车用主减速器从动螺旋伞齿轮锻造成形工艺研究

王莉霞

【摘 要】本文对车用主减速器从动螺旋伞齿轮几种成形方法的特点进行了简要介绍，并对螺旋伞齿轮锻造成形工艺及其模腔进行了分析，为螺旋伞齿轮锻造成形工艺的研究提供了参考。

【关键词】螺旋伞齿轮；铸造工艺；锻造工艺；模腔

0.引言

随着我国制造业水平的不断提升，我国汽车工业在向环保、舒适、节能、安全等方向发展。汽车从动螺旋伞齿轮作为汽车的重要部件，性能的好坏直接影响汽车的安全和传动效率。其生产工艺的优化对整个机械行业的整体技术水平提高具有至关重要的作用。

1.汽车从动螺旋伞齿轮成形方法简介

1.1铸造成形法

螺旋伞齿轮长期采用的加工工艺是锻造成形法方法，汽车传动的主动和从动螺旋伞齿轮，其生产工艺是先用铸造制坯，然后进行机械加工的方法。在长期的应用中，铸造加工逐渐发展成一种比较成熟的工艺，并成为主流的工艺[1-3]。但是这种方法的缺点和不足同样很突出，效率低下，对材料的浪费严重，在切削过程中，材料内部的流线被严重的破坏，极大的影响了齿轮重要部位的抗弯曲坯料的能力，耐磨性和防腐蚀性能也有很大程度的降低，进而影响其寿命[4]。其工艺路线如图一。

图一

1.2锻造成形法

锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。[5]要使车用螺旋伞齿轮节能降耗、降低成本，需要用锻造工艺直接生产减速器螺旋伞齿轮，通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，必须保证工艺的可靠性和可行性，模具寿命是否足够高以收回成本，其中稳定性是一个关键问题，能不能充满，会不会出现折叠，脱模性如何[3，4]。用物理模拟的方法进行研究显然是奢侈的，会浪费很大的人力物力，产生大量的模具材料费、模具加工费、研发时间也会很长。需利用有限元方法和数值模拟清晰的显示成形过程中的每一个细节，对成形缺陷的优化更简洁。其工艺路线如图二：

图二

1.3铸造锻造成形方法比较

1.3.1微观组织性能得到改善

锻造的特点在于，成形过程中坯料收到三向压应力作用，促使材料晶粒细化，提高了组织的致密性，很多缺陷愈合。使得金属流线都沿着外表面，消除了残余应力，热处理后齿形基本不会变形，从而使得齿轮的性能得到提高。从理论上说，锻造后齿轮抗冲击强度提高了15%，抗弯曲疲劳寿命和强度均能提高20%以上[6]。

1.3.2精度较高

一般齿轮锻造后不需要机械加工，或者只要进行少量机械加工就可以进入热处理环节，并开始使用。这样就使得生产效率得到了提高，生产成本相应的降低。从理论上说，使用精锻生产齿轮，与通常机械加工对照，生产效率能够翻倍，如果进行批量生产，成本会降低三成以上，材料利用率提高大约40%。从经济的角度考虑，如果零件一批生产超过2000件，精密模锻的优点就十分突出。若现有的锻造和加热设备能够满足工艺要求，超过500件时便可以采用精密模锻技术进行生产，精锻的优势也会有比较好的体现[7]。

1.3.3与机械加工方便比较，精锻可以减少机床和场地的利用量，而且，研究发现，精锻齿轮具有较小的啮合噪音

综上所述，精锻齿轮相比传统的机械加工，能够显著提高产品性能和节约成本。

2.车用主减速器从动螺旋伞齿轮锻造成形工艺

车用主减速器从动螺旋伞齿轮采用一火两锻，工艺流程为：坯料少无氧化加热→制坯（镦粗、 冲孔、 扩孔）→粗锻→精压→表面清理→车削除齿面以外其他部分→精铣齿面→热处理→磨内孔。这里对螺旋伞齿轮成型过程中的制坯、粗锻、终锻进行设计。

