结合齿轮中空分流闭式热锻与冷精整

1.例19 结合齿轮中空分流闭式热锻与冷精整^［21］

（1）结合齿轮的结构特点 结合齿轮多用于汽车变速器的传动、换挡机构中。一般每台变速器中有4～5件，使换挡传动产生不同种级差。由于设计上的精妙和换挡手感平稳、灵活可靠，越来越多的轿车变速器齿轮传动系统采用了这一零件。

某型汽车变速器结合齿轮二维图如图8-54所示，三维实体造型如图8-55所示。由图可以看出，处于轮毂和外圈为斜齿的轮缘之间的辐板上的齿圈，其齿形为齿尖向上的倒锥形，齿圈与轮缘之间为一窄而深且截面为梯形的环形沟槽，结构复杂，精度要求高。

图8-54 结合齿轮二维图

（2）传统机械加工方法存在的问题

图8-55 结合齿轮三维造型图

传统的机械加工方法是：沿锥形齿圈外环形深槽处将其分解成内部的离合器齿轮和外部的环形斜齿轮两个零件，分别采用机械加工后，焊接为一整体功能零件即结合齿轮。这种加工方法得到的结合齿轮虽然也能满足使用要求，但存在着一系列问题：

①材料利用率低，分成两件后，均分别采用锻造毛坯经过机械加工方法加工成独立的成品零件，其材料利用率仅为35％左右。

②焊接变形和后续热处理稳定性差，导致齿轮强度、互换性、抗应力腐蚀和耐疲劳性下降。

③生产效率低下。

④生产成本高。

（3）结合齿轮常规闭式锻造成形工艺及模具结构 近十年来，有的国内齿轮制造企业尝试采用多工序热精锻成形工艺实现结合齿轮的整体化成形，其工艺技术路线为：下料→中频感应加热（T≤1200℃）→镦粗→预锻→终锻→后续加工，其精锻成形工序如图8-56所示。镦粗工序的作用；一是将圆柱体坯料镦粗成饼状毛坯，饼状毛坯的直径比预锻件直径略小，以便于准确放置在预锻模膛内成形；二是通过镦粗去掉表层氧化皮。预锻工序是为了得到外轮廓与终锻件外轮廓相似而尺寸略小的工件，一是保证终锻顺利成形；二是减轻坯料金属终锻时的变形程度，提高终锻模具的使用寿命。终锻工序则是得到所需形状和尺寸精度的结合齿轮精密锻件。

图8-56 结合齿轮常规精锻成形工序

a）下料 b）镦粗 c）预锻 d）终锻

图8-56所示的精锻工艺对应的工况与模具即镦粗、预锻和终锻时金属在模膛内的成形状态如图8-57所示。为了减小对压力机偏载的影响，将终锻工序安排在中间位置。

由图8-57可以看出，预锻和终锻采用的是常规的闭式模锻，即预锻件和终锻件，特别是终锻件是完全处在封闭的模膛内成形。

（4）结合齿轮中空分流锻造与冷精整复合成形 由于结合齿轮中空分流锻造是热模锻的范畴，即使是采用温态中空分流锻造，所得齿轮锻件的齿形精度及表面粗糙度数值也很难达到汽车变速器传动精度的要求。因此，提出中空分流锻造与冷精整相结合的复合精锻成形工艺，其工艺技术路线为：下料→中频感应加热→镦粗→预锻→终锻（中空分流锻造）→冲孔→清理→冷精整→倒锥，如图8-58所示。

