直齿圆锥齿轮模锻技术的应用与发展

摘要：齿轮加工方法比较多，传统的加工方法也很成熟，但是对一些特殊齿轮特别是直齿圆锥齿轮的加工过程中的传统的加工方法就有很多不足。采用精密模锻就可以显出它的优越性。本文对直齿圆锥齿轮精密模锻生产工艺以及发展进行了论述。

关键词：直齿圆锥齿轮；精密模锻；应用与发展

中图分类号TH13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）66-0116-02

精密模锻是从普通模锻发展起来的一种重要的生产技术，是一种少无切屑的压力加工方法。采用精密模锻工艺生产的锻件尺寸精度高，可达4~5级精度；尺寸公差小，仅为普通模锻件的1/3；拔模斜度小，一般为0°~3°；锻件表面质量好，表面粗糙度达Ra12.5~Ra1.6，锻成的齿轮齿面能以锻面直接使用。精密模锻件一般不需机械加工或只需少量后续机械加工就可装配使用，比普通锻件和自由锻件减少机加量50%~80%，材料利用率提高60%~80%，生产效率高。同时，精锻件合理的金属流线分布提高了零件的内在质量。对于批量大的中小型锻件采用精锻方法生产，效益十分显著。直齿圆锥齿轮精锻工艺是指模锻直伞齿轮时轮齿直接被锻出，齿面不再进行切削加工的精密模锻工艺。直伞齿轮广泛应用于汽车、拖拉机、摩托、坦克等一切行走机械的差速器中，应用面广、需求量大、易磨损，目前我国每年直伞齿轮需求量仅汽车、拖拉机所需的行星齿轮、半轴齿轮就达1 000多万件。用传统机械切削方式生产直伞齿轮，速度慢、效率低、精度差；而采用精密模锻方法生产，具有生产效率高、节约工时、材料消耗少、产品质量高、生产成本低、使用寿命长的优点，其生产应用具有十分重要的经济意义和广阔前景。

1 直齿圆锥齿轮精锻特点

采用精密模锻工艺生产直伞齿轮，最突出的优点是使轮齿直接锻出，齿形部分加工就能直接使用。虽然直齿圆锥齿轮精锻模具的制造费用相对较高，但是由于直伞齿轮的市场需求量大，在批量生产的条件下，采用精锻工艺仍能明显提高生产率，降低生产成本，在摩擦压力机上精锻生产行星齿轮和半轴齿轮，齿形精度可达到8级，材料利用率为40%~80%，节约成本70%，生产率提高2倍~3倍，使用寿命比切削齿轮长20%。除此之外，和切削加工的齿轮相比，精锻直齿圆锥齿轮还具有以下特点：

1）齿的强度明显提高。切削加工的齿轮其金属纤维在齿面处被切断，金属纤维不连续；而精锻的直伞齿轮，变形金属由齿根逐渐注射齿顶，其材料纤维组织是沿齿形分布的，由于齿廓是非常细密的锻造组织，加之加工硬化作用，使齿轮的机械性能优越，齿的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度和耐冲击性明显高于切削件；

2） 热处理引起的齿形变形小。采用切削法制造直齿圆锥齿轮时，齿廓部分残留有切削应力，在后续的热处理工序中，将发生变形，齿的精度降低一般约降低一个精度等级。采用精密模锻工艺生产的直齿圆锥齿轮其金属纤维沿齿面连续分布。模锻后残余应力的数值也较小。在后续的热处理工序中，连续分布的金属纤维将会限制锻件齿上某一点应力而引起的变形，所以热处理引起的齿形变形小；

3） 齿面的耐磨性提高，精锻直伞齿轮齿面处是致密的锻造组织，而切削加工的齿轮其金属纤维在齿面处被切断，金属纤维不连续，因此精锻齿轮的齿面耐磨性提高；

4）精锻直伞齿轮的啮合噪音小。

2 直齿圆锥齿轮精锻技术的应用

直齿圆锥齿轮的精锻技术在生产中应用较早。德国伯威尔轻金属（BLW）在50年代取得了该项技术的专利。目前该公司采用摩擦压力机精锻圆锥齿轮和圆柱齿轮多达100种，精锻齿轮的齿面粗糙度达到Ra1.6，接近齿根处为Ra3.2，齿根圆角为Ra0.6~0.8，齿形不再进行切削加工，齿形精度达到DIN6级，节约材料20%~30%，机械性能提高15%~30%。