2.1制坯工步设计

在精锻螺旋伞齿轮时，坯料形状和尺寸的选择极为重要，它不仅影响轮齿成形，而且影响锻件内部质量及锻模寿命。为了确保良好的成形，减少坯料成形初始阶段的自由镦粗的时间，坯料的外直径应尽量接近齿根圆。根据体积不变定律，螺旋伞齿轮精锻成形所用原始坯料的体积和重量应当与精锻成形件的体积和重量相等，以及原始坯料的高度L与直径D之比必须小于2.5的原则[8]。为了使金属流动易于充满齿形，坯料要预成形，加工成与锻件形状接近的圆锥或圆柱台形。设计当中根据精锻成形所用原始坯料的体积和重量应当与精锻成形件的体积和重量相等原则，设计了预制坯，预制坯形状如图三所示

图三 预制坯实体模型

2.2粗锻、终锻工步设计

粗锻的填充是为了保证终锻更好的成形，因此在粗锻时可适当加大过渡处的圆角，但过大的圆角有可能在终锻时产生折叠，因此必须注意R的选择， R必须符合式 R1=R+C的要求，其中R为终锻模腔上相应处的圆角半径。式中的C值按表1选取。

表1 C与h的关系

根据以上设计原则，螺旋伞齿轮在中心分流工艺中上下凸模带有圆台凸台的预锻件及终锻件的形状。依据螺旋伞齿轮的锻件图以及工艺要求，运用UG建立的螺旋伞齿轮精锻模具的实体模型如图四所示。

（a）预锻件 （b）终锻件

图四 预锻件及终锻件图

2.3模腔的设計

（1）为避免预锻件放入终锻型腔中产生折叠和流线交错的缺陷，必须保证预锻件和终锻型腔的匹配，因此预锻型腔必须与终锻型腔匹配。

（2）为保证终锻的充填，再设计预锻件时，一般都是考虑使预锻件在终锻型腔中以镦粗的方式充填，预锻模具的分模面相较终锻型腔要小一些，连皮尺寸要厚一些。

（3）通常设计时，预锻件要比终锻模膛高度方向高2-5mm[9]，这样可以使金属在预锻时高度方向流动的阻力减小，保证终锻时，型腔的填充。 （下转第210页）

（上接第148页）（4）预锻件放入型腔时，希望以压入方式填充终锻型腔，预锻型腔拔模斜度一般与终锻型腔相同，这样当预锻件进入终锻型腔时，锻件会接触终锻模腔壁，逐渐流向模腔深处，可以有效防止因为不良好贴合而产生的折叠和流线不顺问题。

（5）因为终锻模膛在更大程度上保证了锻件的质量精度，因此，我们必须保证较大的变形量在预锻时完成，以减少终锻模具磨损。在设计圆角过渡部位时，或转角部位时，一般先在预锻模腔上设置一个较大的过度，然后在终锻模腔上设置比较准确的过度，这样，可以改善金属流动，减少产生折叠和流线不均匀的问题。

（6）对于锻件上一些小的凸台、凹槽，这些小的结构在终锻时就可一次成型，不需要预锻时设置过度。有时设置过度反而会增加缺陷产生的几率[10]。

3.结语

目前，世界汽车工业正向着轻量化、高速、安全、节能、舒适、低成本、长寿命与环境污染小的方向发展。减速器齿轮作为汽车重要部件，其需求不断增加，生产方法也不断发展，铸造、锻造以及各种成形相结合的各类新技术不断涌现。锻造齿轮已在制造企业中得到了广泛的使用。 [科]

【参考文献】

[1]舒其复.螺旋伞齿轮的精锻工艺[J].锻压机械，1988，（2）：23-25.

[2]王向东，张宝红，张治民.直齿圆柱齿轮精锻技术的发展现状与趋势[J].锻压设备与制造技术，2006，（2）：21-24.

[3]谢此.实用锻压技术手册.机械工业出版社，2003.

[4]邓克.直伞齿轮精锻技术的应用及发展[J].安徽工业大学学报，2005，22（2）：169-173.

[5]石英.齿轮材料性能要求及正确选材[J].通用机械，2004，（5）：92-93.

[6]张成军.实验设计与数据处理[M].北京：国防科技大学出版社，2009.

[7]中国机械工程学会锻压学会[M].锻工手册（下册）.北京：机械工业出版社，1982：182～196.