（机械工程专业论文）轿车伞齿轮冷精锻成形工艺优化及数值模拟研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 齿轮作为汽车的一个重要传动零件，近年来，随着汽车工业的迅速发展，对其 生产已有更高的要求。随着冷锻技术的不断发展，齿轮特别是轿车直齿伞齿轮，可 以用冷精锻技术生产。冷精锻齿轮与传统加工方法生产的齿轮相比，具有节约材料、 机械性能好、生产效率高等优点，是当今齿轮特别是轿车齿轮生产的发展趋势。根 据我国轿车制造工艺的迅速发展和江苏太平洋精密锻造有限公司正在实施的“轿车 直齿伞齿轮冷精锻工艺研究 项目的需要，本文着重研究轿车直齿伞齿轮的冷精锻 工艺及成形规律。 通过查阅国内外相关的技术文献，了解了冷锻技术的现状及发展趋势、以及圆 锥齿轮冷精锻生产存在的问题，分析了我国与国外冷精锻水平的差距，并且对齿轮 冷精锻生产技术进行了预测。 在介绍了精密成形技术的几种类型后，针对轿车直齿圆锥齿轮的冷精锻生产工 艺，介绍了冷精锻直齿圆锥齿轮的成形原理，以及冷精锻的特点和冷精锻生产轿车 直齿圆锥齿轮的优点。 根据特定的轿车直齿锥齿轮，计算并给出了其各项技术参数，并对其进行了三 维几何造型和模具设计，制定了冷精锻生产的工艺方案，总结出了冷精锻成形的主 要影响因素。 通过基于刚塑性刚粘塑性有限元方法的计算机数值模拟对直齿圆锥齿轮的闭塞 冷锻过程进行了分析，得到了锻件载荷、应力和速度场的分布，初步得到了圆锥齿 轮闭式冷精锻的成形规律，为冷锻成形技术在工业生产中的应用提供了理论依据 以上述结果为基础，通过试验，按照成形规律，设计出了相应的模具结构，通 过试验论证，得到了预期的成形效果。 关键词：直齿圆锥( 伞) 齿轮冷精锻工艺成形规律数值模拟 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a g e a ri sak i n do fi m p o r t a n td r i v i n gp a r tu s e di nc a r i nr e c e n ty e a r s ， w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e ，t h e r ei sam u c hs t r i c t e rd e m a n dt o g e a r sm a n u f a c t u r i n g w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o l df o r g i n gt e c h n o l o g y , t h eg e a r se s p e c i a l l yt h eg e a r su s e di nc a r , c a nb em a n u f a c t u r e di nc o l d p r e c i s i o nf o r g i n gt e c h n o l o g y c o l dp r e c i s i o nf o r g i n go fg e a r sh a sal o to f a d v a n t a g e sw h e nc o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lg e a rs h a p i n g ，s u c ha sm a t e r i a l s a v i n g ，b e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n d h i g h e rp r o d u c t i v i t ye t c ，c o l d p r e c i s i o nf o r g i n gh a sb e c o m et h et r e n do fm a n u f a c t u r i n gg e a r se s p e c i a l l yt h e g e a r su s e di nc a r b a s e do nt h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rn a t i v ec a r s m a n u f a c t u r ea n dt h ep r o je c tr e q u i r e m e n to ft h e s t u d yo nc o l dp r e c i s i o n f o r g i n gt e c h n o l o g yf o rt h eb e v e lg e a ru s e di nc a r t h a ti st a k e nb yj i a n g s u p a c i f i cp r e c i s i o nf o r g i n gc o ，l t d ，t h i sp a p e rm o s t l yd i s c u s s e dt h ec o l d p r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s sf o