60年代中期，这种齿轮精密模锻工艺先后被日本、美国、英国、法国等国家引进，并用于批量生产。

我国的直伞齿轮精锻技术未买国外专利，而是自行研制成功并开始应用的。我国采用摩擦压力机精密模锻伞齿轮始于1967年，仅比日本三菱金属矿业公司与联邦德国伯威尔轻金属公司合作精锻生产商业齿轮晚3年。上海汽车齿轮厂于1972年首次将精锻工艺用于汽车差速器直伞齿轮的大批量生产；1974年，山东工业大学首次将精锻工艺用于拖拉机差速器锥齿轮的大批量生产；70年代末期至80年代中期，我国又先后研究成功了摩托车、汽车用的螺旋伞齿轮的精锻工艺，并投入了生产。目前这种工艺在国内已经基本普及。

目前国内生产圆锥齿轮的主要厂家的生产情况如下：上海汽车齿轮厂是国内首家用精密模锻工艺批量生产圆锥齿轮的厂家，目前该厂采用新工艺在3 000kN摩擦压力机上对T234差速器行星齿轮进行精密模锻，其经济效益十分显著；山东工业大学机械厂在4 000kN摩擦压力机上精密模锻泰山—12拖拉机差速器齿轮，目前供应山东全省。上海千斤顶厂精锻生产30t手动螺旋千斤顶大、小圆锥齿轮；上海汽车电机厂在0.5t高速锤上精密模锻制造汽车起重机上的驱动齿轮；唐山冶金矿山机械厂采用1.5t高速锤精密模锻直径达200mm的大伞齿轮；江苏泰县精锻齿轮厂1989年即年生产伞齿轮130多万件，目前该厂已成熟应用“一火两锻”的工艺，年产精锻直齿圆锥齿轮数百万件，成为我国重要的直齿圆锥齿轮生产基地。目前我国用精锻工艺生产伞齿轮的厂家有三十多家，多数厂家的年产量已达几十万件至几百万件，由于精锻齿轮的经济效益显著，其在直齿圆锥齿轮生产行业中的覆盖面迅速增大，我国精锻圆锥齿轮占全国圆锥齿轮生产总量的比例1988年只有28%，而目前已提高到80%以上。

3 直齿圆锥齿轮精锻技术的发展趋势

随着科技的发展，模具材料性能、加工技术和压力机性能的提高，直齿圆锥齿轮精锻技术也在不断的进步和发展。直齿圆锥齿轮的热精锻技术现在已经发展的比较成熟，今后发展方向主要是节材、高效和提高加工精度。直齿圆锥齿轮用途广，需求量大，因此国内外许多专家学者仍致力于改进直齿圆锥齿轮精锻工艺的各个环节，以期获得更好的经济效益。在发展热精锻技术的同时，直伞齿轮温锻、冷锻、冷摆辗成形、温摆辗成形、液态模锻以及直齿圆锥齿轮的轧制等新成形工艺不断地被开发、应用。其中，温锻技术及工艺正在被国内外专家研究应用，试验结果已经达到流动应力较低，成形性能好效果好锻件尺寸精确的目的，且研究结果已逐步开始应用于大量生产试验，具有广阔的发展应用前景。另外，为了提高精度和表面质量，解决一直困扰专业齿轮厂的齿轮热精锻精度的技术难题，齿轮的精锻技术正在向冷精锻方向进行突破，在日本、德国、瑞士等国家，齿轮的冷精锻采用的是特种设备，如摆动辗压机、闭式锻造设备等完全冷成形工艺。，采用冷摆辗成形，可以省去加热设备及有关的能源消耗，且由于摆辗件金属纤维分布合理，加之摆辗过程中的强化，可大大提高成品零件的机械强度，同时加工精度和表面质量（锻压件表面粗糙度可达Ra0.8~Ra0.2）亦大大改善。冷摆辗设备的出现及其工艺技术的发展，为圆锥齿轮制造加工开辟了一条全新的成功道路。液态模锻技术是铸造技术和热模锻技术的复合，其工艺实质就在于利用金属铸造凝固成形时易流动的特点和热模锻技术，使已凝固的封闭硬壳进行塑性变形，强制性地消除因凝固收缩所形成的缩孔，以获得无任何铸造缺陷的各种液态模锻件，而与热模锻件相比，它成形容易，成形力小，具有广阔的应用前景。

面对21世纪，我国的汽车等工业将会有更加突飞猛进地发展，这必将对精锻直齿圆锥齿轮在精度、性能、质量等方面提出更高的要求，也必将推动直齿圆锥齿轮精锻技术更快的发展。齿轮是实现机械传动和变速的主要元件，其质量、性能、价格直接影响着机械设备的使用价值。齿轮精锻工艺代表着一个国家的机械制造技术水平，发展齿轮精锻不仅可以加快我国机械工业的发展步伐，提高整个行业机械产品的水平，从而缩小与世界先进技术的差距，而且可以成为节约钢材的重要途径，为机械工业带来巨大的经济效益。

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