齒輪精密成形中尺寸精度的保證措施

齒輪精密成形中尺寸精度的保證措施

文/王以華·上海交通大學(xué)

張海英，王黎·上海保捷汽車零部件鍛壓有限公司

陸賢·上海運(yùn)良企業(yè)發(fā)展有限公司

林健，吳振清·上海樺廈實(shí)業(yè)有限公司

齒輪作為傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的最基本零件之一，在工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。采用精鍛工藝生產(chǎn)齒輪是一種極具開發(fā)前景的新工藝、新技術(shù)。相對傳統(tǒng)的切削加工而言，精鍛工藝不僅可使齒輪加工的材料利用率由目前的40％左右提高到70％以上，而且精鍛使得金屬材料的纖維流線沿齒形均勻連續(xù)分布，晶粒及組織細(xì)密，微觀缺陷少，從而提高齒輪的綜合力學(xué)性能，抗沖擊強(qiáng)度提高約15％，彎曲疲勞壽命提高20％以上，生產(chǎn)效率提高40％左右，生產(chǎn)成本可降低20％～40％。美國伊頓公司年產(chǎn)精鍛齒輪一百多萬件，公差可達(dá)±0.015～0.03mm。德國BLM公司生產(chǎn)的熱精鍛齒輪多達(dá)百余種，大多采用熱鍛或溫鍛后冷整形，齒形精度可達(dá)DIN6級，該公司的精鍛螺旋傘齒輪的最大直徑達(dá)280mm。

盡管齒輪精鍛有諸多好處，但使用精鍛工藝生產(chǎn)齒輪的廠商仍屈指可數(shù)，究其原因，還是在關(guān)鍵尺寸的控制上難以達(dá)到要求。本文就齒輪精鍛關(guān)鍵尺寸的保證談一些看法。

表1各種模鍛方法性能成本的比較

熱溫冷復(fù)合工藝

一般外徑小于90mm可以采用冷鍛，大于90mm采用溫鍛-冷整形。溫冷復(fù)合工藝是將毛坯加熱到700～950℃模鍛，再將關(guān)鍵尺寸在室溫下冷整形。其是利用材料在溫鍛溫度內(nèi)其流變應(yīng)力僅是冷鍛的1/2～1/3，對數(shù)變形能力幾乎是冷鍛的3倍，表面質(zhì)量也不是熱鍛那樣氧化嚴(yán)重，詳細(xì)比較見表1。由溫鍛制出的預(yù)鍛件，由于溫度低于熱鍛，其氧化皮厚度、余量及公差均小于熱鍛，約為0.1mm，其齒形部分所敷設(shè)0.15～0.5mm的余量。溫鍛后的預(yù)鍛件一般不必退火（個(gè)別有要求的精鍛件也可做等溫退火）、不必磷化-皂化，只要均勻噴涂，具有良好潤滑性能油霧，即可進(jìn)行冷整形。

上海保捷汽車零部件鍛壓有限公司，就是在6.3MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上1000℃亞熱鍛韓國法雷奧輪轂，然后在200t液壓機(jī)上冷整形成形，僅需7道工序。原法雷奧輪轂全冷鍛生產(chǎn)，需3次退火、酸洗、磷化-皂化，共需21道工序。保捷公司生產(chǎn)出的產(chǎn)品經(jīng)韓國6個(gè)月試用及檢測，完全滿足韓國企業(yè)的要求，這使生產(chǎn)成本大幅下降。

溫鍛及冷整形的設(shè)備及模架

油壓機(jī)、螺旋壓力機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)和多滑塊壓力機(jī)等可被用于精密鍛造。從生產(chǎn)考慮，肘桿式壓力機(jī)用得最多，其次是曲柄式壓力機(jī)。油壓機(jī)經(jīng)常被用于多品種、少量生產(chǎn)和開發(fā)試驗(yàn)。表2給出精鍛用的壓力機(jī)的特性。

