汽车齿轮的精密锻造技术

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。

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。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

（2）设备
通常，较大规格的伞齿轮在专用的大吨位液压闭塞压力机上成形（图8），而较小规格的伞齿轮更多采用在普通冷锻压力机上以专用闭塞模架（图9）成形的方法。后一种方法具有生产效率高和成本低的特点。唯锻件规格受制于模架的闭塞压力，不能完成大尺寸伞齿轮的成形。



图8.闭塞锻造专用压力机



图9.闭塞锻造专用模架

国内汽车齿轮的骨干企业如江苏飞船齿轮和江苏太平洋精锻等企业在90年代初及时引进了伞齿轮的闭塞成形技术和设备，经过多年的消化吸收，伞齿轮闭塞成形技术已日臻成熟。在近几年汽车工业的飞跃发展中，伞齿轮的闭塞成形技术对国内汽车差速器的生产发挥了重要的作用。

（3）等温正火和齿轮精整的应用

闭塞冷锻成形的齿形精度能满足一般汽车的使用要求。对精度有更高要求时，在齿轮闭塞成形后进行等温退火，然后在精密模具内作一次冷精整，可稳定地获得DIN 7级或更高的齿形精度。由于冷精整变形量小，齿坯精整前只要少量油雾润滑，无须作磷、皂化处理，精整后的齿面粗糙度有很大的改善。由于齿坯进行了等温正火，后续渗碳淬火时齿形变形量较小而且规律性好，因此可根据淬火变形规律对锻造齿形进行修正，达到热处理后精度不降低的目标。

由于伞齿轮精整毛坯有无氧化、无脱碳的要求，因此对等温正火设备的技术要求很高，除采用密封炉体的结构和抽真空—充氮气保护的措施外，通常还要充入少量氢气等还原性气体。充入氢气后正火的毛坯表面光洁并呈银亮色泽，精整后齿轮表面质量特别好。但这样的正火设备，世界上只有少数厂家能提供，而且价格非常昂贵。图10为国外某企业制造的连续式等温正火自动线。



图10.等温正火自动线

3．伞齿轮锻造工艺的发展趋势

随着汽车行星-半轴齿轮规格越来越大的趋势和低成本生产的需要，伞齿轮的生产技术又发展到温锻成形—冷锻精整和热锻成形—冷锻精整。伞齿轮的温—冷联合成形和热—冷联合成形技术解决了伞齿轮热精锻成形精度不高和闭塞冷锻齿轮的尺寸规格做不大的问题，使伞齿轮的成形发展到一个新的阶段。

联合成形技术中，温锻成形一般采用闭塞温锻工艺，主要于中等规格的汽车伞齿轮大批量生产。对于大规格的伞齿轮，推荐采用热—冷联合成形的方案。热精锻可采用闭塞锻造的方案，但更多采用普通热精锻方案。因为对于大规格的伞齿轮，闭塞锻造的闭塞力已大到难以实现的程度。因此，普通热精锻成为热—冷联合成形的主流。图11为一个用于农业机械上的大规格伞齿轮，成形工艺为热锻成形—冷锻精整工艺。当前，国内用于冷锻精整的压力机吨位已达到40MN，可完成外径300mm的伞齿轮的精整成形。



图11.热—冷联合成形的伞齿轮



图12.用于伞齿轮精整的40MN液压冷锻压力机

4．伞齿轮模具加工的技术进步

在90年代及以前，放电加工是伞齿轮成形模具齿廓加工的主要手段，而齿轮电极主要用精密刨齿机刨出。刨齿加工是一种齿轮的展成成形加工，因此，刨出的齿轮电极是一个符合标准的渐开线齿轮，而电蚀加工出的齿轮模忠实拷贝了电极的形状，因此是一个标准的齿轮型腔。这对于一般精度的伞齿轮成形并没有什么问题，但对于噪声和传动平稳性要求很高的轿车齿轮，一个符合标准齿廓的伞齿轮有时并不能获得最好的传动效果。为了改善传动平稳性并减小传动噪声，一般要对锥齿轮的齿形和齿向作修鼓处理（见图13；图14）。



