研究和试验了圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮和同步齿轮等3 种汽车用齿轮。制造工艺采用温锻加冷处理，用有限元模拟来分析锻造过程和设计模具，从而保证齿轮的精度。经过3 年的研究，已掌握其基本技术，下一步将进行工厂现场试验。
关键词：齿轮；精密锻造；计算机模拟；模具设计与制造

　　1 引言

　　齿轮精密锻造在近几十年来有很大的发展，越来越多的制造厂家和用户重视用锻造的方法制造齿轮。普遍认为，用锻造的方法，可以提高材料的利用率，提高生产率，提高齿轮的机械性能，降低成本和增强市场竞争力。尤其对用于汽车工业的大规模生产，齿轮精密锻造具有更大的效益和潜力

　　尽管齿轮精密锻造有诸多优点，并已用于锥齿轮的规模生产，但距应用于一定尺寸的圆柱直齿轮和斜齿轮的规模生产还有一段距离。特别是应用于汽车动力传动的齿轮，还需要建立一套实用和可靠的生产工艺流程，才能为厂家所接受。

　　齿轮精密锻造技术源于德国。早在50 年代，由于缺乏足够的齿轮加工机床，德国人开始用闭式热模锻的方法试制锥齿轮。其中的主要特征是使用了当时很新的电火花加工工艺来制造锻模的型腔。另外还对锻造工艺过程进行了严格地控制。在此基础上，齿轮锻造技术进一步应用到螺旋锥齿轮和圆柱齿轮的生产。但是在圆柱齿轮锻造中，由于金属材料的塑性流动方向与其受力方向垂直，所以其齿形比锥齿轮更难形成。60 年代开始圆柱齿轮的锻造研究，70 年代有较大的发展，这主要是受到来自汽车工业降低成本的压力。到80 年代，锻造技术更加成熟，能达到更高的精度和一致性，使锻造生产齿轮能在流水生产线上准确定位，适合于批量生产。

　　齿轮精密锻造的目的是直接生产出不需要后续切削加工的齿轮。如果能在室温下进行锻造，则齿轮的形状和尺寸较易控制，也可避免高温带来的误差。目前已有较多的锥齿轮和小尺寸的圆柱齿轮用这种方法制成。当整体尺寸适合时，还可以用冷挤压的工艺来制造圆柱直、斜齿轮。但大部分用于汽车传动的齿轮，其直径、高度比较大，不适合采用挤压工艺。如用闭式模锻，则需要很高的压力才能使金属材料流动并充满模具型腔，因而此类齿轮需要采用热锻或温锻工艺。而高温将带来材料的氧化，模具畸变，影响锻件的精度和表面质量。用附加的切削加工来修正这些误差难度较大，还要增加成本。特别是当使用后续磨削工艺来修正齿形上的误差，除增加成本和延长工时外，还存在磨削工艺中齿轮的定位问题。

　　目前，比较一致认同的工艺途径为热锻、温锻和冷锻的结合。热锻、温锻可实现高效能和材料的高利用率，冷锻过程则修正热、温锻过程的误差和提高表面质量。同时，冷处理工艺还能使轮齿表面获得残余压应力，提高齿轮的寿命。

　　笔者在伯明翰大学工作期间，所在的机械工程学院刚完成了一项由英国工程科学研究协会（EPSRC） 资助，与英国的7 家企业（齿轮制造，模具制造，齿轮用户，锻造厂以及钢铁公司） 合作的3 年研究课题：圆柱直齿轮和斜齿轮精密锻造。该项目在多年研究和实践的基础上，进一步探讨齿轮锻造的机理，利用现代的分析手段，如计算机模拟和设计技术，旨在开发一种生产和经济上可行的锻造加工技术，制造出在齿形上不再需要后续加工的精密齿轮。该项目研究和试验了圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮和同步齿轮等3 种齿轮。考虑到整个过程的经济性，精密锻造只限于轮廓部分，而齿端和内孔等部分，则采用切削加工。制造工艺为温锻加冷处理，由温锻获得满足形状要求的齿轮，并在轮廓部分留有011mm 左右的余量。在冷处理过程中，把温锻后的齿轮挤压通过一精密设计和制造的模具，从而修正轮廓部分的误差，获得高精度的齿形表面。在研究过程中，有限元方法被用来分析锻造过程，设计模具，从而保证齿轮的精度。经过3 年的研究，已经掌握其基本技术，下一步将进行工厂现场试验。同时正在准备申报该项目的第二阶段研究。