由复合精锻成形工艺生产结合齿轮同传统加工方法相比较，具有以下优点：

①由整体精锻成形代替分体加工后焊接为一体，材料利用率由35％提高到90％以上。

②结合齿轮精密锻件的倒锥齿圈，其齿形达到GB／T 10095.1—2008中的7～8级精度，齿面粗糙度值为Ra0.4～0.8μm，可达到直接装车使用的要求。

③结合齿轮精密锻件仅中心孔和轮缘需少量精密加工后进行外圆斜齿加工，生产效率可提高5～6倍。

图8-57 结合齿轮常规三工序模锻

a）镦粗单元 b）终锻单元 c）预锻单元

1—镦粗上模板 2—镦粗上模座 3—镦粗上模垫板 4—镦粗上模 5—镦粗上模压板 6—内六角螺钉 7—终锻上模板 8—终锻上模座 9—终锻凸模垫板 10—终锻凸模 11—终锻凸模固定圈 12—终锻凸模压板 13—预锻上模板 14—预锻上模座 15—预锻凸模垫板 16—预锻凸模 17—预锻凸模压板 18—镦粗下模座 19—镦粗下模垫板 20—镦粗下模 21—镦粗下模板 22—终锻凹模压板 23—终锻凹模预紧圈 24—终锻凹模 25—终锻下模座 26—终锻下顶杆 27—终锻凹模芯块 28-终锻下模板 29—预锻凹模压板 30—预锻凹模 31—预锻凹模垫板 32—预锻下顶杆 33—预锻凹模芯块 34—预锻下模座 35—预锻下模板

图8-58 结合齿轮复合精锻成形工艺

a）下料 b）镦粗 c）预锻 d）终锻 e）冲孔 f）冷精整 g）倒锥

④无焊接变形的影响，加上金属流线连续且分布合理，齿轮产品的力学性能大大提高。

⑤生产成本大大降低。

2.例20 倒挡齿轮半闭式热模锻与中空分流冷精整

（1）倒挡齿轮的技术要求及热锻冷精整工艺方案设计 倒挡中间齿轮是用于倒车，其齿形如图8-59所示，该产品齿部精度为GB／T 10095.1—2008的8级。为防止脱挡，齿向方向设计有19′20″～36′32″的倒锥角。沿齿轮高度方向，轮毂与齿形部分截面变化非常大，最大达到4.5倍，这意味着在成形过程中材料的流动极不均匀，成形极为困难。我国生产变速器的厂家大部分都是采用机械加工的工艺方法生产，不仅生产成本高，加工周期长，材料利用率低，而且力学性能差，市场投诉率高，主要反应倒挡中间齿轮断齿。为了解决该齿轮质量问题，根据倒挡中间齿轮的特点提出温冷精锻多工步复合锻造新工艺，用来进行倒挡中间齿轮的锻造加工。温冷精锻复合成形新工艺的采用使倒挡中间齿轮金属流线完整，提高了接触疲劳强度。具体工艺过程为：下料→制坯→温模锻成形→等温正火→钻孔→抛砂→磷化→冷整形→冷倒锥，主要工序如图8-60所示。齿轮凹模在锻造时应力集中严重，往往预紧圈远远没有达到屈服点，凹模就因应力集中而失效，采用传统的方法设计不能达到最佳效果，故提出以凹模内壁在锻造时获得最大预应力为目标来进行优化。

图8-59 倒挡中间齿轮零件图

图8-60 温锻冷精整成形工艺

a）下料、制坯 b）温预锻 c）温终锻 d）冷精整 e）冷倒锥

考虑到零件图上端ϕ37mm法兰下面的矩形槽锻出困难，故将其添加敷料变为ϕ37mm的实体，并将轮毂的ϕ20mm中心孔也变为实体。模锻时，将ϕ37mm的轴端置于下凹模，这样可使圆盘齿轮零件顶端的斜角与模锻时毛坯金属填充及模锻结束的出模方向一致；将锻件齿轮顶端（即零件齿轮的下端）作为分模面，将凹模的飞边槽设计成平面缝隙式圆环结构，通过坯料体积公差的控制，使模锻结束时飞边的外缘仍为自由表面，从而使飞边槽兼有多余金属分流腔的作用。

（2）热锻凹模型腔的设计 热锻凹模型腔的设计要综合考虑锻后热收缩量、冷锻精整量和表面氧化量。热锻凹模齿厚计算公式为

S_热＝（S_精＋S_氧－ΔS_整）K

式中 S_热——热锻凹模齿厚；

S_精——精整凹模齿厚；

S_氧——表面氧化量；

ΔS_整——冷锻精整量；

K——锻后收缩量。

精整凹模齿厚＝产品倒锥后大端齿厚＋倒锥量，倒锥量根据产品齿部精度要求、齿面粗糙度进行设计，一般为≥0.06mm。表面氧化量、冷锻精整量、锻后收缩量需根据工艺试验数据进行优化处理。综合计算出热锻凹模齿厚。