rt h eb e v e lg e a r sa n di t sf o r m i n gl a w s t h r o u g hr e a d i n gt h en a t i o n a la n dt h ei n t e r n a t i o n a ll i t e r a t u r e ，t h ea u t h o r k n e wt h es t a t u sa n dt h ed e v e l o p i n gt r e n d o fc o l dp r e c i s i o nf o r g i n gt e c h n o l o g y a n df o u n do u tt h ep r o b l e m so fc o l dp r e c i s i o nf o r g i n gm a n u f a c t u r i n gt h eb e v e l g e a r s ，a n a l y z e dt h ed i f f e r e n c eo fo u rn a t i o nw i t ho t h e rc o u n t r yi nc o l d p r e c i s i o nt e c h n o l o g y , a n dp r e d i c t e dt h eg e a r sm a n u f a c t u r i n gi nc o l dp r e c i s i o n f o r g i n gt e c h n o l o g y a f t e r i n t r o d u c i n g s e v e r a lk i n d so fp r e c i s i o n f o r m i n gt e c h n o l o g y , 江苏大学工程硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h ec o l dp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s sf o rb e v e lg e a r su s e di nc a r , t h ef o r m i n gp r i n c i p l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea d v a n t a g e si nc o l dp r e c i s i o n f o r g i n gm a n u f a c t u r i n gb e v e lg e a r su s e di nc a rw e r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h eb e v e lg e a r su s e di nc a r , a l lt e c h n i c a lp a r a m e t e r sw e r e c a l c u l a t e d ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lf i g u r ea n di t sm o u l dw e r ed e s i g n e d ，t h e c o l dp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s ss c h e m ew a si n s t i t u t e d ，a n dt h ep r i m a r yf a c t o r s t ot h ec o l dp r e c i s i o nf o r g i n gw a ss u m m a r i z e d t h ec o l df o r m i n gp r o c e s so ft h es t r a i g h tb e v e lg e a rw e r ea n a l y z e dw i t h c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do nr i g i dp l a s t i c r i g i dv i s c o - p l a s t i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o d s o m ep a r a m e t e r s ，s u c ha sl o a d so ff o r g i n gp i e c e ，s t r e s sa n d v e l o c i t y - f i e l di nt h ef o r m i n ga r eo b t a i n e d t h er e s u l t st h a ti n d i c a t e dt h ec o l d p r e c i s i o nf o r g i n gf o r m i n gl a w sp r o v i d ea c a d e m i cg i s t f o rt