齒輪類零件(近)凈成形鍛造技術(下)

文/孟江濤，孟怡辰·洛陽福瑞可汽車零部件有限公司

齒輪輪輻槽凈成形及主孔、減重孔一次成形

齒輪后端齒及輪輻槽凈成形鍛造

軸間差速器主動外斜齒圓柱齒輪，結構特殊：一端是漸開線直齒錐齒齒形，一端是端齒且齒側倒錐(圖11)。該產品結構復雜，加工難度很大，特別是另一端的帶有倒錐的端齒。國內常規生產工藝是，直齒錐齒經凈成形精密鍛造后，直接作為后續機加工工序的定位基準，車削外輪廓及內孔和相關尺寸。另一端的端面嚙合齒，有的呈放射狀直齒、有的呈圓弧形直齒，這些結構均可通過數控銑加工來完成。但齒側含倒錐的端面齒，一般的銑削加工就難以實現，要么通過五軸數控銑加工，要么通過弧齒銑齒機及專用刀盤、刀齒加工，上述兩種加工方案，不僅設備投入大，而且加工效率也不高，企業難以承受巨高的加工成本，更難以滿足市場的需求。結合此產品特點及前期開發端面嚙合套的成功經驗，技術人員經過無數次探討及各種成形模擬方案，終于成功突破最終成形的壁壘，采用一端錐齒、另一端端面嚙合直齒，先一火兩鍛一次性成形，而后采取冷校正端面嚙合齒使之倒錐近似成形的方法，基本實現圖紙要求，滿足用戶需求。

圖11 外斜齒圓柱齒輪

在此鍛件毛坯進行生產時，最重要的質量控制指標是，以錐齒為檢測基準，控制后端結合齒的徑向跳動在0.5mm 以內，因此就需要設計、制作一種特殊的模具結構——閉塞模具(圖12)，該模具結構能使經過加熱、預鍛的坯料，在一個由半封閉到封閉的變化型腔中鍛造成形。經過一年有余的各種產品的多次試驗、摸索及壓力機導軌與滑塊、模架的導柱與導套、模具各零件之間的裝配間隙跟蹤和調整，已經成功運用于大批量生產數年，實現了軸間差速器主、從動外斜齒圓柱齒輪鍛坯、變速箱齒輪鍛坯、各種嚙合套的無飛邊鍛造。

圖12 閉塞模具結構示意圖

整個成形過程中，對上、下模具中心線的錯移量要求很嚴格(一般錯移量控制在0.25mm 以內為宜)，由此就必須對壓力機導軌與滑塊之間的間隙嚴格控制(一般控制在0.10 ～0.15mm 范圍內)，此間隙過大時，勢必會造成上下模具中心錯移量過大，超出了理論設計的上模與下模腔壁之間的間隙，最終會造成鍛造時的“咬?！爆F象，損壞上模和下模腔壁；壓力機導軌與滑塊之間的間隙過小時，會造成導軌與滑塊之間摩擦力過大，不僅造成導軌與滑塊磨損過快，還會抵消壓力機的部分打擊力。

另外，進行閉塞鍛造時，必須使用與之相配套的高精度導柱、導套模架或特殊結構的自定位模架，使得設備在最佳導向間隙和高精度模架雙重管控下，確保上下模具中心線錯移量在0.25mm 以內?？刂谱罱K成形時鍛坯的溫度在880 ～950℃之間，鍛件基本上也不會出現縱向毛刺，這樣就可以很好地控制鍛件的徑向余量，最佳時可以控制在1mm 以內。其厚度公差是靠以下各因素控制的，只要下料重量穩定，加熱溫度范圍恒定，設備打擊力一定，模具型腔在一定的磨損范圍內，鍛件的厚度是很容易保證的。熱態鍛件如圖13 所示，冷校正端面齒時，采取了特殊的熱鍛端齒型腔結構和冷壓模具結構，使端齒齒側倒錐近似實現。

圖13 錐齒、端齒及輪輻槽凈成形熱態鍛件

該工藝方法的成功運用及推廣，填補了國內數項空白，減少了高端設備資金的投入，節約了原材料，減少了機加工工序，縮短了工藝路線，較大地降低了產品的制造成本，為企業創造了經濟效益、提高了市場占有率。該模具結構已被授權實用新型專利，該工藝方法已申報發明專利。

齒輪和輪輻槽凈成形鍛造及中間孔、減重孔熱沖成形

隨著世界傳統能源的不斷減少及對碳排放的控制，作為汽車零部件的生產廠家，鍛件的節材、提高鍛件的材料利用率、減輕鍛件的重量，被時時處處擺在工作的首要位置。車橋及各種變速箱廠家，大多也會把直徑較大的圓柱齒輪設計為兩端含有輪輻槽的結構，甚至有時輪輻槽內會設置工藝需要或專用于減重的數個圓孔。

此類零件的鍛坯通常是輪輻槽內預留有機加工余量，輪輻槽內的工藝或減重孔，也是在機加工完兩端的輪輻槽后，逐個鉆削而成的。因為傳統的鍛造方式，無法保證鍛件兩端輪輻槽的同軸度在一定范圍內，就必須進行后續車加工修正，以保證最終加工的成品滿足圖紙要求。我公司利用創新型閉塞模具結構，對軸間差速器從動齒輪、變速箱齒輪進行了輪輻槽凈成形鍛造并持續性批量生產。輪輻槽凈成形模具結構示意圖如圖14 所示，凈成形鍛件如圖15 所示。