图13.齿形修鼓原理



图14.齿向修鼓原理

由于齿轮的展成加工很难制作出齿形和齿向修鼓的齿轮电极，所以，电极的修鼓成为高精度锥齿轮精锻成形的技术难题。国内某大学曾提出利用金属物体尖角处腐蚀速度大于平坦处的原理，对标准齿轮电极进行化学腐蚀，从而获得齿形和齿向得到修鼓的伞齿轮电极。但这种方法因缺少腐蚀量的控制手段，腐蚀的一致性差，因此很难应用在伞齿轮的批量生产中。

90年代后期，高速铣的出现解决了齿形电极的修鼓问题。现代的高精度数控高速铣加工铜电极时精度达到μ米级（图15），只要建模正确，完全有可能加工出任意修鼓量的齿形电极。在当今，应用高性能的复合涂层刀具和CBN刀具，甚至能将淬硬到洛氏60度以上的高合金模具钢直接铣加工成齿轮模具（图16）。



图15.精密数控高速铣加工中心



图16.高速铣削加工的伞齿轮成形模

考虑到齿轮模具制造的经济性，特别是对于硬质合金齿轮模，目前齿轮精锻行业主要的制模工艺仍然是放电加工，但齿形电极的展成加工已有被高速铣数控加工全面取代的趋势。对于淬火硬度在洛氏50度左右的温锻和热锻成形模，高速铣在加工速度和精度方面已远远超过放电加工，在模具的使用寿命方面也体现出明显的优势。只要解决刀具的使用成本，高速铣加工在温锻和热锻齿轮模方面可完全取代放电加工。

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。图20.是起动齿轮的工艺过程。



图19.汽车起动齿轮和齿轮正挤压模具结构



图20.起动齿轮的冷锻成形工艺

由于冷锻过程是金属在高应力下的塑性变形，因此，冷锻成形的起动齿轮组织致密，金属纤维连续,疲劳强度和耐磨性比切削加工的齿轮要高出许多。特别是冷挤成形的起动齿轮结构上一端封闭，为轮齿提供了额外的抗弯强度，最适合于汽车起动机频繁冲击和高载荷工况下工作。

齿轮正挤压成形时，齿形凹模可以用高精度线切割机床加工。当齿形挤压模具采用高速钢材料，模具齿形制造精度达到（DIN）6级，在批量生产条件下，齿轮成形精度稳定达到(DIN) 8—9级。考虑到模具的弹性变形和磨损，在大批量生产时改用硬质合金模具并合理设计冷锻变形率，可使正挤压齿轮的齿形精度进一步达到（DIN）7—7.5级。

成形模的齿形设计要考虑冷锻过程中模具的弹性变形和模具磨损的影响，对模具齿形加以必要的修正。由于在挤压过程中模具曲率大的部分磨损速率大于曲率小的部分，因此，采用标准齿形的齿轮挤压模齿顶处的磨损明显大于齿面和齿根处的磨损。如果对齿形作适当修正（图21），可使模具齿形获得均匀磨损的效果，从而得到较长的模具寿命。



图21.正挤压模具的齿形修正

正挤压成形工艺的另一特出优点是模具齿形由数控线切割加工得到，在少齿数齿轮加工时通过编程即可获得理想齿形而不必担心根切。在加工特殊齿形或修正齿形场合，采用数控线切割加工齿形比齿轮的展成加工或仿形加工更方便、更快捷、更正确。

花键冷锻成形是齿轮正挤压成形的一个特例。渐开线花键的成形相当于挤压一个较长的正齿轮，矩形花键的挤压与渐开线花键的挤压相似。从另一方面考虑，小模数正齿轮可采用分割渐开线花键轴的方法来得到（图22）。



