汽车齿轮精密锻造技术

汽车齿轮的精密锻造技术江苏森威精锻有限公司

徐祥龙

摘李明明要

本文介绍了精密锻造成形在汽车齿轮制造中的应用,总结了各种齿形精密锻造的关键技术,特别提到分流锻造在齿形成形方面的应用。

前言

齿轮精密锻造成形是一种优质、高效、低消耗的先进制造技术，被广泛地用于汽车齿形零件的大批量生产中。随着精密锻造工艺和精密模具制造技术的进步，汽车齿轮和齿形类零件的生产已越来越多地采用精密锻造成形。当前国外一台普通轿车采用的精锻件总质量已达到（40—45）Kg,其中齿形类零件总质量达10Kg 以上。精锻成形的齿轮单件质量可达1Kg 以上、齿形精度达到(DIN) 7 级。随着汽车的轻量化要求和人们环保意识的增强,汽车齿轮制造业将更多地应用精锻成形技术。

一．伞齿轮的精锻成形

1. 伞齿轮(锥齿轮)的热精锻成形

（1）早期的伞齿轮精密锻造

伞齿轮的精密锻造最早见于50 年代德国的拜尔工厂，并在蒂森等公司得到广泛的应用(1)。我国上海汽车齿轮厂等在70 年代采用热精锻技术，成功进行了伞齿轮的精密锻造生产。在当时社会主义大协作的环境下，伞齿轮的精锻技术很快在齿轮行业得到推广应用。

该技术的应用和发展得益于2 项当时先进的技术：模具的放电加工技术和毛坯感应加热技术。先淬火后加工的放电加工避免了模具淬火变形带来的齿廓误差；快速加热的中频感应加热解决了齿轮毛坯在加热过程中的氧化和脱碳问题，以上2 项技术的应用使锻造成形的伞齿轮齿面达到无切削加工要求(图1、图2)。

图 1.精锻成形的行星和半轴齿轮

（2）锻造设备

图 2.精锻成形的汽车行星齿轮

伞齿轮的锻造设备在国外一般使用热模锻压力机。但在 60-70 年代的中国，热模锻 压力机是非常昂贵的设备。因此，国内企业普遍使用的锻造设备是双盘摩擦压力机（图 3）。该设备结构简单，价格便宜，很快成为齿轮精锻的主力设备。但摩擦压力机技术陈旧、 难以控制打击精度、而且能源利用率较低。随着高能螺旋压力机和电动螺旋压力机的出 现（图 4），落后的摩擦压力机有被取代的趋势。

图 3.双盘摩擦压力机

（3）热精锻造工艺

图 4.高能螺旋压力机和电动螺旋压力机

对于大量生产的汽车行星和差速齿轮，成熟的精锻成形技术是号称“一火两锻” 的热 精锻工艺技术。即齿轮在热锻成形和切边后利用锻件余热进行热精整。通常的设计原则

是将成形模和精整模设计为完全相同的尺寸，使精整模用到接近换模极限时充当成形模 使用，使齿轮模具的使用寿命得到最大限度的利用。

当时，齿轮行业的骨干企业已拥有引进的高精度刨齿机，可以刨出较高精度的齿轮 电极，但齿轮模腔的加工手段是早期的放电加工机床。这一类放电加工机床加工速度慢、 电极损耗大、加工表面质量差。因此，当时的热精锻齿轮精度在 9 级左右，主要应用于卡 车和拖拉机工业。

改革开放初期，随着高精度刨齿机和精密数控电加工机床的引进，模具的制造精度 得到成级的提高。伞齿轮的制造精度随之提高到 8-9 级，达到了卡车和轻型车的使用要 求。

2．先进的闭塞锻造技术

（1）成形原理

闭塞锻造是一种先进的无飞边精密成形技术。70 年代，国外在闭塞冷锻应用技术得 到突破后，很快用于伞齿轮的精密成形。闭塞冷锻成形的齿轮精度相比热精锻成形可提 高半级至一级；闭塞冷锻还有无飞边锻造的特征，使材料利用率得到较大提高。在 80— 90 年代，轿车、轻型车和微型车的行星、半轴齿轮已广泛采用闭塞冷锻工艺生产（图 5）。 图 5.闭塞冷锻的汽车行星齿轮