h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n so fc o l df o r g i n gt e c h n o l o g y b a s e do na l la b o v e ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h ec o l dp r e c i s i o nf o r g i n g f o r m i n gl a w sw a sd i s c u s s e d ，a n da c c o r d i n gt ot h el a w s ，t h ep r o p e rm o u l d s t r u c t u r e sw e r ed e s i g n e d i nt h ee n d ，t h ea i m e df o r m i n ge f f e c tw a s g a i n e d k e yw o r d s ：s t r a i g h t b e v e lg e a r s ；c o l dp r e c i s i o nf o r g i n g ；p r o c e s s ； f o r m i n gl a w s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 彳 年月日 加o7年，2 月，；日 勃眨 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 。课题的来源和意义 1 绪论 轿车直齿伞齿轮是轿车差速器中的一个传动零件。以前的加工方法大都为切削 加工工艺，其生产成本高，加工周期较长。随着对齿轮的传动速度和性能要求的不 断提高以及汽车生产的大规模化，提高生产率、节省能源和材料、降低生产成本及 产品精度变得越来越重要。 传统的粗放型塑性加工制造毛坯工艺和常规的切削加工技术难以满足以上目标 要求，加工技术的改进成为必然的发展趋势。精密成形也就应运而生，尤其是冷精 锻成形技术是实现这些目标的有效途径。冷精密塑性成形技术的应用由最初的工具、 自行车上的简单、普通零件向汽车工业上复杂、精密零件方向突破，尤其是轿车上 大量复杂新结构零件的产品设计就是以精密冷塑性成形技术作为先决条件的。冷精 锻技术的应用带来了显著的经济效益并大大提高了文明生产水平。 国内外研制得最早、发展得最快、应用得最多的精锻零件是直齿圆锥齿轮，是 因为其外形结构上的可锻性。精锻齿轮，自从1 9 9 0 年列入国家首批重点推广节材节 能应用项目以来，在我国齿轮的制造行业中获得了突飞猛进的发展。 实践证明，精锻齿轮的轮齿有沿齿廓合理分布并连续的金属流线，使抗疲劳的强 度提高2 0 以上，并且精密模锻直齿圆锥齿轮比机械切削加工方法节约钢材2 0 一 3 0 ，降低成本2 5 。随着我国汽车生产，尤其是轿车大规模化的生产，以及加入 世界贸易组织后，面对汽车工业全球性竞争日趋激烈，精锻齿轮的要求变得越来越 迫切。可以预见，齿轮精锻技术在今后一段时间内，在日臻完善的基础上将会得到 广泛的推广应用。 1 2 国内外冷精锻技术研究的发展概况 近年来，随着各种高新技术的不断发展和应用，在汽车、船舶、航空航天、电 子、机械等支柱产业中，传统的塑性加工技术得以不断的发展、提高和升级。作为 一种先进制造技术，冷精密塑性成形，以生产尽量接近零件最终形状的产品 江苏大学工程硕士学位论文 ( n e a r - n e t s h a p e ) ，甚至是完全提供成品零件( n e t - s h a p e ) 为目标，在工业发达国家得以 迅速的发展并发挥重要作用，已成为提高产品竞争力的有效途径。 1 2 1 国外冷精锻技术研究的发展概况 冷精锻工艺是一种精密塑性成形技术，具有切削加工无可比拟的优点，如制品 的机械性能好，生产效率高和材料利用率高，特别适合大批量生产，而且可以作为 最终产品的制造方法( n e t s h a p e f o r m i n g ) ，在航空航天、船舶、汽车和机床工业等行 业得到了广泛的应用。当前汽车工业、摩托车工业和机床工业的飞速发展，为冷锻 技术提供了原动力。可以说，冷锻生产能力的大小和其工艺水平的高低已成为衡量 一个国家工业化水平的重要方面【8 】o 冷挤压成形是最早的冷锻生产方式，迄今为止，冷挤压成形仍然是冷锻的主要 形式之一。但随着冷锻技术的发展，其内涵已扩大，主要包括：冷镦、冷挤压、冷 模锻和冷摆碾等多种体积成形方式。 自从1 9 3 5 年，德国率先开发成功钢材的磷化处理工艺，为刚质零件的冷锻冷挤 压成形创造了条件，1 9 5 5 年开始将冷锻技术用于汽车锻件的生产。到目前为止，在 德国、日本、美国等工业发达国家里，冷锻技术在汽车的零部件制造业中应用已经 非常的广泛。其中7 0 用于轿车。 在日本，汽车工业的迅速成长，为冷锻技术的发展创造了有利的条件。六十年 代冷锻技术主要应用于紧固件、活塞销、回转体法兰和轴类件等简单零件，七十年 代发展到形状复杂的产品，八十年代日本开发成功大型高精度等速万向节的外座圈， 依靠复动成形隋人称为“闭塞锻造”) 生产十字轴、内座圈、汽车差速器伞齿轮等高 难度冷锻件。 