圖14 輪輻槽凈成形模具結構示意圖

圖15 輪輻槽凈成形鍛件

盤類零件鍛造后，為了降低后續機加工鉆孔時鉆床的壓力，我公司逐步采用中間孔熱沖切工序，以免除后續鉆孔工序，節約刀具成本。熱沖孔鍛件如圖16、圖17 所示。

圖16 軸間差速器主動輪熱沖孔鍛件

圖17 變速箱齒輪熱沖孔鍛件

對于輪輻槽內設置有數個工藝孔或減重孔的軸間差速器從動輪或變速箱齒輪的鍛件，也可以通過設計一種多孔沖切的熱沖模(圖18、19)，將輪輻槽凈成形的熱態鍛件緩冷一段時間后(650℃左右)，以下輪輻槽定位，一次性將鍛件中間的主孔及輪輻槽內的數個減重孔熱沖成形，沖切前后鍛件造型如圖20、圖21 所示。

圖18 多孔熱沖模沖前示意圖

圖19 多孔熱沖模沖切過程示意圖

圖20 輪輻槽凈成形鍛件三維造型

圖21 多孔熱沖切后鍛件三維造型

圓柱齒輪外直齒近凈成形鍛造

圓柱齒輪外齒的傳統工藝均是通過傳統的滾、剃、珩、磨實現的，近些年隨著國內外制齒裝備的改造和自動化提升，盡管制齒效率不斷得到提升，但終歸是要通過去材來實現。隨著近幾年各種原材料價格居高不下的大環境，加之市場需求不佳和制造業降價潮一輪高過一輪，以及疫情等多種因素的影響，各企業很難良性發展，只有通過內挖潛力，降低制造成本，讓利于市場及用戶，才能勉強維持運行。

近兩年，我公司把節材鍛造提到了首要議事日程，充分利用新工藝、新方法開發新產品或改進傳統老工藝，以節材為抓手，以少、無切削為目標、以工序合并或替代為終極，實現鍛造工藝、技術的飛躍提升。同時，應勢而生的直齒圓柱齒輪外直齒鍛—磨工藝或外直齒冷擠—剃齒工藝，即是對外齒輪制齒工藝的顛覆，對于小規格(外徑120mm、厚度70mm 以內)、大規格(外徑260mm、厚度40mm 以內)的直齒圓柱外齒齒輪的熱鍛成形，即是圓柱直齒齒輪制齒工藝的創新。

通過對熱鍛內齒形模具齒形各個因素的綜合考慮，如加工方法對齒形參數影響的大小及方向，后續外齒精加工的方法和留量，優化出需要的內齒形模具齒形參數，用慢走絲線切割機床加工出直齒齒形型腔，經過嚴格的齒形拋光程序，得到合格的內齒形型腔模具，在高精度模架上實現直齒圓柱外齒齒輪的閉式熱鍛成形，熱態鍛件見圖22，冷態鍛件見圖23。通過閉式型腔熱鍛造外直齒鍛件，不僅使金屬組織更加致密，更重要的是熱態金屬在模具型腔成形時，隨型腔生成了固定的金屬流線，僅在齒表面單側留有0.15 ～0.20mm 的熱后磨削量，遠不同于常規的滾齒加工時切斷了金屬流線，大大增強了外直齒的強度，使齒輪的使用壽命得到極大提高。

圖22 外直齒圓柱齒輪熱態鍛件

圖23 外直齒圓柱齒輪冷態鍛件

也可以通過上述方法，結合鍛件、模具的彈性變形，避免影響因素過多而導致最終鍛件齒形的一致性、穩定性差，采用冷擠齒形—剃齒工藝來完成外直齒的加工。采用冷擠工藝制外齒時，需要對冷擠前的料塊進行磷化、皂化，以提高冷擠時的潤滑效果和金屬流動性，同時要對模具進行充分的冷卻，方可進行連續性生產。通過冷擠壓成形的外直齒鍛件，齒形上僅在齒表面單側留有0.05 ～0.08mm 的熱前剃齒量，后續熱前車加工內孔、端面過程中，必須以外直齒齒形定位，剃齒時僅加工漸開線齒面，而齒頂倒角、齒根圓角均在冷擠成形模內齒形型腔設計時一并考慮，無需二次機加工。該產品在進行熱處理時，要嚴格控制熱處理工藝及各項參數，防止變形過大而影響最終產品質量。只有這樣才能減小齒形精度的損失，滿足使用要求不很嚴格的工況條件。冷擠實心鍛件見圖24，冷擠中空鍛件見圖25。

圖24 直齒圓柱齒輪外直齒冷擠實心鍛件

圖25 直齒圓柱齒輪外直齒冷擠中空鍛件

結束語

以上各實例均是在長期的生產實踐中，應用戶需求或市場競爭下企業向內挖潛的創新成果。作為一個企業，理應緊盯市場，不斷創新，始終堅持“技術改進，沒有最好，只有更好”的理念，在實踐中探索，在探索中完善，永做低碳經濟、綠色制造的踐行者。

總之，在科技創新的道路上，技術改進永無止境。只要我們鍛造人，潛心于科研、潛心于實踐，以踏實肯干的工匠精神(追求卓越的創造精神、精益求精的品質精神、用戶至上的服務精神)，不忘初心，深耕細作于鍛造行業這塊廣袤的沃土上，中國工業由制造大國走向智造強國，一定指日可待。