1．概述

齒輪是應用最廣的一種機械傳動零件，具有結構緊湊、傳遞動力大、效率高、壽命長、可靠性好和傳動比準確等特點。齒輪的精密鍛壓技術由于其顯著優點；正日益受到各國研究人員的重視，得到了蓬勃發展。

齒輪精鍛技術是指齒輪輪齒由坯料經過精密鍛壓直接獲得完整的齒形，而齒面不需切削加工或僅需少許精加工即可進行使用的齒輪制造技術。與傳統的切削加工工藝相比，齒輪精鍛工卜藝具有以下特點：

(1)改善了齒輪的組織，提高了其力學性能。精鍛使得金屬材料的纖維組織沿齒形均勻連續分布，晶粒及組織細密，微觀缺陷少，因此，精鍛齒輪的性能優越，齒的彎曲強度、接觸疲勞強度和耐沖擊性明顯高于切削齒輪。一般來說，精鍛可使輪齒抗沖擊強度提高約15%，抗彎曲疲勞壽命提高約20%。

(2)提高了生產效率和材料利用率。通過精鍛成形，齒輪精度能夠達到精密級公差標準，不需或僅需少量后續精加工，即可以進行熱處理或直接投人使用，生產率和材料利用率高。

(3)精鍛齒輪減少了熱處理時的齒廓變形，提高了齒的耐磨性和齒輪嚙合時的平穩性，提高了齒輪的使用壽命。

盡管齒輪鍛造有許多優點，并且直傘齒輪精鍛技術已成功地應用于生產，但由于直齒圓柱齒輪精鍛具有齒形型腔（特別是上下角隅處）充填困難、成形力大、模具設計與制造精度要求嚴格等特點，成形中遇到了許多困難。多年來，各國研究人員運用各種理論、技術手段和試驗方法，對直齒圓柱齒輪精鍛技術進行了不懈的研究。

2．直齒圓柱齒輪精鍛的理論研究

英國曼徹斯特大學科技學院的Chitkara N R等人對直齒圓柱齒輪的塑性成形作了數值模擬分析，用能量法和上限法分析了鐓鍛直齒輪的變形規律；Dohamann F等人用數值逼近法和主應力法分析了冷精鍛齒輪時的金屬流動和模具應力情況，給出了沿齒面輪廓的法向應力分布圖。韓國學者J.H.Song和Y.T.Im開發了一種直齒圓柱齒輪冷正擠壓輔助系統，這個系統可根據輸人的齒輪參數給定可供實用的齒輪成形工裝。 Kondo K和Ohga K提出了齒輪分流減壓鍛造法Choi J C發展了分流法，提出了向內分流成形的直齒圓柱齒輪精鍛工藝，并進行了二維有限元模擬分析。 Jongung Choi和Hae-Yong Cho等人提出了一種直齒圓柱齒輪鍛造時的新的動可容速度場，并用上限法對其成形過程進行了深入的研究，得到了成形力主要與齒輪齒數有關的結論Yang D Y采用剛、粘塑性有限元法對直齒圓柱齒輪精鍛成形進行了數值模擬。KnoerrM在1992年用DEFORM模擬了圓環狀齒輪坯的三工位熱鍛過程，預測了該成形過程中可能出現的折疊缺陷，并根據模擬結果改進成形參數，獲得了無缺陷的零件。德國Th.Herlan應用有限元分析方法，采用ANSYS軟件來優化齒輪的幾何形狀，從而降低鍛造壓力和模具應力，給出了FEM分析的模具的受力圖和優化齒輪形狀，最后將精鍛齒輪進行疲勞測試并與傳統工藝生產的齒輪進行了比較。