閉塞力發(fā)生裝置有的裝在壓力機(jī)上，也有的裝在模架上。用油壓機(jī)進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，閉塞力發(fā)生裝置大多裝在模架上，試驗(yàn)開發(fā)用油壓機(jī)的閉塞力發(fā)生裝置裝在壓力機(jī)本體上的較多。使用機(jī)械壓力機(jī)的時(shí)候，大多使用帶有閉塞功能的模架。根據(jù)合模能力及閉塞行程的大小，閉塞力發(fā)生源可使用油壓、氣壓、氮?dú)鈮?、氨甲酸酯橡膠和彈簧等。

閉塞鍛造要求能量大，加工能力大，因自動(dòng)送料及下模的緩沖缸的因素，還要求滑塊行程長的壓力機(jī)。一般滑塊行程需要400mm以上，生產(chǎn)性壓力機(jī)滑塊行程短，約為通常壓力機(jī)的一半，行程20～30次/min。

冷整形的模架就不能使用普通模架，因普通模架導(dǎo)柱與導(dǎo)套之間的間隙可達(dá)0.3～0.5mm，根本無法整出±0.015～0.03mm的公差來。要想達(dá)到如此高精度的公差，必須用滾珠導(dǎo)柱模架，如圖1所示。其導(dǎo)柱與導(dǎo)套間常用零碰零配合。

圖1冷精整專用液壓模架實(shí)物

模具結(jié)構(gòu)的選用

表2精鍛用壓力機(jī)的特性

直齒圓錐齒輪

⑴凹模設(shè)計(jì)。轎車圓錐齒輪閉式鍛造時(shí)，由于齒輪材料強(qiáng)度高、變形抗力大，所以，模具要承受非常強(qiáng)大的應(yīng)力作用，模具使用壽命很短。尤其凹模的齒頂部位，容易斷裂，造成模具壽命短，對齒輪的精度構(gòu)成很大損害。以圖2、3所示轎車齒輪的精鍛凹模為例，對凹模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

①凹模的齒頂高出分模面，深入上模中，如圖2所示。

②分模面與齒頂平齊，齒頂完全埋在下凹模里，如圖3所示。

圖2凹模設(shè)計(jì)方案1

圖3凹模設(shè)計(jì)方案2

對于模數(shù)較大或者大的圓錐齒輪采用小飛邊開式熱精鍛，因變形抗力和總的成形力大大降低，且大端齒頂露出分模面易于散熱，故采用方案1是合理的。

圖4所示為采用方案2進(jìn)行閉式模鍛時(shí)，即將分模面取在與齒頂平齊時(shí)，則完全消除了產(chǎn)生附加彎矩和產(chǎn)生剪切應(yīng)力的可能。同時(shí)由于工藝補(bǔ)償空間增大，有效地減小了模具內(nèi)部壓力，避免了齒頂尖壓力過大的情況。

⑵切邊沖孔復(fù)合模設(shè)計(jì)。一般精鍛的錐齒輪的中心孔不沖出，怕在沖孔時(shí)齒形變形，留在機(jī)加時(shí)鉆孔。這無疑增加了材料消耗，而且加大了機(jī)加工量，使精鍛齒輪的效益打了折扣。作者在實(shí)踐中設(shè)計(jì)了切實(shí)可行的切邊沖孔復(fù)合模，示于圖5。

圖4方案2在冷精鍛結(jié)束瞬間模具齒頂受力圖

圖5錐齒輪的切邊沖孔復(fù)合模

帶有緩沖彈簧的（圖中未畫出）模具在工作的時(shí)候，將鍛件放在與其外形相適應(yīng)的定位器里，該模能保證鍛件較好地定中心和良好的切邊質(zhì)量。沖孔沖頭和切邊凹模與熱鍛件的接觸僅僅在切邊和沖孔的瞬間，以保證提高模具壽命。

