)的易損件(墊片)之間的潤滑就顯得極為重要。不同的車橋廠家采取了不同的方法，要么是在行星齒輪球面上增加一環(huán)形偏心油槽(圖1)或三條近似等分的放射狀油槽(圖2)，要么是在半軸齒輪安裝基準(zhǔn)面上增加兩條雙曲線等腰梯形或半圓形油槽(圖3)或蝴蝶形油槽(圖4)。

圖1 直齒錐齒行星齒輪球面上偏心環(huán)形油槽

圖2 直齒錐齒行星齒輪球面上放射狀直油槽

圖3 直齒錐齒半軸齒輪安裝面上雙曲線油槽

圖4 直齒錐齒半軸齒輪安裝面上蝴蝶形油槽

若行星齒輪球面上采用環(huán)形偏心油槽方案，則在實(shí)際機(jī)加工過程中，僅需設(shè)計(jì)一套專用的傾斜偏心工裝即可，車削加工難度并不大，加工效率也不低。但是，近似等分的三條放射狀直油槽方案，加工起來難度就非常大，效率也很低。通常該三條放射狀直油槽是利用專用工裝，在臥式銑床上利用成形圓盤銑刀銑削成形，且每銑削完一條直油槽后，都要將齒輪取下，轉(zhuǎn)換一定角度后，再次安裝壓緊，銑削另一條直油槽。

這樣一件行星齒輪球面上的三條近似等分的放射狀直油槽，銑削完成就需要裝卸、固定壓緊三次，效率極低，且因?yàn)槠涔ぱb是固定的，在銑削直油槽過程中，工裝沒有繞行星齒輪球面的球心旋轉(zhuǎn)，所以銑削出來的放射狀直油槽，一般都是中間稍寬、稍深，兩頭略窄、略淺，不符合圖紙要求，更難以按圖紙要求保留直油槽兩斜面與球面之間的過渡圓角R。使得球面經(jīng)熱處理、最終磨削加工后與油槽的交界處形成了類似于刀鋒的硬棱，極不利于球面墊片內(nèi)凹面與行星齒輪球面的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，易造成對(duì)球面墊片內(nèi)凹面的刮研，使球面墊片的內(nèi)凹面產(chǎn)生非正常的早期磨損，使得一套差速器齒輪，過早脫離正常嚙合狀態(tài)，增大了嚙合間隙，產(chǎn)生噪聲或過早損壞。

同樣，若半軸齒輪安裝面上的油槽為雙曲線形狀，按照常規(guī)機(jī)加工工藝，也是能夠通過車加工實(shí)現(xiàn)的，但需要設(shè)計(jì)、制作特殊工裝夾具，通過手動(dòng)方式裝夾、緊固，車削完一條油槽后，需要拆卸、換向，車削另一條油槽。盡管設(shè)計(jì)的工裝，可視雙曲線的圓弧半徑大小和半徑圓心距齒輪中心線距離大小的不同，可一次性裝夾3 ～5 件，但這僅節(jié)省了機(jī)加工時(shí)間，而輔助時(shí)間所占比例較大，效率仍然很低，且屬于斷續(xù)切削，刀具成本也會(huì)增加。但若半軸齒輪安裝面上的油槽為蝴蝶形，則按照常規(guī)機(jī)加工工藝是很難實(shí)現(xiàn)的，只有通過特殊工藝，要么是利用數(shù)控銑，按照三維造型所生成的程序銑削加工，要么是通過電腐蝕方法采用電火花機(jī)床，利用紫銅或石墨電極電蝕加工，該兩種方法效率低、成本高，在企業(yè)內(nèi)大批量生產(chǎn)時(shí)極不適宜。

行星齒輪球面上油槽的凈成形鍛造

行星齒輪球面上放射狀直油槽的凈成形鍛造，就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種效率高、節(jié)約原材料、而且降低刀具消耗的一次性鍛造成形工藝新方法。該工藝方法是這樣實(shí)現(xiàn)的：根據(jù)用戶產(chǎn)品圖紙球面及放射狀直油槽的結(jié)構(gòu)，參考被鍛造材料的線膨脹系數(shù)及鍛造溫度，計(jì)算出所需鍛造溫度下的收縮率，綜合考慮熱鍛造的收縮系數(shù)及后續(xù)機(jī)加工時(shí)的球面余量，計(jì)算出該產(chǎn)品球面上直油槽一次性鍛造成形的凹模內(nèi)型腔參數(shù)，利用三維建模技術(shù)，設(shè)計(jì)出精鍛凹模內(nèi)型腔的三維造型(圖5)，利用高速銑床按照三維造型生成的程序，先熱前粗銑加工型腔，熱處理后再精銑加工出凹模內(nèi)型腔實(shí)體，凹模型腔內(nèi)球面上設(shè)置有內(nèi)凸筋，內(nèi)凸筋的左右兩個(gè)斜面和凹模型腔之間的夾角均為120 度，內(nèi)凸筋有三條，三條內(nèi)凸筋之間夾角為120 度。

