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摘要：本文介绍了一种新的齿轮精锻工艺和模具结构，对所得齿轮的精度、材料消耗、表面缺陷等与常规的铣齿、滚齿、插齿等常规切削加工方法进行了对比，精锻工艺具有明显的技术经济效益。
关键词：铣齿；剃齿；滚齿；插齿; 齿轮精锻
1 引言
生产实践中绝大部分齿轮的加工仍然采用切削加工，其机加工工作量是整个制造工作量的40～60%，其材料的利用率不超过35%,还占用大量的齿轮加工机床,在生产中造成大量的人力和金属材料的消耗。
运用塑性成形方法制造齿轮与切削加工相比,具有很多优点,如减少了金属消耗量,提高了劳动生产率,由于塑性成形加工可以最大限度地利用材料的纤维方向性，获得更加合理的金属内部组织分布,从而增强了齿轮的机械性能等等,能取得明显的技术经济效益和社会效益。目前采用塑性成形制造齿轮的方法很多，如精锻、精冲、挤压、滚辗、轧制等。用这些成型加工方法取代常规切削加工需要解决的关键问题是如何提高成形精度，减小齿廓精修加工量及减少金属的消耗量。
本课题设计了一种不带毛边槽的齿轮精锻模具。凹模采用可分式结构，在机械压力机上，能进行批量生产。该模具价格不高，结构简单，但如何更换模具的易磨损件，是提高经济效益的关键因素。
2 毛坯的制备和加热
2.1毛坯重量的确定 为了保证精锻时材料完全充满模膛，获得较高精度的锻件，并尽量减少材料流动阻力和流动距离，防止发生齿廓折断，合理确定毛坯下料重量十分重要，相关资料及工艺实践表明，对精锻后采用铣齿、插齿时毛坯重量偏差控制在5％以内,可保证所得齿轮精度在公差范围之内，且不会引起模具折断；若要采用剃齿、滚齿加工，则毛坯的重量偏差应超过1～1.5%，否则零件尺寸就可能超出规定的公差范围。
2.2 毛坯下料方法 可由热轧圆钢在压力机上利用剪刃剪切下料；也可采用经光整加工的轧制毛坯，用全封闭的剪切模具下料。
2.3 毛坯预热 可利用室式工频感应炉，对于是18CrMnTi的齿轮材料，加热温度在900～1100℃范围内。对于中等精度的齿形加工余量较大，一般在0.5～1mm之间,加热温度允许在±50℃范围内波动,而对于偏差在0.1mm范围内小余量齿轮,或者不留加工余量的齿轮,加工温度偏差不应超过±25℃。
2.4 毛坯材料的表面质量 毛坯表面层不允许有下列缺陷：裂纹、折叠、气孔、缩孔、砂眼等。甚至对大加工余量（1mm）的齿轮，这些表面缺陷在大多数情况下，都会超出加工余量范围之外。对于精锻高精度齿轮时，材料表面层的氧化和脱碳层深度应小于0.1mm，如果毛坯表面层的上述缺陷不能保证去除，则必须采用切削加工去掉表面层，也可利用无心磨床进行预加工。对于有大加工余量的齿轮，毛坯加热时，不需要有专门的保护装置，其氧化层深度不会大于0.15mm，直接用刷子清理氧化皮即可。在小加工余量毛坯加热时，要涂保护剂，并放在砂子和石墨混合物中冷却。
3 使用设备和模具
可在通用机械压力机和液压机上进行精锻成形，但压力机必须要有较大的工作行程和闭合高度，若压力机本身带有上、下顶出装置，并具有较大的顶出力，则可以使模具结构大为简化。
图1介绍了我们采用的模具型式。这种模具带有杠杆式凹模压块，模具的工作原理如下：把毛坯1由人工放入凹模2的型腔内，上凹模块8压住下凹模2、杠杆3向下运动，推动斜块4下移，利用其侧边的斜面使3转动，钩住上闭合套10，压住2和8，活块继续向下运动，毛坯在下凸模6和上凸模9的作用下成形，下凸模的行程由下闭合板7和下模板5之间的距离的变化来控制（这二块的弹性元件在图上未表示）。当压力机的滑块向上运动时，拉杆11使用闭合套10和7一道使件3向上，它们的行程由限位销来控制（图中未画出）。因此可保证件10和件7停止向上，件3回到原来的位置。凹模回到上端，完全打开，制件相应由上、下半凹模块2或8中取出。