吉林大學寇淑清等人利用有限元模擬理論與三維成形模擬軟件對齒輪冷精鍛技術進行了較全面的研究，首次將彈塑性大變形有限元數值模擬分析應用于直齒輪冷精鍛成形過程中。山東大學夏世升等人提出了一種由空心坯成形直齒圓柱齒輪的新工藝：預鍛分流區一分流終鍛，用三維有限元數值模擬軟件DEFORM-3D進行了數值模擬研究，得到了鍛造載荷一行程曲線以及整個成形過程的應力、應變、速度分布等。程軍、林治平等人采用環氧樹脂模型對直齒圓柱齒輪精鍛凹模進行三維光彈性試驗模擬，通過對光彈圖象的處理，獲得了直齒精鍛圓柱齒輪凹模的內壁應力分布。張治民等人采用三維大變形彈塑性有限元法對以閉式鐓擠和以溫擠徑向導流一約束分流兩步成形方式的成形情況進行了數值模擬分析，得到了新工藝成形過程的應力分布圖以及載荷一行程曲線。數值分析結果表明：約束分流成形與閉式成形相比可明顯降低成形力，有利于金屬的流動，保證齒形充填良好，改善模具受力條件，提高成形件質量。李更新等人用優化后的凹模結構對直齒圓柱齒輪的溫擠壓成形進行了數值模擬，結果表明，以人模角為180°、擠壓筒內徑等于直齒輪齒頂圓直徑，且在齒根圓處倒角為特點的凹模形式對齒形成形效果良好，此種凹模形式能夠解決齒形角隅充不滿的難題，非常適合直齒圓柱齒輪的擠壓精密成形。

3．直齒圓柱齒輪精鍛的工藝研究

1987年英國伯明翰大學Tuncer C等提出了浮動凹模精鍛空心件思想，歸納了無飛邊鍛模制造和使用的各種工藝要點，設計了各種模具。 Nagai Y提出將預制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施，即通過拉延、整形、變薄拉延和壓縮這四個工步實現具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形。伊朗Tarbiat Modarxes大學的M.H.Sadeghi與英國伯明翰大學的T.A.Dean用浮動凹模原理模具對直齒輪和斜齒輪作了系統的研究，包括模具結構形式選擇，齒輪尺寸精度的影響因素，齒輪塑性成形力的預測及其與摩擦系數、齒輪模數、寬度關系，脫模力與摩擦系數、成形力、成形溫度、壓力角、齒數的關系。德國的Th. Herlan以材料為20MnCr4的直傘齒輪為例，采用了溫鍛冷鍛復合成形工藝，其工藝流程為：下料——感應加熱（850℃）——鍛造——硬化處理——精整。首先，將初始棒料加熱、鐓粗、噴丸再加熱至850℃，送至12.5MN機械壓力機進行鍛造，之后進行噴丸和表面磷化、皂化處理，最后在12.5MN液壓機上進行冷鍛，并給出了冷鍛的活動模具簡圖。

山東大學張清萍等人對兩步成形直齒圓柱齒輪冷精鍛工藝模具齒形設計方法進行了研究，分別采用修正模數法和變位法對終鍛和預鍛模具的齒形進行設計。青島理工大學的田福祥等人對直齒圓柱齒輪熱精鍛進行了深人研究，給出了快檔齒輪熱精鍛成形的實用模具結構，論述了模具設計、裝配和使用的有關問題，該模具采用強力脫模裝置，使鍛件在鍛擊結束瞬間立即脫離凸模，解決了鍛件將凸模抱死的關鍵技術問題。張治民、張寶紅等人提出了一種新的方法，即直齒輪徑向的分流成形，溫鍛和冷擠壓整形的復合方法，并以一個用于拖拉機的直齒輪作為例子，制造出的齒輪精度可達IT8。這種新的直齒輪成形技術，能夠使大模數、輪齒高的齒輪在較低的變形力下就能使輪齒充滿，其工藝過程為：齒輪輪齒的初成形第一次采用中溫鍛，然后通過冷成形制成高精度的齒輪。齒輪的制造采用鐓粗擠壓，為了避免齒輪在塑性成形過程中出現缺陷，提出了一種新的徑向成形技術，在模具的長度方向設計較大的偏轉斜度，通過偏轉斜度，鋼坯被推動沿著斜度壓下，同時，金屬徑向流動，齒輪輪齒底部剩余的金屬流向齒輪的頂部，齒輪被填充成形。馮沖前根據對直齒圓柱齒輪鐓擠成形過程的實驗研究，針對直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝的技術關鍵，提出了一種新的成形工藝——浮動凹模鐓擠成形工藝，并以安陽齒輪廠農用車變速齒輪為研究對象，設計了專用鐓擠模具，并進行了成形試驗，研究了其成形規律。燕山大學趙軍等人利用塑性范成成形齒輪的方法成形出直齒圓柱齒輪，并對成形后齒輪的金相組織進行了分析，從成形組織方面驗證了該工藝的可行性。姜英等人利用滾壓設備對齒輪進行了滾壓研究，得出只需更換滾輪，就可以用于中、小模數的圓柱直齒輪、圓柱斜齒輪等的加工，該工藝加工工藝簡單，生產效率高，加工質量好。