图 6.闭塞冷锻的伞齿轮

图 6 所示的伞齿轮大端面具有较厚的连皮。齿端连皮的存在提高了齿轮的抗弯力矩， 使轮齿可承受更大的载荷，这样的齿轮用机加工是难以加工出来的。

伞齿轮闭塞冷锻成形原理见图（7）。由图可见，毛坯是在封闭的模腔里，被挤压冲头 推入齿轮型腔充填成形。齿轮的成形精度主要决定于型腔的加工精度，并受到模具弹性 变形的影响。但在一般精度条件下，模具的弹性变形可忽视不计。

图 7.伞齿轮闭塞成形原理

（2）设备

通常，较大规格的伞齿轮在专用的大吨位液压闭塞压力机上成形（图 8），而较小规 格的伞齿轮更多采用在普通冷锻压力机上以专用闭塞模架（图 9）成形的方法。后一种方 法具有生产效率高和成本低的特点。唯锻件规格受制于模架的闭塞压力，不能完成大尺 寸伞齿轮的成形。

图 8.闭塞锻造专用压力机

图 9.闭塞锻造专用模架

国内汽车齿轮的骨干企业如江苏飞船齿轮和江苏太平洋精锻等企业在 90 年代初及 时引进了伞齿轮的闭塞成形技术和设备，经过多年的消化吸收，伞齿轮闭塞成形技术已 日臻成熟。在近几年汽车工业的飞跃发展中，伞齿轮的闭塞成形技术对国内汽车差速器 的生产发挥了重要的作用。

（3）等温正火和齿轮精整的应用

闭塞冷锻成形的齿形精度能满足一般汽车的使用要求。对精度有更高要求时，在齿轮闭塞成形后进行等温退火，然后在精密模具内作一次冷精整，可稳定地获得DIN 7 级或更高的齿形精度。由于冷精整变形量小，齿坯精整前只要少量油雾润滑，无须作磷、皂化处理，精整后的齿面粗糙度有很大的改善。由于齿坯进行了等温正火，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，达到热处理后精度不降低的目标。

由于伞齿轮精整毛坯有无氧化、无脱碳的要求，因此对等温正火设备的技术要求很高，除采用密封炉体的结构和抽真空—充氮气保护的措施外，通常还要充入少量氢气等还原性气体。充入氢气后正火的毛坯表面光洁并呈银亮色泽，精整后齿轮表面质量特别好。但这样的正火设备，世界上只有少数厂家能提供，而且价格非常昂贵。图10 为国外某企业制造的连续式等温正火自动线。

图10.等温正火自动线

3．伞齿轮锻造工艺的发展趋势

随着汽车行星-半轴齿轮规格越来越大的趋势和低成本生产的需要，伞齿轮的生产技术又发展到温锻成形—冷锻精整和热锻成形—冷锻精整。

伞齿轮的温—冷联合成形和热—冷联合成形技术解决了伞齿轮热精锻成形精度不高和闭塞冷锻齿轮的尺寸规格做不大的问题，使伞齿轮的成形发展到一个新的阶段。

联合成形技术中，温锻成形一般采用闭塞温锻工艺，主要于中等规格的汽车伞齿轮大批量生产。对于大规格的伞齿轮，推荐采用热—冷联合成形的方案。热精锻可采用闭塞锻造的方案，但更多采用普通热精锻方案。因为对于大规格的伞齿轮，闭塞锻造的闭塞力已大到难以实现的程度。因此，普通热精锻成为热—冷联合成形的主流。图11为一个用于农业机械上的大规格伞齿轮，成形工艺为热锻成形—冷锻精整工艺。当前，国内用于冷锻精整的压力机吨位已达到40MN，可完成外径300mm 的伞齿轮的精整成形。