（3）冷精整与倒角成形工艺 如图8-60所示，齿形的冷精整需在钻孔和磷化之后进行，若在钻孔之前进行冷精整，其精整效果差，而且精整力急剧增大；若在钻孔之后进行冷精整，其中心孔径产生微量缩小而起到中心孔分流的作用，这一点将在大模数直齿圆柱热锻冷精整的实例作详细分析。磷化主要是起到润滑而减少摩擦阻力、改善金属流动、提高齿面光洁程度的作用。

（4）热模锻与冷精整设备的选择 热模锻可采用热模锻压力机，实现成形镦粗制坯和模锻成形；冷精整与倒角可采用肘杆式机械压力机或冷精锻液压机等刚性好、精度高的压力机。

江苏太平洋精密锻造科技股份有限公司在国内率先建立了结合齿轮、倒挡齿轮和大直径圆锥齿轮温热锻与冷精整复合成形工艺生产线5条，年产这类精密齿轮锻件近800万件，其中，精锻结合齿轮等为国外三大汽车公司在中国的首选精锻齿产品（见图8-61）。

图8-61 供应WW、GM、MITSV的精锻齿轮

图8-62所示出的用于精锻成形倒挡齿轮的浮动凹模模具结构［58］。齿轮模数m＝3mm，齿数z＝25，采用工业纯铅进行了工艺试验，并采用有限元进行了模拟，模拟结果与工艺试验结果相符合。通过两种方法得到的闭式锻造成形过程可分为变形初期、齿腔充填和最后充满三个阶段。在成形过程中，毛坯上的分流面位于梯形槽部位，分流面以外的金属充填齿形型腔，而分流面以内的金属流入梯形型槽，齿形型腔的下端和凹模中心盲孔即锻件的下凸台，采用浮动凹模并以梯形槽作为约束分流，有利于降低其成形力，所得试件成形良好。

图8-62 浮动凹模模具结构简图

3.例21 m＝4mm大模数直齿圆柱齿轮中空分流锻造^［59］

对于m≤2.5mm的小模数贯通式直齿圆柱齿轮和非贯通式直齿圆柱齿轮分别采用正向冷挤压和以正反挤压式的闭式冷精锻工艺进行生产，已有较多文献进行了报道，不再赘述。本节主要讨论m≥3mm、且高度尺寸较大的大模数直齿圆柱齿轮中空分流精锻成形工艺及模具设计。

（1）零件与闭式模锻件设计 图8-63a所示为某驱动桥行星齿轮零件图，材料是20CrMnTiH。该齿轮m＝4mm、z＝18，为大模数齿轮，齿顶圆直径为82mm，齿根圆直径为66mm；中间为一通孔，直径为45mm，高度为58mm。

由于该零件上、下端面粗糙度要求较高，各留1mm加工余量；内孔粗糙度要求更高，单边留有1.5mm加工余量。所设计的闭式单向反挤压锻件如图8-63b所示，冲孔连皮厚度为8mm。按5.2.1节中所述，所选毛坯直径为65mm，长度根据所设计的锻件按照体积相等的原则进行计算。

（2）闭式精锻模具设计

1）固定凹模闭式单向反挤压预成形模具。直齿圆柱齿轮固定凹模闭式单向反挤压预成形模具结构如图8-64所示，它分为上模和下模两部分。上模由凸模9、挤压筒18、压板19、凸模座17、垫圈10、凸模垫块16、固定圈11、座圈15、固定块12等零件组成；下模由凹模6、凹模预紧圈21、凹模垫板22、凹模底板3、顶出器2、凹模垫圈23、垫板24、下顶杆25、下顶杆套26和凹模座27等零件组成。上模和下模通过导套8和导柱1导向。(www.xing528.com)

图8-63 零件图与锻件图

a）零件图 b）锻件图

其工艺原理及工作过程是：将加热好的毛坯放入组合式预紧凹模6与凹模底板3组成的模膛中，压力机外滑块14下行带动凸模座17和挤压筒18等向下运动与凹模6合拢并压紧形成整体凹模模膛，然后，压力机内滑块13带动凸模9下行，进入挤压筒18，对毛坯施加作用力，迫使毛坯金属产生塑性变形，进而充满齿形凹模模膛而得到直齿圆柱齿轮预成形件。挤压完成后，内滑块13带动凸模9等上行，从齿轮预成形件中退出；随后，外滑块14带动挤压筒18等上行，退回原位；此时，顶出系统通过下顶杆25推动顶出器2将齿轮预成形件20从凹模6中顶出。