图22. 花键的正挤压成形和小齿轮的切割成形

从70年代起，国内外汽车起动齿轮绝大部分用冷锻方法生产(3)、（4）。某公司用冷挤压工艺生产摩托车花键轴，并用分割渐开线花键轴的方法生产小模数正齿轮。分割的小齿轮主要用于轿车起动电机行星减速系统。

（2）非园齿轮的正挤压成形
齿轮正挤压成形的另一个案例是非园齿轮的精密成形（图23）。
该齿轮采用正挤压成形后分割加工，比数控滚齿加工的生产效率提高几十倍。正挤压的难度与园柱齿轮没有什么不同。只是当外形与正园异较大时，毛坯最好要用冷拔或其他方法做成与非园齿轮外形相同的形状。



图23.正挤压—分割成形的非园齿轮

齿轮正挤压成形的缺点是成形齿坯的头、尾有较大的塌角和过渡圆弧，因此齿轮两端面切削余量大，材料利用率不高，也影响了生产效率的进一步提高。另外齿轮端面切削后容易残留毛刺，而去毛刺是机加工中最伤脑筋的问题。受挤压变形率的限制，并考虑到模具制造尺寸和冷锻压力机能力等因素，齿轮正挤压成形目前只应用于小规格园柱齿轮的制造。比起切齿加工，齿轮挤压成形无论是在质量、效率和效益方面，都是一个飞跃。

对于内齿轮的制造，可用齿形冲头反挤压成形。用该工艺可制造贯通的内齿轮（图24），也可制造底部不通的内齿轮（图25）。在后一种场合，齿轮冷锻成形不需要预加工退刀槽，因而在有限尺寸内可保证制出最大限度的有效齿形，从而可优化零部件结构，减小齿轮传动系统的尺寸并提高齿轮强度。



图24.通孔的内齿轮毛坯



图25.盲孔的内齿轮毛坯和模具结构图

（3）螺旋齿轮的挤压成形
当代，齿轮的挤压成形技术已从正齿轮成形发展到了斜齿园柱齿轮和螺旋花键轴的挤压成形（图26），齿形精度已接近和达到（DIN）7级，能充分满足大部分汽车齿形零件的要求。冷挤压成形的齿形零件应用已从汽车起动电机、汽车摇窗机等外围部件发展到汽车转向机、汽车变速箱等关键总成上。



图26.正挤压成形的渐开线花键轴



图27.正挤压成形的园柱螺旋齿轮

螺旋齿轮的挤压成形关键技术是螺旋齿形模具的制作。在使用带数控旋转轴的放电加工设备后，螺旋齿形模具的制造已不太困难。螺旋齿轮挤压能否成功的另一关键是螺旋齿轮的挤压的限制。根据经验，螺旋升角小于27度的齿轮能够顺利挤压成形。对于贯通式挤压，螺旋升角还可以加大。

3．园柱齿轮的的分流锻造

（1）园柱齿轮的闭式冷镦锻成形
对于齿宽较窄和直径较大的园柱齿轮，可用的成形工艺有闭式冷镦锻成形（图28）



图28.园柱齿轮的闭式冷镦锻成形

由于齿轮冷镦锻成形时在齿顶的尖角部金属流动条件不好，单用加大锻造力的方法不能有效地改善齿尖部的充填效果。而加大锻造力的负面效应是使模具寿命大幅度下降。锻造应力的加大还使模具弹性变形增加，使锻件的齿形精度下降。由于闭模锻造的特点，当齿坯的下料精度较低时，毛坯体积少量超标就会引起锻造应力的急剧上升，最终造成模具的破损失效。