圖5 放射狀油槽凹模內(nèi)型腔造型

制作好的行星齒輪精鍛凹模即可與相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品齒形模具，按照一定的裝配、連接關(guān)系，在壓力機(jī)上進(jìn)行一火兩鍛成形鍛造。一鍛采用預(yù)成形，即齒形充滿程度在80%～90%，齒輪球面上沒有油槽、總厚上預(yù)留一定下壓量；二鍛時(shí)實(shí)現(xiàn)齒形完全充滿和球面上直油槽完全成形，完成行星齒輪球面上放射狀直油槽鍛件的一次性精密鍛造成形(圖6)。此精密鍛件，只要下料尺寸或重量嚴(yán)格控制，鍛造時(shí)加熱溫度和打擊力恒定不變，其球面的機(jī)加工余量就可以穩(wěn)定控制在0.5 ～1.0mm 范圍內(nèi)。這樣就可以通過調(diào)整凹模型腔內(nèi)球表面與三條凸筋120 度夾角斜面過渡的R 角大小，以此預(yù)保留最終球面經(jīng)熱處理后精磨球面時(shí)所需要的近似R 角，使得最終產(chǎn)品的球面與三條放射狀油槽側(cè)面的過渡處，杜絕了類似于刀鋒似的硬棱形成，保護(hù)了轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的球面墊片內(nèi)凹面，避免了在差減總成工作狀態(tài)下，球面墊片的非正常磨損，提高了整套齒輪乃至差減總成的使用壽命。

圖6 行星齒輪球面上放射狀油槽鍛件

半軸齒輪安裝面上雙曲線或蝴蝶形油槽的凈成形鍛造

半軸齒輪軸頸外圓扁及安裝面上雙曲線油槽凈成形鍛造，是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

①根據(jù)差速器半軸齒輪產(chǎn)品圖紙及結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸(特別是外圓扁及端面雙曲線油槽尺寸)，利用三維軟件對(duì)零件圖進(jìn)行三維實(shí)體造型，生成冷態(tài)的零件三維實(shí)體。

②結(jié)合鍛造條件及機(jī)加工情況，在外圓及安裝基準(zhǔn)面上預(yù)留適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工余量，參考被鍛造材料的線膨脹系數(shù)及鍛造溫度，計(jì)算出所需鍛造溫度下的收縮率，對(duì)步驟①中冷態(tài)的零件三維實(shí)體鍛件進(jìn)行膨脹，生成熱態(tài)的實(shí)體鍛件，然后由熱態(tài)實(shí)體鍛件轉(zhuǎn)生成熱態(tài)專用精鍛凹模實(shí)體造型(圖7)；

圖7 雙曲線油槽及外圓扁凹模內(nèi)型腔造型

利用高速銑床按照三維造型生成的程序，先熱前粗銑加工型腔，熱處理后再精銑加工出凹模內(nèi)型腔實(shí)體。加工好的半軸齒輪精鍛凹模即可與相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品齒形模具，按照一定的裝配、連接關(guān)系，在壓力機(jī)上進(jìn)行一火兩鍛成形鍛造。一鍛采用預(yù)成形，即齒形模具在上、沒有油槽的凹模在下進(jìn)行預(yù)鍛造，使齒形充滿程度在75%～90%，半軸齒輪安裝面上預(yù)留一定下壓量，總厚不留下壓量；二鍛時(shí)實(shí)現(xiàn)齒形完全充滿和安裝面上雙曲線油槽完全成形，完成半軸齒輪安裝面上雙曲線油槽鍛件的一次性精密鍛造(圖8)。

圖8 半軸齒輪外圓扁及安裝面上雙曲線油槽鍛件

同樣方法，半軸齒輪安裝面上的蝴蝶形油槽，也是先按精鍛凹模三維實(shí)體造型(圖9)，制作出精鍛凹模(型腔內(nèi)平面上有兩個(gè)類似于蝴蝶形的凸臺(tái))，采用一火兩鍛的方式，在壓力機(jī)上鍛出安裝面上帶有蝴蝶形油槽的精密鍛件(圖10)。此精密鍛件，應(yīng)嚴(yán)格控制下料尺寸或重量，鍛造時(shí)保持恒定的加熱溫度和打擊力，其安裝面的機(jī)加工余量就可以穩(wěn)定控制在0.8 ～1.2mm 范圍內(nèi)，這樣就可以通過調(diào)整凹模型腔內(nèi)兩個(gè)凸臺(tái)的高度，而間接保證最終加工出的半軸齒輪安裝面上的蝴蝶形油槽深度，符合圖紙要求的尺寸范圍。

圖9 蝴蝶形油槽凹模內(nèi)型腔造型

圖10 半軸齒輪安裝面上蝴蝶形油槽鍛件

行星、半軸差速器齒輪，非齒形面部分功能面的凈成形鍛造技術(shù)，最近幾年得到了大力推廣和運(yùn)用，不僅節(jié)約原材料，還極大提高了機(jī)加工效率，降低了各種刀具消耗，縮短了工藝流程，為企業(yè)創(chuàng)造了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。部分模具結(jié)構(gòu)已先后被授權(quán)實(shí)用新型專利，部分工藝方法已被授權(quán)發(fā)明專利。