齿轮精锻成形的研究综述

张 琳 贺辛亥

（1.西安工程大学，陕西 西安 710048；2.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

齿轮精锻成形的研究综述

张 琳1、2贺辛亥1

（1.西安工程大学，陕西 西安 710048；2.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

介绍了精锻成形技术及其分类，从成形工艺、模具结构优化设计等方面综述了齿轮精锻成形的国内外研究现状，阐明了精锻成形技术和计算机模拟技术在现代齿轮制造业中发挥的的重要性。

齿轮；精锻成形技术；有限元；数值模拟

（一）前言

齿轮作为传递运动和动力的关键零部件，在车辆、机床、船舶等工程领域有着非常广泛的应用，生产批量大，精度要求高已成为齿轮生产的主要特点。齿轮的质量、性能、寿命会影响整台机器的技术经济指标,而齿轮的加工方法直接影响着齿轮的质量、性能和寿命。所以从一定意义上说，齿轮的加工技术是我国机械制造业水平高低的一个衡量指标。

齿轮传统的加工方法是利用锻造毛坯通过滚齿、插齿、铣齿、刨齿等方法切削而成[1]，而切削加工的方法材料利用率低、加工工时长、生产成本高，最主要的是将毛坯的锻造流线切断而使齿轮的力学性能降低。为了克服齿轮切削加工的种种缺点，各国学者将注意力集中到了齿轮精锻成形上来，用精锻工艺快速生产高质量的齿轮已经成为全球趋势。

（二）齿轮精锻成形的研究

1.精锻成形技术及分类

精锻成形技术（即近净成形技术或净成形技术）是指坯料经过精密锻压直接获得完整的形状后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。与传统的切削加工工艺相比，精锻成形具有材料利用率及生产率高，产品的力学性能好、使用寿命长等优点。精锻成形工艺按变形温度锻压可分为热精锻、冷精锻、温精锻和等温精锻等。

2.齿轮精锻成形国内外研究现状

国内外许多学者对齿轮精锻成行技术进行了深入研究，取得的效果很显著。德国从二十世纪五十年代开始最先在齿轮加工中应用了精锻成形技术，以后各国学者的研究主要集中在成形工艺设计与优化、模具结构改进等方面。

首先，成形工艺研究进行得广泛且深入，为齿轮精锻技术的实际应用提供了强大的理论依据。经过不断的发展，精密锻造技术先后出现了多种不同的工艺。

（1）冷精锻闭塞成形工艺，典型代表为：美国的 I Moriguchi[2]利用CAE技术研究了直齿圆柱齿轮的冷闭塞精锻成形工艺。吉林大学的寇淑清[3]教授等对轿车差速器的行星齿轮、半轴齿轮进行了冷闭塞精密成形工艺与有限元模拟研究。闭塞成形(即闭塞复动成形)原理如图1所示：

图1 闭塞成形原理

闭塞成形过程中，上下模具首先闭合，这样就形成了成形的型腔，有利于提高零件的成形性，并且除了需要毛坯的制备外，一般只需要一道工序即可完成成形。省去了普通成形的预成形工序，因此减少了成形工序。

（2）冷精锻分流工艺：传统的闭式模锻方法成形齿轮载荷大，影响模具寿命。日本的Kondo[4]等提出了齿轮分流锻造法，用来降低成形力。原理是在锻件某一位置设置溢流口，在充填型腔的过程中多余的材料始终有自由流动的余地，从而降低了变形阻力和加工载荷。韩国的 J C Choi[5]等发展了分流法，提出向内分流成形直齿圆柱齿轮的精锻工艺。山东大学的王广春教授等提出了用预锻分流区-分流终锻工艺成形直齿圆柱齿轮，对空心坯料和实心圆柱坯料进行了传统的闭式镦挤和新的分流成形试验。吉林大学的寇淑清教授等对直齿圆柱齿轮进行了闭式模锻预锻，闭式模锻、孔分流终锻及约束孔分流的两步成形过程的数值模拟。山东大学的张清萍等提出了预制分流孔-分流锻造工艺，成形直齿圆柱齿轮。预锻时通过上下凸模上的凸台，在坯料两端面中心部位锻出分流区，终锻时利用坯料上已锻出的分流区分流材料，从而降低了成形载荷，改善了材料的充填性能。