若需精锻另一种齿轮，需要变换凸模和凹模的相应尺寸，也要调整模具其它参数，并且可以增大和减少凹模压块和凸模6的运动顺序和速度。在模具内安装有带反压的补偿装置，该装置能防止当毛坯金属余量过多，在变形区内压力急剧增加而导致的模具损坏。
4 所得产品和存在问题
图2为精锻的各种齿轮。在生产过程中发现，采用可分式凹模精锻齿轮，主要缺陷是齿轮端部出现毛刺。这是由于凸模工作表面出现擦伤、材料流动不顺利、产生卡滞所致，若改变凸模工作部分形状、结构，就可避免毛刺产生，也不会影响模具的成形效果。
另一影响产品质量和生产经济性的主要因素，是模具工作零件的寿命。工作零件的失效主要是由于热疲劳损坏。为此凸模和凹模的材料应选用4Cr5MoVSi或5Cr3B8MoVSi,同时采用适当的冷却润滑也很重要。凹模是精锻齿轮的关键零件，一般要求由电火花加工来制造，为防止凹模开裂，一般要采取多层组合型式，用套圈来预紧。凹模的寿命一般在500～2000件左右，凹模磨损以后要及时更换。
5 结论
5.1 采用该方法可进行有加工余量或无加工余量的齿轮精鍛。制件精度主要取决于模具的精度。模具型腔尺寸误差一般应控制在下列范围内：高度方向偏差：0.05～0.1mm；轮缘内径偏差：0.05～0.15mm；外径偏差：0.1～0.25mm；轮缘高度误差≤0.15mm。若在感应炉内加热，空气中冷却，则氧化层的深度不会超过0.03mm，在齿顶和齿根部分，氧化层厚度增加，但不会超过0.1mm。脱碳层厚度也如此。若采用精轧或精车毛坯，还可避免出现脱碳层。
5.2 经过工厂实际生产验证，采用上述工艺和模具，年生产纲领可达10～15万件。
5.3 采用上述精锻工艺和模具，与常规的切削加工工艺相比，可使材料利用率提高25%～35%，并大幅度减少加工工时，降低制造费用，同时提高了制件使用性能和寿命，取得明显的经济效益。
参考文献：
[1] 江雄心等.直齿圆柱齿轮精锻工艺[J].锻压技术，2002(05)
[2] 王广春等.直齿轮精锻成形新工艺及试验研究[J].机械工程学报2005（2）
[3] 江甫炎.近代齿轮制造工艺[M]，北京：航空工业出版社，1994
[4] 李尚建.锻造工艺及模具设计资料[M].北京：机械工业出版社，1991
关键词：铣齿；剃齿；滚齿；插齿; 齿轮精锻
1 引言
生产实践中绝大部分齿轮的加工仍然采用切削加工，其机加工工作量是整个制造工作量的40～60%，其材料的利用率不超过35%,还占用大量的齿轮加工机床,在生产中造成大量的人力和金属材料的消耗。
运用塑性成形方法制造齿轮与切削加工相比,具有很多优点,如减少了金属消耗量,提高了劳动生产率,由于塑性成形加工可以最大限度地利用材料的纤维方向性，获得更加合理的金属内部组织分布,从而增强了齿轮的机械性能等等,能取得明显的技术经济效益和社会效益。目前采用塑性成形制造齿轮的方法很多，如精锻、精冲、挤压、滚辗、轧制等。用这些成型加工方法取代常规切削加工需要解决的关键问题是如何提高成形精度，减小齿廓精修加工量及减少金属的消耗量。
本课题设计了一种不带毛边槽的齿轮精锻模具。凹模采用可分式结构，在机械压力机上，能进行批量生产。该模具价格不高，结构简单，但如何更换模具的易磨损件，是提高经济效益的关键因素。
2 毛坯的制备和加热
2.1毛坯重量的确定 为了保证精锻时材料完全充满模膛，获得较高精度的锻件，并尽量减少材料流动阻力和流动距离，防止发生齿廓折断，合理确定毛坯下料重量十分重要，相关资料及工艺实践表明，对精锻后采用铣齿、插齿时毛坯重量偏差控制在5％以内,可保证所得齿轮精度在公差范围之内，且不会引起模具折断；若要采用剃齿、滚齿加工，则毛坯的重量偏差应超过1～1.5%，否则零件尺寸就可能超出规定的公差范围。
2.2 毛坯下料方法 可由热轧圆钢在压力机上利用剪刃剪切下料；也可采用经光整加工的轧制毛坯，用全封闭的剪切模具下料。
2.3 毛坯预热 可利用室式工频感应炉，对于是18CrMnTi的齿轮材料，加热温度在900～1100℃范围内。对于中等精度的齿形加工余量较大，一般在0.5～1mm之间,加热温度允许在±50℃范围内波动,而对于偏差在0.1mm范围内小余量齿轮,或者不留加工余量的齿轮,加工温度偏差不应超过±25℃。