冷锻技术在日本汽车工业中的应用水平在世界上居于领先地位。1 9 8 9 年日本丰 田1 8 l 发动机排气量的汽车中，每一辆车中有4 3 埏冷锻件( 还不包括螺钉、螺栓、 螺母等标准件的冷锻成形，重约3 5 k g ) 。日本丰田汽车按年代进展开发的产品如图1 - 1 所示【1 1 。由图可知，6 0 年代日本丰田汽车上的冷锻件很缓慢，到1 9 9 0 年每辆汽车中 冷锻件的数量约为4 3 k g 以上。 2 江苏大学工程硕士学位论文 图1 - 1 每辆丰田汽车不同时期使用的冷锻件 目前国外冷锻生产具有下列特点“1 ： ( 1 ) 由冷锻发展到温一冷联合工艺冷锻生产具有大批量、高效率、高精度的特 点，但由于变形抗力大，所能加工的零件重量受到了限制，为了适应大型高精度零 件的生产，温一冷联合工艺应运而生。温锻使零件基本成形，解决了材料的体积分 配，冷精整获得零件的最终精度。 ( 2 ) 冷锻生产已由单个工位发展到多工位为了提高生产率和模具寿命，冷锻 生产已由过去的单个工位生产转向多工位生产，合理减少每个工序的变形量，减轻 模具负荷，提高模具寿命，多工位压力机与自动化送料装置的应用大大地提高了生 产效率。 ( 3 ) 闭塞锻造新技术的应用越来越广泛闭塞锻造技术是近年来发展十分迅 速的一种精密塑性成形新方法。与模锻和挤压不同，闭塞锻造需要三重动作和工作 压力。其成形过程是先将上下凹模闭合并施加合模力，将毛坯封闭于凹模型腔内， 在压力机滑块作用下，凸模在一个方向或多个方向对坯料施加成形力，使坯料充满 型腔。 闭塞锻造始于汽车十字轴的冷精密成形，目前已发展到圆锥齿轮和其他复杂零 件的成形，最近日本开发的圆锥齿轮冷闭塞锻造工艺，齿轮锻造的精度达到了轿车 齿轮的装配使用要求。闭塞锻造可以在一次变形中获得较大的变形量和复杂的型面， 因此特别适合复杂零件的生产。在日本，闭塞锻造专用压力机已经问世，并开发出 了在通用压力机上实现闭塞锻造的专用模架。 ( 4 ) 冷锻设备得到了发展 3 江苏大学工程硕士学位论文 随着轿车工业的发展，冷锻工艺获得了迅速发展，普通压力机已不能满足要求， 多工位、高质量、高性能的冷锻专用压力机应运而生。较著名的机械式冷锻压力机 有德国舒勒公司、日本小松公司的系列冷锻压力机，都具备了自动上料能力和多工 位锻造能力，充分适应了冷锻的工艺特点。 ( 5 ) 冷锻用钢专门化 随着冷锻工艺的广泛应用，冷锻专用钢已得到了发展。在美国、德国、日本等 国，各国钢厂根据本国的资源情况分别开发了各自的冷锻专用钢，并且在钢厂进行 了球化退火和磷化皂化处理。冷锻专用钢的开发和使用，从原材料方面充分满足了 冷锻工艺要求，提高了冷锻工艺水平和生产效率，降低了冷锻成本，进一步推动了 冷锻工艺的发展。 ( 6 ) 计算机技术得到广泛应用 由于冷锻零件的复杂性以及市场对于开发周期、制件质量、制件成本的要求， 以有限元技术为先导和核心的数值模拟与分析技术已成为冷锻成形与应用研究的有 力工具。c a d c a m c a e 技术己广泛应用于冷锻工艺的金属流动分析、工艺设计、模具 设计、制造和模具失效分析等方面。 ( 7 ) 冷锻生产由大批量向多品种、小批量方面发展 随着产品需求呈个性化发展的趋势，冷锻生产已向多品种、小批量方向发展。 为了适应该特点，日本专家将并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 引入冷锻技术 中。开发一个新的冷锻制品，将与其相关的设计、设备、工艺、材料等各个工程集 成，并行处理，综合考虑各方面因素得出最优方案，从而缩短产品开发周期，提高 产品质量和降低生产成本，以提高产品竞争力，更充分发挥冷锻技术的特点。 1 2 2 国内冷锻技术的发展概况 国内冷锻技术的研究是从六十年代初开始，几乎与日本同时起步。在六十年代 后期部分零件形成规模生产，六七十年代一直紧跟国外先进水平。但由于各方面原 因，特别是由于汽车工业长期处于小批量生产，我国的冷锻技术未能得到健康发展。 至八十年代，除了少数自行车零件和汽车标准件生产坚持冷锻工艺外，绝大部分汽 车零件采用热锻一机加工工艺生产协3 | 。与日本同时起步的冷锻技术未能健康发展的 原因有以下三点： 4 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 我国汽车工业发展缓慢。建国以来，我国汽车工业主要围绕载重车发展，且 生产批量小。轿车作为“奢侈品，在相当长的时间内没有得到发展。冷锻技术缺少 了应用市场，也就缺少了推动冷锻技术发展的动力。 ( 2 ) 我国未形成冷锻专业化生产，制约了冷锻技术的发展。冷锻技术作为一项综 合技术，它包含成形技术、模具设计与加工处理技术、材料科学、冷锻设备、质量 管理等基本要素，只有形成专业化生产，才能集中人力、物力，提高冷锻生产能力 和工艺水平。 ( 3 ) 与相关产业缺少协调，影响了冷锻技术的发展。我国冷锻设备生产能力落后， 至今还不能生产冷锻专用压力机；冷锻用模具钢性能不稳定，模具寿命短；缺少冷 锻专用钢，造成冷锻成本过高。这些因素严重地阻碍了我国冷锻技术的发展。 近年来，随着我国汽车尤其是轿车工业的发展，国内企业界有识之士已充分认 识到这一点。轿车工业高投入、大批量和高技术含量的要求，其零部件结构复杂， 精度高，使得采用纯切削加工方法引起的耗时、费料等诸多弊端已远不能令企业接 受。