4．直齒圓柱齒輪精鍛的質量與精度控制研究

目前，關于直齒圓柱齒輪精鍛過程質量和精度控制方面的研究還比較少。Abdel-Rahman等人研究了鍛前加熱和鍛后冷卻方式對鍛件性能的影響，分析了常規氣體、非氧化性氣體、坯料表面滲碳、冷卻速度對齒輪鍛件硬度的影響，鍛后熱收縮對齒輪輪廓成形的影響，以及齒輪的齒數、模數、鍛造溫度對齒形誤差的影響。蔡利等人探討了幾種圓柱齒輪冷鍛成形技術，對圓柱齒輪冷鍛特性進行了分析，并運用系統的觀點對提高冷鍛圓柱齒輪的輪齒精度做了探討，并提出了系統提高輪齒精度的重要性，其中成形庫的建立尤為重要。林治平等對直齒圓柱齒輪熱精鍛的研究表明，模具設計、坯料尺寸、溫度控制等因素是保證齒輪鍛件精度的關鍵，模具的加工方法、磨損和彈性變形、潤滑與冷卻、能否充分排氣排污都影響著齒形精度。劉華等人通過對精鍛齒輪彈性回復的理論分析及有限元模擬提出了齒輪彈性回復時彈性修正量和彈性修正系數的概念，并求出了45號鋼在800℃時成形齒輪的彈性修正系數值，同時發現在體積成形過程中，在卸載時工件材料發生的二次屈服對成形精度也有影響。伍太賓針對摩托車啟動主動齒輪的結構特點，討論了坯料形狀和尺寸對該齒輪的成形難易程度、充填性、內齒輪質量以及模具壽命的影響，介紹了冷擠壓成形模的結構，指出了模具設計、制造時應注意相關事項。

5．直齒圓柱齒輪精鍛技術的發展趨勢

多年來，學者們對直齒圓柱齒輪精鍛技術的研究取得了許多成果，在分析國內外精鍛技術現狀的基礎上，筆者以為今后直齒圓柱齒輪精鍛技術將向以下幾個方面發展。

(1)優化工藝和模具結構，提高模具的壽命，解決齒輪鍛件的出模問題

為滿足制造工藝的要求，在工藝設計和模具設計中，應以金屬在精鍛過程中的真實流動規律和變形力學特征為基礎，優化模具結構、坯料形狀尺寸等工藝參數，選用優質模具材料，使用合適的鍛壓設備，提高模具加工精度和使用壽命。另外，直齒圓柱齒輪精鍛沒有拔模斜度，出模困難，需要較大的頂出力才能將鍛件從模具．中頂出。因此，對模具結構和鍛造設備有較高的要求，如何解決好鍛件出模，也是一個必須重點解決的問題。

(2)改善精鍛齒輪的質量和精度，提高齒輪生產率

齒輪制造工藝的發展，很大程度上表現在精度等級與生產效率的提高。在今后齒輪的精鍛工藝的提升中，要掌握精鍛過程中的金屬變形流動規律以及各種工藝參數對工件質量的影響，提高產品質量，嚴格控制模具溫度、鍛造溫度和潤滑條件等工藝因素，減少因模具和鍛件溫度波動而造成的鍛件尺寸誤差，使直齒圓柱齒輪精鍛向著凈成形方向發展。

(3)充分運用各種計算機技術和數學理論，提高直齒圓柱齒輪精鍛技術開發的效率

計算機技術的快速發展和數學理論的充分運用，提高了齒輪產品的設計精度和加工效率。今后工藝和模具設計應和計算機技術緊密結合起來，利用計算機技術結合塑性或彈塑性有限元方法，找出齒輪坯料自由表面和內部的金屬流動及應力應變分布規律，通過控制金屬的塑性流動達到所需零件的精密成形。使齒輪精鍛技術的研究向著CAD/CAE/CAM一體化發展，促進直齒圓柱齒輪精鍛技術的提高以及向產業化的轉化。