1．概述
　　齒輪是應(yīng)用最廣的一種機(jī)械傳動(dòng)零件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞動(dòng)力大、效率高、壽命長(zhǎng)、可靠性好和傳動(dòng)比準(zhǔn)確等特點(diǎn)。齒輪的精密鍛壓技術(shù)由于其顯著優(yōu)點(diǎn)；正日益受到各國(guó)研究人員的重視，得到了蓬勃發(fā)展。
　　齒輪精鍛技術(shù)是指齒輪輪齒由坯料經(jīng)過(guò)精 密鍛壓直接獲得完整的齒形，而齒面不需切削加工或僅需少許精加工即可進(jìn)行使用的齒輪制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的切削加工工藝相比，齒輪精鍛工卜藝具有以下特點(diǎn)：
　　(1)改善了齒輪的組織，提高了其力學(xué)性能。精鍛使得金屬材料的纖維組織沿齒形均勻連續(xù)分布，晶粒及組織細(xì)密，微觀缺陷少，因此，精鍛齒輪的性能優(yōu)越，齒的彎曲強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和耐沖擊性明顯高于切削齒輪。一般來(lái)說(shuō)，精鍛可使輪齒抗沖擊強(qiáng)度提高約15%，抗彎曲疲勞壽命提高約20%。
　　(2)提高了生產(chǎn)效率和材料利用率。通過(guò)精鍛成形，齒輪精度能夠達(dá)到精密級(jí)公差標(biāo)準(zhǔn)，不需或僅需少量后續(xù)精加工，即可以進(jìn)行熱處理或直接投人使用，生產(chǎn)率和材料利用率高。
　　(3)精鍛齒輪減少了熱處理時(shí)的齒廓變形，提高了齒的耐磨性和齒輪嚙合時(shí)的平穩(wěn)性，提高了齒輪的使用壽命。
　　盡管齒輪鍛造有許多優(yōu)點(diǎn)，并且直傘齒輪精鍛技術(shù)已成功地應(yīng)用于生產(chǎn)，但由于直齒圓柱齒輪精鍛具有齒形型腔（特別是上下角隅處）充填困難、成形力大、模具設(shè)計(jì)與制造精度要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，成形中遇到了許多困難。多年來(lái)，各國(guó)研究人員運(yùn)用各種理論、技術(shù)手段和試驗(yàn)方法，對(duì)直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)進(jìn)行了不懈的研究。
2．直齒圓柱齒輪精鍛的理論研究
　　英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科技學(xué)院的Chitkara N R等人對(duì)直齒圓柱齒輪的塑性成形作了數(shù)值模擬分析，用能量法和上限法分析了鐓鍛直齒輪的變形規(guī)律；Dohamann F等人用數(shù)值逼近法和主應(yīng)力法分析了冷精鍛齒輪時(shí)的金屬流動(dòng)和模具應(yīng)力情況，給出了沿齒面輪廓的法向應(yīng)力分布圖。韓國(guó)學(xué)者J.H.Song和Y.T.Im開發(fā)了一種直齒圓柱齒輪冷正擠壓輔助系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可根據(jù)輸人的齒輪參數(shù)給定可供實(shí)用的齒輪成形工裝。 Kondo K和Ohga K提出了齒輪分流減壓鍛造法Choi J C發(fā)展了分流法，提出了向內(nèi)分流成形的直齒圓柱齒輪精鍛工藝，并進(jìn)行了二維有限元模擬分析。 Jongung Choi和Hae-Yong Cho等人提出了一種直齒圓柱齒輪鍛造時(shí)的新的動(dòng)可容速度場(chǎng)，并用上限法對(duì)其成形過(guò)程進(jìn)行了深入的研究，得到了成形力主要與齒輪齒數(shù)有關(guān)的結(jié)論Yang D Y采用剛、粘塑性有限元法對(duì)直齒圓柱齒輪精鍛成形進(jìn)行了數(shù)值模擬。KnoerrM在1992年用DEFORM模擬了圓環(huán)狀齒輪坯的三工位熱鍛過(guò)程，預(yù)測(cè)了該成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的折疊缺陷，并根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)成形參數(shù)，獲得了無(wú)缺陷的零件。德國(guó)Th.Herlan應(yīng)用有限元分析方法，采用ANSYS軟件來(lái)優(yōu)化齒輪的幾何形狀，從而降低鍛造壓力和模具應(yīng)力，給出了FEM分析的模具的受力圖和優(yōu)化齒輪形狀，最后將精鍛齒輪進(jìn)行疲勞測(cè)試并與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的齒輪進(jìn)行了比較�！　〖�林大學(xué)寇淑清等人利用有限元模擬理論與三維成形模擬軟件對(duì)齒輪冷精鍛技術(shù)進(jìn)行了較全面的研究，首次將彈塑性大變形有限元數(shù)值模擬分析應(yīng)用于直齒輪冷精鍛成形過(guò)程中。