国内业已形成一些专业化生产厂，如江苏太平洋精密锻造公司、江苏飞船齿轮 厂、江苏森威集团，相继引进日本冷锻技术和设备、瑞士冷摆碾设备等，生产汽车 差速器伞齿轮、等速万向节星形套、花键轴等冷精密复杂零件；天津汽车锻件厂引 进德国舒勒公司设备用于汽车零件的冷温成形。近年来，国内的一些高等院校、科 研单位开始重视冷锻技术的研究开发工作。摩托车花键轴、启动齿轮、棘轮、轿车 等速万向节星形套等高精密零件已开发成功。以轿车工业发展为契机，推动我国冷 锻及相关技术的发展，使我国冷锻技术步入世界先进行列，是国内塑性加工行业现 在乃至未来数年的主攻目标。 1 3 本文主要研究的内容 节省材料和能源、降低生产成本、提高生产率及制品精度，这些要求随着汽车 生产( 特别是轿车) 的大规模化而变得越来越重要。精密成形一尤其是冷精密成形 技术是实现这些目标的重要方法。 金属冷塑性成形技术是冷成形技术的一个重要组成部分，是一项综合技术的结 晶，它包含八方面要素( 日本称之为八面体技术) 【9 】：冷锻件的设计工程设 计( 塑性理论) 模具设计模具制造坯料润滑冷锻压力机设备自 s 江苏大学工程硕士学位论文 动化装置后处理。日本会田公司为了确保冷锻件的正常生产，认为必须保证这 些条件都能正常，即保证塑性加工的“八面体技术”，缺一不可。然而，根据我们的 体会，要想开发成功一种新的冷锻件产品，仅靠“八面体技术 是不够的，还必须 增加两个“面 一一坯料的原始尺寸和坯料的原始形状。我国目f j 的主要差距 在、六个方面。 本文作为江苏太平洋精密锻造有限公司的技术攻关项目，将主要展开以下几个 方面的研究： ( 1 ) 闭塞冷锻金属流动规律的研究 冷闭塞锻造成形技术是自八十年代发展起来的一种精密塑性成形新方法，在我 国锻造工业中应用和发展时间较短，尚处于刚刚起步阶段，对其变形规律还缺乏了 解。本文采用d e f o r m 软件对轿车伞齿轮进行冷精锻成形数值模拟，初步得到了金 属流动规律、金属充填规律、坯料的体积变化规律等。 ( 2 ) 实用化工艺的研究 虽然我们已经通过计算机的c a e 技术模拟了直齿伞齿轮的冷精锻过程，但是， 作为一种数值模拟技术，其理论模型、应用算法及相关技术问题的处理使其对复杂 成形模拟精度无法达到冷精密成形件的精度要求。所以，我们必须对圆锥齿轮冷精 锻的实用化工艺进行研究和探索，解决毛坯的制坯及其毛坯的处理，锻件形状的确 定，模具结构的设计，以及工艺方案的确定等问题。 ( 3 ) 通过试验确定生产中的优化模具结构 虽然我们设计出的模具可以通过计算机的模拟技术来加以初步的验证，但是毕 竟c a e 技术和实际还是有很大的差距，在实际生产中有很多的不确定因素的影响， 原来通过计算机模拟出的模具不一定很好的符合生产的要求，所以我们必须通过试 验的方法，求得优化的模具结构。 6 江苏大学工程硕士学位论文 2 1 精密成形技术的内涵 2 精密成形技术 精密成形技术目前被普遍接受的定义1 2 1 】是“至少锻件的部分表面的尺寸精度和 形状达到可直接用于装配或仅需磨削加工即可装配的程度”。大约在2 0 世纪8 0 年代 初，国际上曾用“净成形 ( s h a p e - - f o r m i n g ) 和“准净成形”( n e t s h a p e f o r m i n g ) 这 种术语。所谓“净成形”是指锻件的最终形状为零件的最终形状，即为无切削加工。 “准净成形 是指经过精车和磨削后才能成为成品的锻件形状，即少无切削加工【6 】。 精密成形技术是先进制造技术的一个重要内容，以生产尽量接近零件最终形状的产 品、甚至是完全提供成品零件为目标，已经成为提高产品竞争力的重要技术手段， 在西方工业发达国家得到迅速的发展【1 m 2 1 。它建立在材料科学、电子技术、信息技 术、自动化技术等多种高新技术的基础上，改造了传统的毛坯的成形技术使之由粗 糙低效成形变为高精度、低成本、优质高效成形【1 2 l 。 精密成形技术在汽车、宇航、机械、电子等支柱产业中有极为广泛的应用。据 统计，汽车金属构件占8 0 左右，小轿车8 0 年代采用精冲工艺生产的零件达8 0 多 种。精密成形技术主要有以下一些特点【1 2 】： ( 1 ) 近似净成形体的尺寸及形位精度高，为后续高效、高精加工提供了理想的毛 坯： ( 2 ) 对于净成形零件，很多部分无需后续加工，这大大降低了原材料的浪费； ( 3 ) 高生产率、低能源消耗，降低了制造成本，缩短制造周期，提高了产品竞争 力； ( 4 ) 精密成形产品的机械性能和质量相对于传统切削加工的产品，有很大的提 高； ( 5 ) 较传统成形工艺，生产条件得到改善，对环境的污染大大减少。并且，在冷 精密成形方面，由于热处理工序的减少和无飞边工艺的进步，能源消耗和污染程度 大大降低，这一技术更符合未来清洁制造和绿色制造的趋势，为可持续发展创造了 有利的条件。 7 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 精密成形技术的发展趋势 近年来，随着科学技术的迅速发展，许多高效、优质、少无切削的新型成形不 断研究出来。其中精密成形技术在工业中得到广泛的应用。 精密成形技术的发展趋势大致有以下几个方向： ( 1 ) 成形精度向净成形方向发展 精密成形技术的发展趋势和目标是实现净成形。