齿轮精锻工艺的应用

文／党军·陕西法士特汽车传动集团有限责任公司

齿轮精锻工艺的应用

文／党军·陕西法士特汽车传动集团有限责任公司

党军，锻造工艺主管，工程师，主要从事锻造工艺设计、工装设计和设备调试。多项创新获省市职工技术创新二、三等奖。

齿轮是传递运动和动力的最基本的零件之一，精锻工艺生产齿轮是一种极具开发前景的新工艺、新技术，相对传统的切削加工而言，精锻齿轮改善了齿轮的组织和性能。精锻使金属三向受压，晶粒及组织变细，致密度提高，微观缺陷减少；精锻还使金属流线沿齿形连续均匀分布，且少、无切削加工，提高了齿轮的机械性能和材料利用率。一般来说，精锻可使齿轮强度提高20%以上，抗冲击强度提高约15%，抗弯曲疲劳强度提高约20%，齿轮的使用寿命延长1倍以上。

热温冷复合工艺

齿轮精密锻造多采用热冷联合、温冷联合精密成形技术，锻件变形主要由热、温锻阶段完成，重要尺寸由冷锻工艺保证。综合利用热成形、温成形与冷成形工艺特点，制造尺寸大、精度高的锻件。典型的齿轮精密锻造工艺流程为：下料→车削外形或抛丸坯料→涂防氧化皮石墨涂层→少、无氧化感应加热→镦粗→锻造→高温回火→抛丸→清洗→切边、冲孔→涂润滑剂→冷精整。此套工艺流程关键点如下：

⑴车削外形或抛丸坯料。

如果机床达不到工艺要求，则需采用车床车削保证精度，根据锻件特点坯料可采取部分车削，以减少成本。

⑵加热脱碳、氧化的防护。

涂抹防氧化涂层前需对坯料进行清洁，并预热到110±10℃，否则达不到涂层附着效果。涂层必须晾干，坯料进加热炉前应尽量轻拿轻放，防止涂层磕碰脱落，影响使用效果。加热温度不能高于1000℃，否则涂层就会失效，因此热锻比温锻更要注意控制坯料的氧化速度。采用中频感应加热炉加热，使用红外检测仪控制料温并对坯料进行分选，是实现精密锻造的必备条件。

⑶锻造模具润滑。

润滑是精密锻造的成败关键，如果润滑剂选择不当，造成脱模困难，会严重影响锻件表面质量，达不到工艺要求，而且模具寿命也会受到很大的影响，水基石墨脱模剂能很好的满足这种使用要求。自动润滑装置可根据不同的锻件型腔调整喷洒范围，按预定要求润滑、冷却模具，能提高模具寿命，保证脱模顺利。采用自动润滑系统，还能解决人工喷洒不均、频率不稳的问题。

⑷模具制造精度。

模具型腔精度直接影响到锻件精度。采用的恒温、恒湿、五轴高速硬铣工艺，能很好的保证模具型腔的精度要求，并且采用五轴高速硬铣技术，可以将计算机模拟、造型等技术直接转化输入，保证了数据的完整对接。利用机床的红外测头定位，使模具加工的人为误差降到最小。在模具加工过程中，特别是在等高螺旋跨球距精修工序，机床球刀达到20000r/min时，冷却液基本起不到润滑冷却作用，这时可以采用气冷或者预先涂油冷却，确保刀具寿命，而且最后工序需多次测量，特别跨球距尺寸，适时添加刀补，防止因让刀出现的尺寸不合格现象。

模具型腔的渐开线齿形部分若采用慢丝线切割，适当多留余量并进行多遍切割，第一刀后每次切割余量控制在0.02～0.05mm，使用这种分步多次的加工方法，特别在拐角等复杂段，应及时增加附加动力，可保证齿形模具线切割时不发生变形。

⑸自动化操作。

采用机器人取料、放料，消除了人工操作时定位不准、节奏不稳产生影响质量的人为因素。为了将模具在使用过程中的磨损、弹性变形所造成的误差降到最低，冷锻齿模具材料需选用超硬合金，硬度达到58～60HRC，抗压强度达到3900MPa。由于冷锻齿模具具有高硬度、低韧性的特点，几乎不能承受拉应力，因此需采用组合模具设计。采用齿模大过盈量压入凹模，使齿模内圈尽量减小切向拉应力，以免造成模具开裂失效。

