精密模锻领域最新发展

精密模锻的发展趋势是，由接近形（Near net shape of productions）向净形（Net shape of produc-tions）发展，且发展速度很快。下面分别介绍热精锻、冷精锻、温锻和温热与冷态复合精锻的新进展。

1.热精锻的新进展 热精锻的新进展主要是闭式模锻，即无飞边模锻。它分为整体凹模模锻和可分凹模模锻。可分凹模模锻突破了有飞边模锻（即开式模锻）和热挤压两种单一工艺的局限性，综合体现了两种工艺的优点。采用可分凹模模锻其优点是：通过减少乃至消除飞边金属消耗，减少乃至取消模锻斜度，可锻出侧孔等，可使材料利用率平均提高20%以上，减少制坯和切边工序，生产率提高25%～50%；变形金属处于较为强烈的三向应力状态，有利于提高金属材料的塑性，因此，可以模锻一些塑性较差的难变形金属：因为不形成飞边，金属纤维不被切边所割断，不存在金属纤维外露的问题，因而可提高零件的抗应力腐蚀和耐疲劳性能。

闭式模锻在近20多年来得到了较快的发展，其主要原因是多余金属分流降压技术的应用，即在封闭模腔中最后充满变形金属的地方设计形状和大小合理的分流降压腔（孔）。闭式模锻时，当变形金属完全充满模膛时，坯料上多余金属从分流腔（孔）中挤出，这样可降低模膛内的工作压力，减少模膛表面的磨损，从而提高模具的使用寿命；对坯料体积的波动起到调节与补偿作用，并可降低对于下料精度的苛刻要求。可以认为，分流降压原理的应用，成功地解决了闭式模锻的关键技术问题。轿车直锥齿轮闭式精密模锻成功，是运用分流降压技术的典型实例。环形件、法兰类锻件、管接头、阀体、联轴节、链轮、十字轴、万向节叉、变速电动机的爪极等均已实现闭式模锻的批量生产。

不难看出，零件形状越复杂，如三通管接头、十字轴、万向节叉等异形枝叉类零件，采用闭式无飞边模锻，其节材率超过30%，即形状越复杂，节材率越高。

图4-4-1 汽车起动齿轮冷挤压

a）冷挤压件 b）冷挤压模 c）冷锻工艺过程

2.冷精密模锻工艺的新进展

随着冷锻工艺技术和精密模具制造技术的发展，汽车齿轮和齿形类零件的生产已越来越多地采用冷锻成形。当前国外一台普通轿车采用的冷锻件总质量40～45kg，其中齿形类零件总质量达10kg以上。冷锻成形的齿轮单件质量可达1kg以上，齿形精度可达（DIN）7级。随着汽车的轻量化和人们对环境保护越来越严格的要求，汽车齿轮制造业将更多地应用冷锻成形技术。

（1）圆柱齿轮冷挤压成形的优缺点分析 圆柱齿轮正挤压成形是应用最早的齿形成形工艺。典型零件是汽车起动电动机起动齿轮（见图4-4-1a）和汽车传动轴花键。起动齿轮的模具结构和工艺过程见图4-4-1b、图4-4-1c。由于冷挤压过程是金属在高应力下的塑性变形，因此，冷挤压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，最适合于汽车起动及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时，模具齿形制造精度达到（DIN）6级，在批量生产条件下，齿轮成形精度稳定达到（DIN）8～9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）7～7.5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度大于曲率小的部分，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（见图4-4-2），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。正挤压成形工艺的另一特殊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。

图4-4-2 齿轮挤压模的齿形修正

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，而去毛刺是机加工中最伤脑筋的问题。另外，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小模数齿轮的制造。当然，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（见图4-4-3），也可制造底部不通的内齿轮（见图4-4-4）。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。

目前，齿轮的挤压成形技术已从正齿轮成形发展到了斜齿圆柱齿轮和螺旋花键轴的挤压成形，齿形精度已达到（DIN）7级，能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动机、汽车摇窗机等外围部件发展到汽车转向机、汽车变速器等关键总成上。

（2）锥齿轮闭式冷锻成形 锥齿轮的精密锻造最早见于20世纪50年代德国的拜尔工厂，并在蒂森、B.L.W等公司得到广泛的应用。我国上海汽车齿轮厂等20世纪70年代就成功进行齿轮精密锻造生产。但当时采用的是热精锻技术，齿轮锻造精度不超过9级，主要应用于卡车和拖拉机工业。

图4-4-3 贯通内齿轮的挤压成形

图4-4-4 内齿轮反挤压成形

20世纪70年代冷锻和闭式锻造技术得到突破和发展后，锥齿轮的锻造精度得到较大提高，已能满足当代轿车工业的要求。目前，汽车工业发达国家的轿车、轻型车和微型车的行星齿轮、半轴齿轮（差速器齿轮总成）等直齿锥齿轮已广泛采用闭塞冷锻工艺生产，螺旋锥齿轮的精密锻造也在开发中。精锻齿轮产品已得到多个汽车厂的确认并投入了批量生产。锥齿轮闭式冷锻成形原理见图4-4-5。

