汽车齿轮精密锻造技术.docx

1、汽车齿轮精密锻造技术汽车齿轮的精密锻造技术江苏森威精锻有限公司徐祥 龙 李明明摘要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（4045）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（

2、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（1）。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

3、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）。（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 。（3）热精锻造工艺对于大量生产的汽

4、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

5、 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 8090 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 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

6、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。国内汽车齿轮的骨干企 业如江

7、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

8、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

9、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

10、 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。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，

11、一般要对锥齿轮 的齿形和齿向作修鼓 处理（见图 13；图14)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 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

12、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）。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。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，

13、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

14、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

15、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） 89 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）77.5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

16、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

17、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。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

18、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 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

19、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 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

20、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

21、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

22、 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。（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。图 32.汽车变速箱 结合齿和倒挡齿轮分流锻

23、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

24、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

25、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。参考文献

26、1王秉义：螺旋伞齿轮精密锻造工艺国内外水平及其 发展概况 1991.08.13 锻造工 业P12. 朱震午：齿轮 的少无切削加工1975.103朱伟成：汽车零件精密 锻造技术1999.05 P54上海交通大学：冷挤压 技术1976.06 P456螺旋齿轮的冷锻成形 （4）4吴公明，曹伟松：冷挤压工艺余料块的研究 1992。10 第4 回日中精密 锻 造学术交流 论文集5近藤一义，济木弘行：日本的精密锻造现状 1996。4 第5 回日中精密锻造学术交 流论文集分流 6济木弘行：日本的精密型锻造研究动向 1998。10 第6 回日中精密 锻造学术交流论文集7大岗光茂：变速箱螺旋 齿轮及离合器 齿轮的整体锻造