精密锻造应注意的问题

在其他工艺参数不变的情况下，机床不同，锻件的尺寸也不同。锻打力大的锻件尺寸大，滑块下行速度快的锻件尺寸小。这是因为锻打力大时，金属填充型腔时凹模弹性扩张量大，所以锻件的尺寸也大；滑块下行速度快，终锻温度高，热收缩量大，锻件尺寸小。所以模具的尺寸应在生产条件稳定，并进行试锻后才能确定。

终锻温度对产品尺寸的稳定性影响极大，特别是跨棒距，如一个产品图纸规定公差只有0.168mm，试验发现终锻温度差10℃，跨棒距变动0.03mm左右。炉温的高低、加热时间的长短、操作时间的长短、滑块下行速度的快慢、模具温度高低、周围环境温度的变化都会造成终锻温度的波动。当跨棒距超出公差时，可将炉温在范围适当调整，让跨棒距满足图纸要求；当温度调整达不到要求时，应修改模具尺寸。

锻件的飞边对精度影响很大，锻件的飞边应均匀。如果凸、凹模之间的间隙不均匀，或者下料不精确，打出的锻件飞边会有缺口或者一边大一边小，这不均匀的飞边在锻件冷却时，会使环状不圆，严重者会导致齿形径向跳动超差。图1所示为锻件飞边对比图，图中左侧飞边连皮均匀，这样的锻件废品非常少。右侧飞边连皮形状不规则，这样的锻件极易出现充不满，且齿形跳动比较大。

图1 锻件飞边对比

精密锻造工艺

锻件齿部冷收缩的控制

锻件齿形尺寸是模具齿形设计的基本依据。导致模具齿形和锻件冷却后齿形产生差异的原因是模具型腔在终锻温度下的热膨胀和在锻造力作用下的弹性变形。在齿环精锻时，变形力小，模具的弹性变形就小，不到锻件热胀量的5%。齿环热锻件的弹性恢复远小于热锻件的收缩量，所以我们在设计时仅考虑热膨胀因素对模具齿模的影响。

常规的做法是凡是精锻后不再加工的尺寸，将齿模的尺寸设计成产品下偏差尺寸的1.009倍。齿模试锻后将锻件加工成成品，逐个测量尺寸，对没有进入产品图下偏差的尺寸，算出差值，根据差值修改齿模的尺寸，就可以加工出非常理想的齿模。

模具设计

模具设计软件主要采用Pro/Engineer三维模具设计（图2）和Deform-3D对金属塑性变形过程进行有限元模拟。Deform-3D能直观的演示整个金属变形过程，表现生产过程中金属的流动规律和各种因素对金属变形的影响，以及成形过程中锻件和模具的应力应变分布规律。锻件成形模拟还能预测金属塑性变形过程中可能出现的缺陷，并可以此为理论依据进行工艺优化和模具改进，这种有限元模拟方法可以缩短新产品开发周期和降低试制成本。锻件成形模拟见图3。

图2 三维模具设计

图3 锻件成形过程模拟

精密锻造工艺的应用

⑴闭式锻造。闭式锻造可用于伞齿轮和等速万向节星形套等复杂零件的无飞边成形。闭式锻造的锻件见图4。

图4 闭式锻造的锻件

⑵分流锻造。分流锻造可用于较大规格齿轮的精密成形。利用齿坯中心孔分流减压，采用液压机构对反向凸模进行背压，利用较小载荷锻造齿形。分流锻造，组合凸模结构和背压机构均是提高齿轮冷锻整形模具寿命的有益措施。分流锻造的齿轮锻件见图5。

图5 分流锻造的齿轮锻件

结束语

对热锻或温锻后的锻件进行冷精整，可以稳定的获得DIN7级齿形成形精度，有效地提升锻件精度水平和材料利用率，在降低成本的同时，提高了市场竞争力，采用精锻工艺是齿轮锻造企业提高经济效益和竞争力的必要措施。