目前常用的分流方式有孔约束分流和轴约束分流两种，应用如图2所示：

图2 预锻分流区-分流终锻工艺

上图中的预锻为轴分流原理（依靠模具上的成型零件的结构空间分流），终锻为孔分流原理（依靠预制的坯料上的结构空间分流）。

（3）温锻工艺研究：南昌大学的王建金等对直齿圆锥齿轮的温锻和冷锻过程进行了有限元模拟分析，对两种成形工艺中的模具载荷、应力应变分布等进行了比较。湖南科技大学的何旺枝等采用闭塞成形工艺成形弧齿锥齿轮，并利用刚塑性有限元法，对弧齿锥齿轮温锻成形时的摩擦条件、坯料温度、模具温度等的影响进行了模拟分析。厦门理工大学的罗善明等在分流锻造的基础上，对弧齿锥齿轮进行了闭式预锻-分流终锻温锻成形工艺研究，先后模拟了传统闭式模锻、闭式预锻-分流终锻两种工艺的成形过程。

（4）复合精锻工艺研究：北京机电研究所的蒋鹏等对直齿圆柱齿轮提出了温热成形-冷精整复合成形工艺，热态下对金属进行预锻，变形抗力小，冷态下完成终锻获得高的锻造精度。青岛建筑学院的田福样等对直齿圆柱齿轮开发了热精锻-冷推挤的复合成形工艺，此工艺兼具热精锻变形抗力小、冷精锻成形精度高的优点，对模具寿命的提高很有意义。重庆工商大学的伍太宾等对汽车差速器锥齿轮提出了温锻制坯，冷摆辗工艺相结合的成形工艺。中北大学的张治民教授等[15]在闭式镦挤工艺的基础上，对直齿圆柱齿轮提出了开放式温镦挤-冷推挤复合成形的新工艺，并对两种工艺进行了数值模拟分析。

其次，许多学者在模具结构改进及优化设计方面也做了大量的研究工作，取得了一定的成果。典型代表为：英国的T A Dean设计了利用浮动凹模模具成形直齿轮和斜齿轮的方案，并且对模具结构形式的选择，齿轮尺寸精度的影响因素等作了详细而系统的研究。保加利亚的 B I Tomov等通过有限元法，对采用组合凹模闭式精锻直齿圆柱齿轮过程中的应力、应变特点进行了分析。华中科技大学的金俊松等[18]对闭式冷精锻圆锥齿轮的齿形凹模的结构进行了研究。合肥工业大学的杨保年在数值模拟分析的基础上，应用精密塑性成形理论对模具结构进行了合理设计，指出采用带倾角凸模可以大大改善齿轮锻造过程中齿形径向充填性问题。

再次，还有一部分学者在齿轮精锻的其他方面做了研究：山东大学的张艳娥对行星齿轮和半轴齿轮的“一火两锻”工艺进行了研究，设计了锻件、预锻件和预制坯的形状与尺寸，研究了锻件齿形、模具齿形和电极齿形间的关系，推导出了它们基本齿形参数间的数学关系式。湖南科技大学的方媛等采用三维有限元数值模拟方法，研究了模数、齿数、螺旋角、压力角等主要结构参数对弧齿锥齿轮精锻成形过程的影响。

从以上综述可以看出，学者们主要是借助计算机模拟，通过改变齿轮成形工艺，优化模具结构等降低成形载荷，提高坯料的充填性，从而延长模具寿命，提高产品的锻造精度，可见计算机模拟技术在齿轮精锻成形技术的发展中发挥了很大的作用。

（三）结束语

随着工业竞争的日益加剧，锻造行业要进一步降低制造成本、提高设计效率和产品质量，就必须对锻造工艺过程中影响锻件质量的各项工艺参数进行优化。而采用传统的设计方法优化其工艺参数往往很难达到预期的效果。随着有限元理论和计算机技术模拟技术的不断发展和完善，基于有限元分析的优化设计方法将在齿轮精锻成形中的发挥更大的作用，齿轮精锻成形技术也将有更好的发展前景。

[1]黄天铭,梁锡昌.齿轮加工技术的现状及进展[J].机械工艺师,1994,(4):29-31.

[2]I Moriguchi. Cold forging of gears and other complex shapes.Journal of Materials Processing Technology,1992,35(3-4):439-450.

[3]寇淑清,杨慎华,邓春萍.轿车伞齿轮冷精锻成形数值模拟及实验研究[J].吉林大学学报2003,(10):59-62.

[4]K Kondo，K Ohga.Precision cold die forging of a ring gear by divided flow method. International Journal of Machine Tools and Manufacture,1995,35(8): 1105-1113.

[5]J C Choi,Y Choi.Precision forging of spur gears with inside relief[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,1999,39(10):1575-1588.

TG316

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1008-1151(2011)04-0130-02

2011-01-21

张琳（1980－），女，西安工程大学在职研究生，西安航空职业技术学院讲师，从事模具设计、材料成型专业教学。