目前，精密成形技术已在较大 程度上实现了近似净成形。据国际机械加工技术协会预测，2 l 世纪初期，塑性加工 和磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。 ( 2 ) 成形工艺向新型工艺和复合工艺方向发展 高效优质的新型工艺和复合工艺伴随着各学科不断交叉结合和相应前沿技术的 发展，而会不断出现。如在成形中，引入电子束、等离子体、激光等多种新能源及 能源载体，将形成多种新形和复合技术。 ( 3 ) 加工过程控制和质量控制向智能化、柔性化方向发展 用户需求的多元化和日益激烈的市场竞争，决定着生产方式将由大批量生产向 多品种变批量生产转变。为了快速适应和抢占市场，需要大力借助计算机、信息和 控制等技术，实现生产系统的自动化、集成化、敏捷化和智能化。 ( 4 ) 随着数值模拟技术的飞速发展，工艺由“技艺”向“工程科学方向发展 产品的成形分析和工艺设计由经验判断的定性分析走向定量分析是精密成形技 术的一个重要发展趋势。通过应用计算机数值模拟技术与专家系统相结合实现虚拟 制造，来预测分析成形过程的细节，确定优化工艺方案和参数，是实现高效高质生 产的有力手段。如目前出现的成形工艺一模具一产品c a d c a m 一体化技术、虚拟锻 造技术等。 ( 5 ) 精密成形制造向网络制造方向发展 精密成形制造也与整个制造技术向网络制造方向发展相适应，最终实现全球化 生产。 ( 6 ) 精密成形生产向清洁生产方向发展 二十一世纪制造业发展的重要特征之一是清洁生产技术，它是协调工业发展和 环境保护之间矛盾的一种新型生产方式。净成形的发展和新型工艺的出现，适应了 保护环境、绿色生产的要求，所以清洁型的精密成形技术将在2 1 世纪得到大力发展。 8 江苏大学工程硕士学位论文 2 。3 精密成形技术的基本类型 目前采用的精密成形方法，按照金属成形时的温度可分为高温精密成形( 热精 锻) ，中温精密成形( 中温精锻) ，室温精密成形( 冷精锻) 【1 3 】。 2 3 1 热精锻 几乎所有的钢种和各种形状的零件都能应用热精锻生产。但零件在热锻高温下 会有强烈的氧化反应，表面粗糙度差，降低了表面性能，同时也导致了较大的形位、 尺寸误差，后续的机加工余量较大。经过多年的探索，我国锻造行业已经初步掌握 了圆锥直伞齿轮热精锻工艺，进行大批量生产，但还是存在一些有待改进的问题， 即： ( 1 ) 目前所用的少氧化加热炉，效果仍欠理想，炉内的可见度差； ( 2 ) 在锻造后无法立即检查锻件精度，不便即时控制质量； ( 3 ) 模具的精度应进一步提高，保持在i t 6 级以上； ( 4 ) 研发、推广工作做的不够。目前锻件品种少，大多停留在行星和半轴齿轮等 圆锥齿轮的生产上。 2 3 2 中温精锻 中温精锻成形温度通常介于6 5 0 9 5 0 之间，在此温度范围内加热不会产生强 烈氧化。中温精锻的毛坯加热后，无明显的氧化现象，并且有不太大的、适当的变 形抗力和足够的塑性，可以达到精密模锻的目的。它既有热锻良好的成形性能又能 获得很高质量的加工表面，因此温精锻发展也比较迅速。但是由于其考虑的因素较 多，工艺规范的研究还很不成熟，其工艺设计和模具开发的费用目前也比较高，有 资料表明它高于热锻和冷锻【刎。不过由于温锻工艺在复杂零件精确成形中的明显优 势，因而仍然成为国内外生产企业与科研人员的重点关注。清华大学和北京齿轮厂 合作，研究了用于北京吉普差速器中的7 6 0 行星齿轮，其材料为2 0 c r m n t i 钢，开发 了一火两锻的温锻成形工艺，并且用于了生产。 9 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 3 冷精锻 冷精锻，在毛坯锻造前不需加热，彻底解决了氧化问题，可以得到良好的尺寸 精度和较高的表面质量。但其变形抗力过高，成形能力有限，对模具的损害严重。 故保证锻件的充填达到预期的尺寸精度和延长模具的寿命是一对矛盾，它一直是冷 精锻成形技术研究中的重点和难点。提高生产率及产品精度、节省材料和能源、降 低生产成本等要求，随着汽车生产( 特别是轿车) 的大规模化，而变得越来越重要。 这些矛盾的逐步解决促进了冷精锻技术的发展。本文的研究工作也将针对轿车直齿 圆锥齿轮的冷精锻成形工艺展开。 2 4 冷精锻成形特点 2 4 。1 冷精锻成形原理 冷精锻成形采用冷闭塞锻造技术，是国际上近年发展起来的新型精密塑性加工 技术，以其精密、优质、高效、低消耗、低成本、大批量的技术特点，成为未来复 杂零件加工技术发展的重要方向【1 4 1 。传统的齿轮加工工艺是由锻造生成齿坯，再进 行机械加工，齿轮冷闭塞锻造成形可从根本上改变这- - 力h i i 艺的粗放性质，齿形无 须进行切削加工而直接使用。此种技术具有高效率、节材、节能、低成本等明显优 势，产品表面质量好、尺寸精度高( 可以达到i t7 8 级) 、组织均匀致密、金属流线连 续合理分布、抗蚀能力与耐磨性强、弯曲强度及疲劳寿命高。以日本你期待 ( n i c h f l d a d 株式会社为代表的冷闭塞锻造技术发展到世界领先水平。 闭塞锻造成形技术，是采用复动式凸模在一个方向或多个方向施加不同的压力， 使毛坯产生多向流动，在一道变形工序中获得较大的变形量和复杂的型面【勿。