（2）园柱齿轮的分流锻造成形
80年代以来，国内外精密锻造专家开始将分流锻造理论应用于正齿轮和螺旋齿轮的冷锻成形（3）、（4）、（5）。分流锻造的原理是在毛坯或模具的成形部分建立一个材料的分流腔或分流通道(图29)。锻造过程中，材料在充满型腔的同时，部分材料流向分流腔或分流通道。分流腔或分流通道能容纳少量体积超标的材料，而不致于造成锻造应力急剧增加的后果。更主要的是，通过对分流路径的合理设计，使锻造过程中金属的流动有利于齿形尖角处的充填，从而可在较小的成形应力下得到充满程度较好的齿形。分流锻造技术的应用，使较高精度齿轮的少、无切削加工迅速达到了产业化规模。



图29.倒挡齿轮的分流成形

另外，以多工位温锻或热精锻成形作为倒挡齿轮的预成形，以冷锻精整来获得最终的齿形精度，已成为当前大批量生产汽车倒挡齿轮的经济方案。但在小批量生产场合，也可采用全冷锻成形的方案（图30）。全冷锻成形时，可在一台设备上通过更换模具完成多道工序，设备投资较小，适合于多品种中、小批量生产。



图30. 倒挡齿轮的分流成形

（3）齿轮分流锻造的应用
与挤压齿轮相比，分流锻造的齿轮容易获得较大的尺寸。齿轮分流锻造成形后如追加一次冷精整，同样获得较好的精度，可完全满足汽车变速箱齿轮的精度要求。另外，分流锻造的齿轮端面余量小，材料利用率高。某些情况下，齿形端面可不加工，避免了车削毛刺的发生。

分流锻造技术主要应用于汽车变速箱齿轮。除倒挡齿轮外，变速齿坯接合齿的成形和接合齿环等齿形零件等都有了冷锻成形的工艺和大批量生产的经验。在国外，变速箱螺旋齿轮与接合齿的整体精锻（7）也有了成功的经验（图31；32）。



图31. 变速箱接合齿整体精锻毛坯



图32.汽车变速箱结合齿和倒挡齿轮

（4）园柱齿轮的冷精整技术

无论是热锻、温锻或冷锻状态的分流锻造，都能够完成园柱齿轮的齿形成形。但由于温度和模具在大应力下工作的影响，分流成形的齿轮精度不会太高，不能满足汽车齿轮的使用要求。因此，大部分园柱齿轮在分流成形后都必需对齿廓进行精整。为了保证齿轮的精整效果，并使后续的渗碳热处理变形小，在分流成形后有必要对齿轮毛坯进行

一次软化退火或等温正火。由于园柱齿轮的精整一般是贯通式挤压，即使预成形齿坯在压力下挤过一个精密的齿轮模具（图33），使毛坯齿廓精度得到提高的方法。在这种精整模式下，齿轮毛坯表面的金属将与精整模具表面发生相对流动。为了保证毛坯在模具表面较长距离的流动中不因摩擦而产生粘着烧伤，必需对齿坯实施精细的抛丸和磷化-润滑处理。润滑处理可以是皂化处理，也可以滚涂二硫化钼微粉。



图33. 园柱齿轮的精整凹模

3．园柱齿轮精密锻造的技术瓶颈

目前，窄齿园柱齿轮通过温锻或热锻、或冷锻分流成形，并经热处理和磷、皂化处理后实施冷锻精整,其齿形精度已完全能满足汽车齿轮的要求。大部份汽车倒挡齿轮和结合齿环就是这样生产的。但对于宽齿园柱齿轮，由于在齿向有修鼓要求，即齿向精度呈“K”线分布，对齿轮精整提出了一个特别的难题（图34）。



图34.宽齿园柱齿轮的齿向修鼓

目前，人们提出了种种方法，却没有得到一个可靠的结果。所以，当前宽齿园柱齿轮的精密锻造成形，只能局限于低精度齿轮制造，或是为磨齿加工提供磨前毛坯。


在当前，探索一个可靠的齿向修鼓方法，突破园柱齿轮精密锻造的技术瓶颈，是摆在锻造和齿轮工作者面前的重大课题。
体现优质、高效、低成本的汽车齿形零件精锻成形技术一定会在汽车零部件生产中得到推广应用。