图8-64 直齿圆柱齿轮固定凹模闭式单向反挤压预成形模具

1—导柱 2—顶出器 3—凹模底板 4—圆柱头内六角螺钉 5—导柱压板 6—凹模 7—导套压板 8—导套 9—凸模 10—垫圈 11—固定圈 12—固定块 13—压力机内滑块 14—压力机外滑块 15—座圈 16—凸模垫块 17—凸模座 18—挤压筒 19—压板 20—预成形件 21—凹模预紧圈 22—凹模垫板 23—凹模垫圈 24—垫板 25—下顶杆 26—下顶杆套 27—凹模座

2）闭式浮动凹模单向反挤压预成形模具设计。图8-65所示为直齿圆柱齿轮浮动凹模闭式单向反挤压预成形模具结构，由上模、下模和浮动模块15组成。浮动模由弹簧2支承在下模块4上，可沿导柱17上下浮动，并由限位螺栓16限定其向上浮动的极限位置。凹模采用预应力组合结构，带内齿的内层凹模6与带外齿的下模块4间隙配合。合模前，浮动模块15在弹簧2和限位螺栓16的作用下处于其上极限位置，内层凹模6与下模块4形成的模膛深度大于锻坯高度。

图8-65 浮动凹模闭式单向反挤压预成形模具

1—顶杆 2—弹簧 3—垫板 4—下模块 5—预成形件 6—凹模7—凸模 8—上模块 9—圆柱头内六角螺钉 10—上模板 11—凸模垫板 12—压块 13—凹模预紧圈 14—凹模固定块 15—浮动模块 16—限位螺栓 17—导柱 18—下模板

工作时，将加热好的毛坯放入凹模内，压块12、上模块8和凸模7等随压力机滑块下行。首先，上模块8先与内层凹模6的上端面接触，形成封闭模膛；然后，随着压力机滑块的继续下行，浮动凹模被推动向下移动，使封闭模膛高度变小，同时，凸模对毛坯施加作用力，毛坯被镦挤变形直至充满模膛；最后，上模随压力机滑块回程，浮动凹模上浮至其上极限位置，顶出系统通过顶杆1推动下模块4将精锻件顶出凹模。

（3）中空分流冷精整工艺及精整量的优化 冷挤压精整成形工艺原理如图8-66a所示，其挤压成形过程为：当凸模随压力机处在上限位置时，将预成形件放入挤压凹模的料筒，凸模下行对预成形件施加作用力，使其通过挤压凹模的工作带；当凸模前端穿过工作带时，预成形件成形为直齿圆柱齿轮精密锻件，锻件落到下模板上，凸模向上行程回到初始位置。由图8-66b可以看到，其左半部所示为预成形件，右半部所示为终成形件，Δ表示精整量。

冷精整量的大小和凹模锥角的合理选择是中空分流冷挤压精整成形的技术关键。

冷挤压精整属于冷缩径挤压变形，其变形程度

式中，A₀、A分别为挤压变形前和变形后的挤压件外径。由挤压工艺知识可知，实现这种小的挤压变形的凹模入口角即凹模半锥角α≤15°。

图8-66 冷挤压精整成形工艺原理

a）冷挤压初始与结束状态 b）精整量示意图

1—挤压后状态 2—凹模 3—挤压前状态 4—凸模

图8-67 试验模具与锻件

a）试验模具 b）试验所得铅质齿轮样件 c）齿轮钢制样件

（4）工艺试验 根据图8-64所示的模具结构及采用Y28—400／400型双动挤压液压机作为试验设备，所设计制造的试验模具如图8-67a所示。试验所得铅质齿轮样件如图8-67b所示，测量出的技术参数为：齿数z＝18，模数m＝4mm，压力角α＝22.5°，齿顶圆直径d_顶＝82.06mm，齿根圆直径d_顶＝66.05mm，高度h＝60.2mm，成形饱满，轮廓清晰，表面光洁。钢质样件如图8-67c所示，总的成形情况良好，因液压机的滑块挤压速度仅20mm／s，速度过慢，坯料冷却快，变形抗力急剧增大，因而齿轮上、下两端未能充满出现较大圆弧，只要压力机的速度足够快且压力也满足要求，就完全可以使齿腔充满而得到合格锻件。两种材料的试验既验证了模拟分析的结果，也表明该工艺方案的可行性与正确性。

