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

文／徐祥龍，李明明·江蘇森威精鍛有限公司

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

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

熱精鍛成形技術

傘齒輪的精密鍛造最早見于20世紀50年代德國的拜爾工廠，并在蒂森等公司得到廣泛的應用。我國上海汽車齒輪廠等在20世紀70年代采用熱精鍛成形技術成功進行了傘齒輪的精密鍛造生產(chǎn)。在當時社會主義大協(xié)作的環(huán)境下，傘齒輪的熱精鍛成形技術很快在齒輪行業(yè)得到了推廣應用。

該技術的應用和發(fā)展得益于兩項當時先進的技術：模具的放電加工技術和毛坯感應加熱技術。先淬火后加工的放電加工技術避免了模具淬火變形帶來的齒廓誤差；快速加熱的中頻感應加熱技術解決了齒輪毛坯在加熱過程中的氧化和脫碳問題，以上兩項技術的應用使鍛造成形的傘齒輪齒面達到了無切削加工要求，如圖1所示。

鍛造設備

在國外，傘齒輪的熱精鍛成形設備通常采用熱模鍛壓力機，但在20世紀60～70年代的中國，熱模鍛壓力機是非常昂貴的設備，因此國內(nèi)企業(yè)普遍使用的鍛造設備是雙盤摩擦壓力機(圖2）。該設備結構簡單，價格便宜，很快成為了齒輪精鍛的主力設備，但雙盤摩擦壓力機技術陳舊，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(圖3）和電動螺旋壓力機(圖4）的出現(xiàn)，落后的雙盤摩擦壓力機有被取代的趨勢。

熱精鍛工藝

對于大量生產(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行熱精整。通常將成形模和精整模設計為完全相同的尺寸，在精整模使用到接近換模極限時充當成形模使用，從而使齒輪模具的使用壽命得到了最大限度的利用。

當時齒輪行業(yè)的骨干企業(yè)已擁有引進的高精度刨齒機，可以刨出較高精度的齒輪電極，但齒輪模腔的加工設備是早期的放電加工機床，這一類放電加工機床加工速度慢、電極損耗大、加工表面質量差，因此當時的熱精鍛齒輪精度一般在9級左右，主要應用于卡車和拖拉機行業(yè)。

圖1 熱精鍛成形的汽車行星齒輪

改革開放初期，隨著高精度刨齒機和精密數(shù)控電加工機床的引進，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，達到了卡車和輕型車的使用要求。

圖2 雙盤摩擦壓力機

圖3 高能螺旋壓力機

圖4 電動螺旋壓力機

先進的閉塞鍛造技術

成形原理

閉塞鍛造是一種先進的無飛邊精密成形技術，20世紀70年代國外在閉塞冷鍛技術方面取得了突破，之后很快就將此項技術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；閉塞冷鍛還有無飛邊鍛造的特征，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，這樣的齒輪用機加工是難以加工出來的。

傘齒輪閉塞冷鍛成形原理如圖7所示，由圖可見，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。

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(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，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90年代初及時引進了傘齒輪的閉塞鍛造技術和設備，經(jīng)過多年的消化吸收，傘齒輪閉塞鍛造技術已日臻成熟。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在國內(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的應用

閉塞冷鍛成形的齒形精度能滿足一般汽車的使用要求，而當對精度有更高的要求時，在齒輪閉塞冷鍛成形后進行等溫正火，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滑，無須作磷、皂化處理，精整后的齒面粗糙度有很大的改善。由于齒坯進行了等溫正火，后續(xù)滲碳淬火時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)律對鍛造齒形進行修正，可達到熱處理后精度不降低的目標。

由于傘齒輪精整毛坯有無氧化、無脫碳的要求，因此對等溫正火設備的技術要求很高，除采用密封爐體的結構和抽真空—充氮氣保護的措施外，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，精整后齒輪表面質量特別好。但這樣的正火設備世界上只有少數(shù)廠家能提供，而且價格還非常昂貴。如圖10所示為國外某企業(yè)制造的連續(xù)式等溫正火自動線。

圖8 閉塞鍛造專用壓力機

圖9 閉塞鍛造專用模架

圖10 連續(xù)式等溫正火自動線

傘齒輪精密鍛造技術的發(fā)展趨勢

隨著汽車行星—半軸齒輪規(guī)格越來越大和低成本生產(chǎn)的需要，傘齒輪的生產(chǎn)技術正在向溫鍛成形—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)格尺寸偏小的問題，使傘齒輪的成形發(fā)展到了一個新的階段。

聯(lián)合成形技術中，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，因為對于大規(guī)格的傘齒輪來說，閉塞鍛造的閉塞力已大到難以實現(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所示為一個使用熱—冷聯(lián)合成形工藝生產(chǎn)的用于農(nóng)業(yè)機械上的大規(guī)格傘齒輪。當前，國內(nèi)用于冷鍛精整的壓力機噸位已達到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的進步

在20世紀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符合標準的漸開線齒輪，而電蝕加工出的齒輪模忠實拷貝了電極的形狀，所以這是一個標準的齒輪型腔。這對于一般精度的傘齒輪成形來說并沒有什么問題，但對于噪聲和傳動平穩(wěn)性要求很高的轎車齒輪來說，一個符合標準齒廓的傘齒輪有時并不能獲得最好的傳動效果。為了改善傳動平穩(wěn)性并減小傳動噪聲，一般要對傘齒輪的齒形和齒向作修鼓處理，如圖12、13所示。無載荷和輕載狀態(tài)時，齒廓嚙合處為修鼓的漸開線，如圖12a所示；重載狀態(tài)時，齒廓嚙合處由于接觸應力較大而發(fā)生彈性變形，接近標準漸開線，使齒廓在重載時保持良好的齒形，如圖12b所示。如圖13a所示為標準的齒向形狀，齒輪裝配稍有誤差就會使齒廓接觸痕跡發(fā)生偏差，從而使傳動精度和平穩(wěn)性下降，并使傳動噪聲增加；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難題。國內(nèi)某大學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標準齒輪電極進行化學腐蝕，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，因此很難應用在傘齒輪的批量生產(chǎn)中。

20世紀90年代后期，高速銑的出現(xiàn)解決了齒形電極的修鼓問題?，F(xiàn)代的高精度數(shù)控高速銑加工中心(圖14）加工銅電極時精度可達到微米級，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。應用高性能的復合涂層刀具和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60HRC的齒輪冷鍛模時刀具的耐用度很低，這嚴重影響了模具制造的經(jīng)濟性，對于硬質合金齒輪模具，放電加工是目前惟一有效的方法。因此，當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遠超過放電加工；高速銑加工的模具表面光潔，不會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。

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