2.4 毛坯材料的表面质量 毛坯表面层不允许有下列缺陷：裂纹、折叠、气孔、缩孔、砂眼等。甚至对大加工余量（1mm）的齿轮，这些表面缺陷在大多数情况下，都会超出加工余量范围之外。对于精锻高精度齿轮时，材料表面层的氧化和脱碳层深度应小于0.1mm，如果毛坯表面层的上述缺陷不能保证去除，则必须采用切削加工去掉表面层，也可利用无心磨床进行预加工。对于有大加工余量的齿轮，毛坯加热时，不需要有专门的保护装置，其氧化层深度不会大于0.15mm，直接用刷子清理氧化皮即可。在小加工余量毛坯加热时，要涂保护剂，并放在砂子和石墨混合物中冷却。
3 使用设备和模具
可在通用机械压力机和液压机上进行精锻成形，但压力机必须要有较大的工作行程和闭合高度，若压力机本身带有上、下顶出装置，并具有较大的顶出力，则可以使模具结构大为简化。
图1介绍了我们采用的模具型式。这种模具带有杠杆式凹模压块，模具的工作原理如下：把毛坯1由人工放入凹模2的型腔内，上凹模块8压住下凹模2、杠杆3向下运动，推动斜块4下移，利用其侧边的斜面使3转动，钩住上闭合套10，压住2和8，活块继续向下运动，毛坯在下凸模6和上凸模9的作用下成形，下凸模的行程由下闭合板7和下模板5之间的距离的变化来控制（这二块的弹性元件在图上未表示）。当压力机的滑块向上运动时，拉杆11使用闭合套10和7一道使件3向上，它们的行程由限位销来控制（图中未画出）。因此可保证件10和件7停止向上，件3回到原来的位置。凹模回到上端，完全打开，制件相应由上、下半凹模块2或8中取出。
若需精锻另一种齿轮，需要变换凸模和凹模的相应尺寸，也要调整模具其它参数，并且可以增大和减少凹模压块和凸模6的运动顺序和速度。在模具内安装有带反压的补偿装置，该装置能防止当毛坯金属余量过多，在变形区内压力急剧增加而导致的模具损坏。
4 所得产品和存在问题
图2为精锻的各种齿轮。在生产过程中发现，采用可分式凹模精锻齿轮，主要缺陷是齿轮端部出现毛刺。这是由于凸模工作表面出现擦伤、材料流动不顺利、产生卡滞所致，若改变凸模工作部分形状、结构，就可避免毛刺产生，也不会影响模具的成形效果。
另一影响产品质量和生产经济性的主要因素，是模具工作零件的寿命。工作零件的失效主要是由于热疲劳损坏。为此凸模和凹模的材料应选用4Cr5MoVSi或5Cr3B8MoVSi,同时采用适当的冷却润滑也很重要。凹模是精锻齿轮的关键零件，一般要求由电火花加工来制造，为防止凹模开裂，一般要采取多层组合型式，用套圈来预紧。凹模的寿命一般在500～2000件左右，凹模磨损以后要及时更换。
5 结论
5.1 采用该方法可进行有加工余量或无加工余量的齿轮精鍛。制件精度主要取决于模具的精度。模具型腔尺寸误差一般应控制在下列范围内：高度方向偏差：0.05～0.1mm；轮缘内径偏差：0.05～0.15mm；外径偏差：0.1～0.25mm；轮缘高度误差≤0.15mm。若在感应炉内加热，空气中冷却，则氧化层的深度不会超过0.03mm，在齿顶和齿根部分，氧化层厚度增加，但不会超过0.1mm。脱碳层厚度也如此。若采用精轧或精车毛坯，还可避免出现脱碳层。
5.2 经过工厂实际生产验证，采用上述工艺和模具，年生产纲领可达10～15万件。
5.3 采用上述精锻工艺和模具，与常规的切削加工工艺相比，可使材料利用率提高25%～35%，并大幅度减少加工工时，降低制造费用，同时提高了制件使用性能和寿命，取得明显的经济效益。
参考文献：
[1] 江雄心等.直齿圆柱齿轮精锻工艺[J].锻压技术，2002(05)
[2] 王广春等.直齿轮精锻成形新工艺及试验研究[J].机械工程学报2005（2）
[3] 江甫炎.近代齿轮制造工艺[M]，北京：航空工业出版社，1994
[4] 李尚建.锻造工艺及模具设计资料[M].北京：机械工业出版社，1991