4.例22 无轮毂直齿圆柱轮温热闭式模锻与冷精整^［60］

（1）锻件图设计与闭式模锻工艺 图8-68所示为直齿圆柱齿轮的零件图，材料为20CrMnTi。采用实心毛坯一次热冲挤、镦挤成形，然后再采用冷推挤的方法精确整形齿部。图8-69所示为其精锻件图，与零件尺寸相比，锻件尺寸除内孔带连皮，端面和内孔分别留有1～1.5mm的单边切削余量，齿顶圆和齿根圆分别与齿轮零件尺寸相同。

图8-68 直齿圆柱齿轮零件图

图8-69 直齿圆柱齿轮精锻件图

该锻件的成形工艺过程如下：下料（热轧棒材），除去材料表面缺陷→坯料防氧化加热到1000℃→预锻（制坯）→齿轮热精锻（4000kN摩擦压力机，水剂石墨润滑冷却）→余热退火→表面清理（去氧化皮），粗车内孔和齿轮端面→磷化处理（视需要）→齿面推挤精整（室温下，液压机，植物油润滑），齿面单侧推挤余量厚度为0.12～0.15mm。推挤后齿轮精度比推挤模型腔齿的精度低1级。

推挤后的精锻直齿圆柱齿轮锻件尚需进行以下加工工序：以齿面定位精车内孔和端面，齿端倒角→拉花键（或插键槽，视需要而定）。

（2）浮动式闭式锻模与冷精整模具结构 图8-70所示为直齿圆柱齿轮热精锻模结构，由上模、下模和浮动模块9组成。浮动模由弹簧1支承在下模座11上，可沿导柱8上下浮动，并由螺栓3限定其向上浮动的极限位置。凹模采用预应力组合结构，带内齿的内层凹模5与带外齿的下模块4间隙配合。合模前，浮动模块9在弹簧1和螺栓3的作用下处于其上极限位置，内层凹模5与下模块4形成的模膛深度大于锻坯高度。

工作时，将热锻坯放入凹模内，上模随压力机滑块下行，上模块6先与内层凹模5上端面闭合，形成封闭模膛。随着上模的继续下行，浮动凹模被推下移，使封闭模膛高度变小，锻坯被挤压变形直至充满模膛。然后上模随压力机滑块上行，浮动模上浮至其上极限位置，顶出系统通过顶杆2，推动下模块4将精锻件顶出凹模。

图8-70 直齿圆柱齿轮热精锻模具结构

1—弹簧 2—顶杆 3—螺栓 4—下模块 5—内层凹模 6—上模块 7—中环 8—导柱 9—浮动模块 10—垫板 11—下模座

直齿圆柱齿轮冷推挤模如图8-71所示。凹模采用预应力组合结构，内层凹模1带内齿，齿的上端有导入角。精锻成形的齿轮锻件经过余热退火和表面清理，齿面涂植物油，然后将其放在凹模上，工件齿轮与凹模齿间对正。冲头2在工件上施加静压力，推着工件进入模膛中贯通而过。工件齿面因有多余金属而受到模具齿面挤压，多余金属被挤至齿端，从而实现工件齿面的推挤精整。被冲头推着穿过模膛的工件落在取件板3上，移动取件板，把工件取出，即得到所需的直齿圆柱齿轮。