图4-4-5 锥齿轮的闭式冷锻成形

通常，锥齿轮的切削成形往往采用刨齿机等作展成加工，而锥齿轮精锻成形模的成形电极可用数控加工和展成加工两种方法制造。三种不同方法加工出的齿轮相互啮合时有可能会有接触面不好的负面影响，因而，精锻锥齿轮推荐成对使用。

闭式冷锻成形的齿形精度可满足一般汽车的使用要求。对精度有较高要求时，在齿轮闭式成形后进行等温退火，再在精密成形模具作一次冷精整，可稳定地获得DIN7级的齿形成形精度。由于冷精整变形量小，并为了提高齿面质量，齿坯精整前用少量稀油喷雾润滑，无需作磷化、皂化处理。由于齿坯进行了等温退火，后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，最终使热处理后精度不下降。

（3）采用分流措施的齿轮闭式精密模锻

直齿圆柱齿轮分流锻造原理。图4-4-6为采用分流措施闭式精密模锻直齿圆柱齿轮的原理及工艺过程。第一步为以不超过模具强度的低工作力与常规闭式模锻相结合，使齿形基本成形；第二步通过冲孔或镦锻使齿形型腔完全充满。(www.xing528.com)

（4）汽车齿轮的分流锻造 圆柱齿轮的成形工艺还有闭式冷镦锻成形等。

图4-4-6 二步成形法（R.H.工艺：利用减压孔原理，R.A.工艺：利用减压轴原理）

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，最终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。

20世纪80年代以来，国内外精密锻造专家开始将分流锻造理论应用于圆柱齿轮和螺旋齿轮的冷锻成形。分流锻造的主要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。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。

我国2000年从日本Nichidai公司引进齿轮分流锻造工艺技术和模具技术，开发富康轿车手动变速器倒挡齿轮零件（见图4-4-7a）。该齿轮的成形原理见图4-4-7b，产品冷锻工艺过程见图4-4-7c。由于倒挡齿轮的齿面有一定的锥度要求，因此，齿形成形后要对齿面进行一次锥度整形。该齿轮成形和整形工序在日本小松L1C-6300kN冷锻压力机上完成。

通过倒档齿轮的分流锻造试验，我们认识到分流路径的设计是齿轮分流锻造成形的关键。对于每一个具体的齿轮，可有不同的设计方案，但基本原理是要使材料在锻造时尽量沿齿向有一定的滑动，才能在尽量小的成形应力下得到充满的齿形。

图4-4-7 富康倒车齿轮冷精锻

a）零件图 b）分流成形 c）冷锻工艺过程

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器齿轮的精度要求。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。

分流锻造技术主要应用于汽车变速器齿轮。除倒档齿轮和行星齿轮外，变速齿坯接合齿的成形和接合齿环等齿形零件等有了冷锻成形的工艺和大批量生产的经验。在国外，变速器螺旋齿轮与接合齿的整体精锻也有了成功的经验（见图4-4-8）。

3.温精锻的新进展

温锻成形约起始于20世纪70年代末，当初用于套筒扳手、轴承套圈等零件的生产。其后，没有得到快速发展，但近年来得到了迅速发展。变形温度范围为室温以上、完全再结晶温度以下。同冷锻（主要是冷挤）相比，金属的变形力有明显的降低，有利于减少设备吨位和提高模具寿命；对于难于冷锻的一些金属材料，如中高碳钢、高合金钢、镁及镁合金、钛及钛合金等，一般可以省去坯料或中间毛坯的预先退火、磷化等辅助工序，便于组织连续生产，同时大大减少了环境污染等。同热锻相比，由于加热温度低，氧化和脱碳程度大大减小，其锻件的尺寸精度、表面粗糙度和力学性能与冷挤压零件接近。由于温锻工艺比较集中体现了冷锻和热锻的优点，受到人们的极大关注。尤其近年来，由于模具材质、润滑和冷却等外围技术的发展，使得模具寿命大为提高，有的工序可获得与冷锻模具相同的寿命。

目前，温锻已成功应用于轴承套圈、大模数锥齿轮、变速器齿轮毛坯和等速万向节等汽车零件的生产。今后的趋势是：一方面将以往热锻的部分锻件温锻化，提高锻件尺寸精度，降低成本；另一方面与闭式模锻等其他技术进行结合而省去一些工序和提高成品率等。

等速联轴器的（轴承）星形套以前是用多道工序以冷锻加工的，但为防止锻件局部填充不足和防止模具破损，故必须增加将被挤出的部分材料，成为切削余量非常多的锻件。

图4-4-8 变速器螺旋齿轮与接合齿整体精密模锻

经过温热锻造的（轴承）星形套，首先是对最费事的（轴承）沟槽和外周球形部分不必切削加工，仅于渗碳处理后进行磨削加工。

产品的上、下端面与（轴承）沟槽或外周之间的位置偏移，由于可以取为0.1mm以下，故切削余量变得非常之少。

（轴承）星形套的温锻工艺如图4-4-9所示，锻件图如图4-4-10所示。

图4-4-9 星形套温锻工艺

图4-4-10 星形套锻件图

（轴承）星形套磨削余量为单侧0.24～0.34mm，外周部分的磨削余量为0.23～0.33mm，厚度方向也有单侧0.2～0.3mm程度的切削余量。