成形 过程中先将上下成形模具闭合并施加一定的工作载荷压紧，毛坯在封闭的模腔内产 生一定的变形，再由复动式凸模由一个或两个方向施加塞挤压力，使毛坯产生多向流 动，从而在一道变形工序中完成齿轮零件的冷精密塑性成形。闭塞锻造成形过程中， 锻造总载荷等于合模力与塞挤力之和( 如图2 1 所示) 。 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 阐斛 u 、 d ，一一、 珍狐彤铴 a ) 2 4 。2 冷精锻的应用范围 图2 1 冷精锻成形原理 b ) 冷精锻技术是一种高效、高精、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于中 小型锻件精密化和规模化生产中。与常规的模锻工艺相比，可以节省材料3 0 - 5 0 ，节能4 0 8 0 ，而且能够提高锻件质量，改善作业环境。随着科技的进步和汽 车摩托车等行业对产品技术要求的不断提高，精密冷锻成形技术已经成为汽车、机 床工业中不可缺少的加工技术【1 5 】【1 6 1 。 2 4 3 冷精锻的优点 ( 1 ) 节约原材料。利用金属的塑性变形制造成所需形状、尺寸的零件，因而能大 量减少切削加工，提高材料的利用率。冷精锻的材料利用率一般可提高3 0 以上。 ( 2 ) 提高劳动生产率。用冷精锻工艺代替切削加工制造机械零件，能使生产率提 高几倍、几十倍、甚至上百倍。 ( 3 ) 可获得理想的尺寸精度和表面粗糙度的零件。冷精锻零件的精度可达i t 7 , - 、, 4 i t 8 级，表面粗糙度可达r a 0 2 - - 1 6 。因此，用冷精锻加工的零件一般很少再切削加 工，只有在要求特别高的表面进行精磨。 ( 4 ) 可提高零件的机械性能。冷精锻后在零件内部形成连续的纤维流线分布以及 金属的冷加工硬化，使零件的强度比原材料的强度高。此外，合理的冷精锻工艺可 使零件表面形成压应力从而提高疲劳强度。因此，有些零件原需用强度较高的钢材 制造，用冷精锻工艺后就可以用强度较低的钢材代替；某些原来需要热处理强化的 零件用冷精锻工艺后可省去热处理工艺。 ( 5 ) 可以加工复杂形状、难以切削加工的零件。如复杂的内腔、异形截面、内齿 1 1 江苏大学工程硕士学位论文 轮以及从表面看不见的内槽等。 ( 6 ) 降低零件的加工成本。冷精锻工艺具有提高生产率、节约原材料、减少零件 的切削加工量、可用强度较低的材料代替优质材料等优点，从而使零件成本大大降 低。 2 4 4 冷精锻的缺点 ( 1 ) 需要大吨位的压力机。冷精锻时，由于毛坯的冷变形抗力大，需用数百吨甚 至几千吨的压力机，对设备的要求较高。 ( 2 ) 对模具的要求较高。冷精锻时，如果采用闭塞锻造，毛坯在模具中受到三向 压应力并行而使变形抗力显著增大，如在冷锻钢材时，模具所受的应力高达2 5 0 0 - 3 0 0 0 m p a ，远比一般的冲压模大。这就要求模具除了具有高强度外，还需要有足够 的冲击韧性和耐磨性。此外，在模具的作用下，金属毛坯产生强烈的塑性流动，形 成变形能，会使模具温度升高，因而，模具材料需要有一定的回火稳定性。由于上 述原因，冷精锻模具的寿命较低。要进一步推广冷精锻工艺，必须从模具材料、设 计及模具制造工艺等方面设法提高模具的寿命。 ( 3 ) 只适合大批量生产零件。 ( 4 ) 不适合于高强度材料加工。 2 5 冷精锻直齿圆锥齿轮的优点 直齿圆锥齿轮传统的制造工艺是首先把原材料锻造成毛坯、在车床上切削加工 外形，然后在齿轮机床上刨削或铣削出齿形来。而冷精锻工艺则是利用模具先把齿 形直接锻压成形，之后在机床上切削加工齿轮的其余外形部分。因此，两者的生产 工艺刚好相反。 直齿圆锥齿轮冷精锻具有如下的优点： ( 1 ) 降低了原材料的消耗，提高材料的利用率，比切削加工提高了3 0 - - 5 0 1 1 6 1 ； ( 2 ) 冷精锻直齿伞齿轮金相组织细密、晶粒细化、金属锻造流线连续、表面硬度 高，提高了疲劳强度【1 7 】： ( 3 ) 冷精锻直齿伞齿轮制造精度高，齿轮齿形精度可以实现g b t 1 1 3 6 5 1 9 8 9 7 8 级，尺寸精度可以实现r r 7 级，表面粗糙度可以实现r a 0 8 0 2 ； 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 精锻直齿伞齿轮生产效率高，成本低、效益好； ( 5 ) 由于在冷精锻时，无切屑，其工作场所较干净，有利于保护环境； 此外，精锻少无切削加工直齿圆锥齿轮的方法与机械切削加工方法相比，不仅 减少了工艺过程，而且可以充分发挥精锻成形工艺的特点，在产品形状和结构上可 以适当改进设计( 如图2 2 所示) 。如可设计成齿槽后端面封闭结构( 如图2 2 中b 所示) ，这样可大大地提高齿轮的疲劳强度；前端面可将以往机加工结构相配零件合 并设计成一个整体结构，这方面j b t 9 1 8 1 1 9 9 9 直齿锥齿轮精密热锻件结构设计规 范已有详细介绍。 i a ) 切削加上齿轮结构b ) 冷精锻齿轮结构 图2 2 不同方法加工的齿轮结构对比 2 6 国内外圆锥齿轮精锻技术发展概况 齿轮是汽车及各类机械中应用极广泛的典型传动零件。精锻齿轮，是指齿轮的 轮齿直接模锻成形且无需切削加工的齿轮随3 。