為鍛件擺放方便和更可靠的定位，在切邊和沖孔之前，定位器凸出凹模刃口20～30mm。在進(jìn)一步下降時(shí)，沖頭壓縮彈簧并壓緊鍛件以消除其翹曲。

因此，從沖頭與鍛件接觸的瞬間開始，在沖頭和彈簧定位器之間始終保持壓力，故鍛件的外形和尺寸得到保證。

直齒圓柱齒輪

閉塞冷鍛成形的齒形精度可滿足一般汽車的使用要求。對較大尺寸齒輪，精度有較高要求時(shí)，在齒輪熱鍛或溫鍛后，進(jìn)行等溫退火，再在精密成形模具中做一次冷精整，可穩(wěn)定地獲得DIN7級齒形成形精度。由于冷精整變形量小，并為了提高齒面質(zhì)量，齒坯精整前用少量的稀油噴霧潤滑，不必作磷-皂化處理。由于齒坯做了等溫退火，后續(xù)滲碳淬火時(shí)齒形變形量較小而且規(guī)律性好，故可據(jù)淬火變形規(guī)律對鍛造齒形進(jìn)行修正，最終使熱處理后精度不下降。根據(jù)駐車齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，上海保捷鍛壓公司開展其熱鍛-冷鍛聯(lián)合精密成形工藝生產(chǎn)實(shí)況。

圖6所示為某駐車齒輪的鍛件圖，該零件由輪齒、輪輻和輪轂三部分組成，材質(zhì)為20CrMnTiH。輪齒部分有16個(gè)矩形齒，齒頂圓直徑為φ99.8mm，齒根圓直徑為φ88.5mm，齒寬為9.1mm，齒高為5.65mm，齒厚為20.4mm。輪輻連接輪齒和輪轂，厚度為7.5mm。輪轂上端凸緣外徑為φ38.02mm，輪轂下端外徑為φ48.0mm，與輪齒部分在直徑上相差兩倍以上。輪轂下端還有兩個(gè)對稱分布的油槽。該駐車齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直徑偏大且輪齒厚而高，塑性變形量很大。若單純采用冷鍛工藝，成形載荷很大，對模具強(qiáng)度和鍛造設(shè)備要求很高；若單純采用熱鍛工藝，尺寸精度難以保證。故本文采用熱鍛-冷鍛聯(lián)合精密成形工藝，充分發(fā)揮熱鍛和冷鍛的各自優(yōu)點(diǎn)，即先用熱鍛工藝獲得復(fù)雜的零件外形和大致的齒形，由于熱態(tài)下材料變形抗力低，大變形條件下成形載荷不大，便于組織多工位連續(xù)生產(chǎn)。再用冷鍛工藝對精度要求較高的零件局部（如齒形部分）進(jìn)行冷精整，由于精整變形量小，可在較小載荷下獲得高精度齒輪。

圖6駐車齒輪鍛件圖

該齒輪零件的主要工步為：

⑴下料、加熱。

⑵成形鐓粗，如圖7a所示。

⑶預(yù)鍛，如圖7b所示。

⑷終鍛，如圖7c所示。

⑸沖孔。

⑹車端面。

⑺冷鍛整形，如圖7e所示。

其中⑴～⑸工步可“一火”連續(xù)完成，以節(jié)省能源，提高生產(chǎn)效率。

圖7駐車齒輪熱鍛-冷鍛聯(lián)合成形工藝方案

采用上述熱鍛-冷鍛聯(lián)合成形工藝試制該駐車齒輪零件，首先在6.3MN高能螺旋壓力機(jī)上完成終鍛等4道熱鍛工步，得到了如圖8所示的齒坯，從成形效果來看，熱鍛后駐車齒輪零件基本成形，輪轂和輪輻已幾乎接近設(shè)計(jì)要求，輪齒下端有塌角現(xiàn)象，有待后續(xù)冷鍛整形。