5.大模数直齿圆柱齿轮约束分流锻造不同约束分流方式的研究与应用^［61-64］

文献［61，62］介绍了针对195柴油机曲轴正时齿轮和带轮毂的直齿轮（见图8-72）提出了三种不同的约束分流方式，如图8-73所示。在图8-73a和8-73b中，分流腔设在内孔处，通过调整约束深度l或约束芯轴的直径d而保证充填与分流的协调关系；在图8-73c中分流腔设在上部，调整芯轴直径d和孔径D可改变约束阻力。利用与图8-62和图8-65所示的模具结构原理相同的浮动凹模，对这三种约束分流形式进行试验研究得到，将常规闭式模锻与分流措施相结合的二步成形法，即终锻时采取分流措施，可有效降低工作压力，改善凹模齿腔的充填性能；约束分流终锻既利用分流降压原理，又通过控制分流量及分流速度，迫使齿腔角部充满并节约材料；采用管料毛坯成形直齿轮可减少常规闭式模锻后的冲孔工序，利用终锻端部分流（见图8-73c）的方法不仅齿形成形好，还可降低工作压力。

图8-71 直齿圆柱齿轮冷推挤模

1—内层凹模 2—冲头 3—取件板

图8-72 齿轮零件图

图8-73 不同的约束分流形式

主要技术参数：模数m＝3mm，压力角α＝20°，齿高h＝6.75mm，分度圆名义弧齿厚t＝4.712mm，精度等级8～9级（GB／T 10095.1—2008）

文献［63］以图8-74所示的减速小齿轮为研究对象，分别设计了固定凹模与浮动凹模小芯轴约束分流，固定凹模与浮动凹模凸缘分流四种试验模具。对于小芯轴约束分流，是在孔分流的基础上增加小芯轴来限制金属在分流孔内的径向流动，小芯轴直径d＝10mm，坯料孔径D₁分别为12mm、16mm、20mm；对于凸缘分流，是在轴分流的基础上增加小芯轴来限制金属向分流口的轴向流动，小芯轴直径d分别为10mm、14mm、18mm，带齿凸模孔径D₂分别为12mm、16mm、20mm，坯料孔径与小芯轴直径对应相等。

图8-74 减速小齿轮零件图

主要技术参数：m＝2.5mm，z＝18，α＝20°，内孔、外圆端面倒角为C1，齿面粗糙度值为Ra0.8μm，齿顶圆表面粗糙度值为Ra1.6μm，上、下端面粗糙度值为Ra3.2μm。

采用工业纯铅管坯，其外径×内径×高度为ϕ38mm×ϕ12mm×25mm，分别进行试验和有限元模拟，所得到的结论为：小芯轴约束分流和凸缘分流可保证齿轮角部即上、下两端的填充；小芯轴约束分流中坯料尺寸为ϕ38mm×ϕ16mm×27.3mm在浮动凹模中的成形力最小，成形情况最好；凸缘分流中坯料尺寸为ϕ38mm×ϕ18mm×25.7mm在固定凹模中的成形力最小，成形情况最好；采用浮动凹模—小芯轴约束分流，相对于固定凹模—小芯轴约束分流有利于降低成形力，且成形效果良好；而浮动凹模—凸缘分流与固定凹模—凸缘分流其成形力有所增加。

文献［64］针对采用常规闭式模锻工艺成形直齿圆柱齿轮时，不仅成形载荷过大，而且上、下两端角部难以充满的问题，提出一种预锻分流区—分流终锻新工艺来成形直齿圆柱齿轮。文献作者所设计的实心圆柱体预锻分流区—分流终锻和空心管坯预锻分流区—分流终锻成形工艺如图8-75所示，直齿圆柱齿轮精锻试验模具如图8-76所示。

图8-75 预锻分流区—分流终锻工艺

a）实心圆柱体成形工艺 b）空心管坯成形工艺

直齿圆柱齿轮零件的基本参数为：m＝1.5mm，z＝18，α＝20°，高度h＝13mm，孔径ϕ11.5mm，试验材料为工业纯铅。通过试验表明，相对于常规闭式模锻，采用预锻分流区—分流终锻新工艺，以管料为毛坯时降低成形载荷近40％，以实心圆柱体为毛坯时可降低成形载荷近50％，两种毛坯均成形良好，端面平整。能产生这样的效果，其原因是：预锻时有意在工件上、下两端压出直径较大而浅的凹坑，终锻时又将其压平，在压平的过程中金属产生较强烈的径向流动而使齿角充满；至于管坯成形时，其成形载荷降低幅度较实心毛坯的小，其原因是处在管坯内孔的芯轴是由刚性体所引起的。

图8-76 直齿圆柱齿轮精锻试验模具