其中的直齿圆锥齿轮，以其形状、结构 上的可锻性，成为国内外研制得最早、发展得最快、应用得最多的精锻零件。 2 6 1 国外圆锥齿轮精锻技术发展概况 美国金属学会关于“精锻 的定义如下：精锻是指比标准锻造具有更高尺寸公差 和表面精度的锻造，由于使用高精度锻造技术，可以降低综合成本和提高质量1 7 。直 齿圆锥齿轮适合精锻成形，成为最有前途的精锻专业产品。直齿圆锥齿轮的精锻成 形分为热精锻和冷精锻两种工艺。但是在工业化的生产过程中，热精锻齿轮由于锻 件表面有氧化皮和脱炭层、内在组织晶粒粗大、尺寸精度不高、模具精度等因素， 1 3 江苏大学工程硕士学位论文 造成齿轮精度不高，通常齿轮精度只能达到g b 厂r 1 1 3 6 5 1 9 8 99 1 0 级，尺寸精度仅能 达到i t1 2 级，不能满足轿车的性能要求。热精锻齿轮制造精度的提高问题已成为制 约其发展的瓶颈。 自从八十年代以来，随着汽车工业的发展，特别是轿车工业的需求，冷精锻由 于具有锻件尺寸精度及表面质量好、机械性能优异、生产效率高等热锻无法比拟的 优点，在各汽车工业发达国家备受重视，成功开发出轿车小模数行星齿轮的冷精锻 成形工艺。在这方面，发展较成熟的工艺主要有冷锻齿轮的摆动辗压和闭塞锻造技 术两种方法。其中以瑞士施密特( s c h m i d ) 公司为代表的冷摆动辗压锻造技术发 展到世界领先水平。和以日本为代表的冷闭塞锻造技术。在日本，你期待( n i c h i d 越) 株式会社利用径向挤压原理发展的闭塞锻造技术及开发的相应的设备得以迅速发展 和应用；此技术已成功地应用于等速万向节星形套、轿车差速器伞齿轮等高精度复 杂齿形零部件的生产，居世界领先地位。 2 6 2 国内圆锥齿轮精锻技术概况 我国在“九五 以前，冷闭塞锻造齿轮技术和冷摆动辗压锻造技术还是空白，“九 五 初期，“精密成形与加工技术研究”被国家科委列为“九五 科技攻关项目， 其中的一个专题是“冷闭塞锻造成套技术产业化开发 ，由北京机电研究所、郑州机 电研究所与吉林工业大学共同承担。1 9 9 6 年这项技术在我国开始起步并获得较快的 发展。在国内，江苏太平洋精密锻造有限公司分别于1 9 9 2 年率先引进瑞士冷摆动碾 压成形直齿圆锥齿轮技术，于1 9 9 7 年率先引进日本闭塞成形直齿圆锥齿轮技术，成 为全国精锻齿轮行业的杰出代表，该公司已经熟练掌握了汽车差速器直齿圆锥齿轮 和变速器结合齿精锻毛坯的冷、温、热精锻技术，2 0 0 1 年6 月通过了德国莱茵( 上 海) 有限公司的q s 9 0 0 0 v d a 6 1 质量保证体系认证，成为现阶段我国冷精锻汽车差 速器直齿圆锥齿轮市场占有率最高的厂家。该公司的冷精锻齿轮品种有3 0 多种规格， 该公司为赛欧轿车国产化提供的冷精锻差速器直齿圆锥齿轮成品通过了上海通用汽 车有限公司的产品认可，并批量配套供货；最近又为大连( 德国) 大众公司开发差 速器直齿圆锥齿轮，标志着我国精锻圆锥齿轮技术应用已逼近国际先进水平。 由于精锻工艺和设备的限制及成本的要求，近几年应用齿轮精锻工艺的原则大 致为；外径小于l o o m m 的直齿圆锥齿轮通常采用冷锻工艺成形，外径大于l o o m m 的 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 直齿圆锥齿轮一般采用在温热锻后用冷态精压整形的加工方法来提高精度。同样， 提高热精锻直齿圆锥齿轮精度的最有效的方法，就是在热锻成形后使用高精度的冷 锻齿模，采用冷精压成形口1 。 2 7 我国圆锥齿轮精锻技术与国外先进水平的差距 我国精锻齿轮行业仅有少数企业如江苏太平洋精密锻造有限公司等其工艺水平 和实物质量基本上达到国际同行先进水平，但行业总体水平与国际先进水平还有不 小的差距，主要发映在以下几个方面口1 ： ( 1 ) 精锻生产线装配水平和设备自动化程度有待提高。目前精锻齿轮生产企业装 配落后，齿轮精度和生产效率普遍不高，热模锻成形压力机和冷精锻( 冷挤压) 成 形压力机基本上依赖国外进口，国产成套配置的装配不能满足工艺生产要求。 ( 2 ) 闭塞锻造工艺c a d c a m c a e 技术开发应用水平有待提高，大多数企业普遍缺 乏精锻技术开发的能力，尤其是冷精锻技术的开发能力，模具技术落后，模具寿命较 低。在精密锻齿模的加工技术方面，国产精锻模仍以刨齿机加工电极齿轮为主，齿 轮锻模材料主要使用国产模具钢；而国外已使用c n c 机床数控加工电极齿轮，实现 齿轮计算、机床调整和测量系统闭环控制，齿轮冷锻模具材料采用超硬合金材料， 模具寿命显著提高。建立高水平的锥齿轮研发和锻造模具设计开发制造中心，是我 国精锻齿轮行业急待解决的课题。 ( 3 ) 齿轮用钢材的质量水平有待提高，如钢材氧含量、非金属杂质、末端淬透性、 晶粒度等指标的控制。 ( 4 ) 齿轮热处理工艺装配水平普遍落后，精锻齿轮的预热处理大多数企业未予以 重视，比如等温正火可以有效减少渗碳淬火的变形。 ( 5 ) 在精锻齿轮制造的过程质量控制方面，精锻齿轮制造全过程始终要保持高的 检测精度，多数企业缺少先进的齿轮精度检测手段，工艺装备制造水平有待提高。 2 8 齿轮冷精锻技术发展预测 冷精锻作为一种节材、节能、高效的少、无切削加工的新型工艺，在欧美同等