圖8熱鍛齒坯

沖孔后再車削加工去除齒坯上端多余金屬，經(jīng)過正火、拋丸去除氧化皮后，在6300kN冷鍛壓力機(jī)上完成冷鍛整形。圖9為冷鍛整形工藝示意圖，該模具裝在圖1所示模架上。為能在較小載荷下鍛足齒形，利用齒坯中心孔分流減壓。為便于模具制造，反向凸模采用組合結(jié)構(gòu)，由反向凸模芯和反向凸模套組成。為改善反向凸模受力狀況，采用液壓機(jī)構(gòu)提供背壓。分流鍛造、組合凸模結(jié)構(gòu)和背壓機(jī)構(gòu)均是提高駐車齒輪冷鍛整形模具壽命的有益措施。圖10所示為最終的駐車齒輪鍛件產(chǎn)品，輪轂下端的油槽已擠出，鍛件全部尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9冷鍛整形工藝示意圖

圖10冷鍛整形后的駐車齒輪鍛件

模具材料的選用及加工

為了將模具在服役時(shí)的磨損、彈性變形所造成的誤差降到最小，凹模內(nèi)圈材料選用超硬合金，硬度達(dá)到1037HV以上，抗壓強(qiáng)度達(dá)到3900MPa。使用硬質(zhì)合金作為模具內(nèi)圈時(shí)，由于硬質(zhì)合金具有高硬度、低韌性的特點(diǎn)，幾乎不能承受拉應(yīng)力，因此在組合模具設(shè)計(jì)必須優(yōu)選模具尺寸及過盈量，使凹模內(nèi)圈盡量減小切向拉應(yīng)力，以免造成模具開裂失效。上海保捷汽車零部件鍛壓公司結(jié)合倒錐齒冷整形模具內(nèi)外圈采用8‰的大過盈量配合，采用冷套法壓入裝配。

為了解決凹模模膛在電加工過程中因電極的燒損和電加工規(guī)準(zhǔn)造成的誤差，對精整模膛的放電加工采用粗加工→中加工→半精加工→精加工多電極的加工工藝，電極的材料選擇銅鎢合金。同時(shí)要合理選擇各工序的放電間隙，其中，精加工的放電間隙單邊只有0.015～0.02mm，基本上消除了電火花加工時(shí)因電極燒損和電規(guī)準(zhǔn)對模具造成的誤差，保證了精整模膛的一致性。

模具型腔的漸開線齒形部分若采用慢走絲線切割，適當(dāng)多留余量并進(jìn)行多遍切割，第一刀后每次切割余量控制在0.02～0.05mm，使用這種分步多次的加工方法，可保證齒形模具線切割時(shí)不發(fā)生變形，并且齒厚公差一周內(nèi)可控制在0.01mm以內(nèi)。

為了減小精整工件齒形金屬與模具表面的流動(dòng)阻力，要對精整模具模膛進(jìn)行珩磨和超聲波拋光，使模膛表面粗糙度R a達(dá)到0.2μm。

對行星齒輪和半軸齒輪冷精整后的效果：未精整前安裝距的變動(dòng)范圍為≤0.35mm，精整后安裝距的變動(dòng)范圍≤0.2mm。對同一產(chǎn)品不同精整模精整后的安裝距的誤差≤0.03mm，確保了產(chǎn)品的一致性和互換性，表面的粗糙度R a也由3.2μm提高到1.6μm。

結(jié)束語

一般說來，在齒輪精鍛中能夠很好掌握上述要點(diǎn)，在現(xiàn)有熱鍛設(shè)備基礎(chǔ)上，選購一臺(tái)小型精鍛壓力機(jī)，配以滾珠導(dǎo)柱模架，對熱鍛或溫鍛后的鍛件，進(jìn)行冷精整，可以穩(wěn)定地獲得DIN7級齒形成形精度，有效地提升現(xiàn)有的鍛件精度水平，在市場競爭的大潮中立于不敗之地。