山東大學(xué)夏世升等人提出了一種由空心坯成形直齒圓柱齒輪的新工藝：預(yù)鍛分流區(qū)一分流終鍛，用三維有限元數(shù)值模擬軟件DEFORM-3D進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了鍛造載荷一行程曲線以及整個(gè)成形過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變、速度分布等。程軍、林治平等人采用環(huán)氧樹脂模型對(duì)直齒圓柱齒輪精鍛凹模進(jìn)行三維光彈性試驗(yàn)?zāi)�擬，通過(guò)對(duì)光彈圖象的處理，獲得了直齒精鍛圓柱齒輪凹模的內(nèi)壁應(yīng)力分布。張治民等人采用三維大變形彈塑性有限元法對(duì)以閉式鐓擠和以溫?cái)D徑向?qū)Я饕患s束分流兩步成形方式的成形情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了新工藝成形過(guò)程的應(yīng)力分布圖以及載荷一行程曲線。數(shù)值分析結(jié)果表明：約束分流成形與閉式成形相比可明顯降低成形力，有利于金屬的流動(dòng)，保證齒形充填良好，改善模具受力條件，提高成形件質(zhì)量。李更新等人用優(yōu)化后的凹模結(jié)構(gòu)對(duì)直齒圓柱齒輪的溫?cái)D壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，以人模角為180°、擠壓筒內(nèi)徑等于直齒輪齒頂圓直徑，且在齒根圓處倒角為特點(diǎn)的凹模形式對(duì)齒形成形效果良好，此種凹模形式能夠解決齒形角隅充不滿的難題，非常適合直齒圓柱齒輪的擠壓精密成形。
3．直齒圓柱齒輪精鍛的工藝研究
　　1987年英國(guó)伯明翰大學(xué)Tuncer C等提出了浮動(dòng)凹模精鍛空心件思想，歸納了無(wú)飛邊鍛模制造和使用的各種工藝要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了各種模具。 Nagai Y提出將預(yù)制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施，即通過(guò)拉延、整形、變薄拉延和壓縮這四個(gè)工步實(shí)現(xiàn)具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形。伊朗Tarbiat Modarxes大學(xué)的M.H.Sadeghi與英國(guó)伯明翰大學(xué)的T.A.Dean用浮動(dòng)凹模原理模具對(duì)直齒輪和斜齒輪作了系統(tǒng)的研究，包括模具結(jié)構(gòu)形式選擇，齒輪尺寸精度的影響因素，齒輪塑性成形力的預(yù)測(cè)及其與摩擦系數(shù)、齒輪模數(shù)、寬度關(guān)系，脫模力與摩擦系數(shù)、成形力、成形溫度、壓力角、齒數(shù)的關(guān)系。德國(guó)的Th. Herlan以材料為20MnCr4的直傘齒輪為例，采用了溫鍛冷鍛復(fù)合成形工藝，其工藝流程為：下料——感應(yīng)加熱（850℃）——鍛造——硬化處理——精整。首先，將初始棒料加熱、鐓粗、噴丸再加熱至850℃，送至12.5MN機(jī)械壓力機(jī)進(jìn)行鍛造，之后進(jìn)行噴丸和表面磷化、皂化處理，最后在12.5MN液壓機(jī)上進(jìn)行冷鍛，并給出了冷鍛的活動(dòng)模具簡(jiǎn)圖。
　　山東大學(xué)張清萍等人對(duì)兩步成形直齒圓柱齒輪冷精鍛工藝模具齒形設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，分別采用修正模數(shù)法和變位法對(duì)終鍛和預(yù)鍛模具的齒形進(jìn)行設(shè)計(jì)。青島理工大學(xué)的田福祥等人對(duì)直齒圓柱齒輪熱精鍛進(jìn)行了深人研究，給出了快檔齒輪熱精鍛成形的實(shí)用模具結(jié)構(gòu)，論述了模具設(shè)計(jì)、裝配和使用的有關(guān)問(wèn)題，該模具采用強(qiáng)力脫模裝置，使鍛件在鍛擊結(jié)束瞬間立即脫離凸模，解決了鍛件將凸模抱死的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。張治民、張寶紅等人提出了一種新的方法，即直齒輪徑向的分流成形，溫鍛和冷擠壓整形的復(fù)合方法，并以一個(gè)用于拖拉機(jī)的直齒輪作為例子，制造出的齒輪精度可達(dá)IT8。這種新的直齒輪成形技術(shù)，能夠使大模數(shù)、輪齒高的齒輪在較低的變形力下就能使輪齒充滿，其工藝過(guò)程為：齒輪輪齒的初成形第一次采用中溫鍛，然后通過(guò)冷成形制成高精度的齒輪。齒輪的制造采用鐓粗?jǐn)D壓，為了避免齒輪在塑性成形過(guò)程中出現(xiàn)缺陷，提出了一種新的徑向成形技術(shù)，在模具的長(zhǎng)度方向設(shè)計(jì)較大的偏轉(zhuǎn)斜度，通過(guò)偏轉(zhuǎn)斜度，鋼坯被推動(dòng)沿著斜度壓下，同時(shí)，金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)，齒輪輪齒底部剩余的金屬流向齒輪的頂部，齒輪被填充成形。馮沖前根據(jù)對(duì)直齒圓柱齒輪鐓擠成形過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝的技術(shù)關(guān)鍵，提出了一種新的成形工藝——浮動(dòng)凹模鐓擠成形工藝，并以安陽(yáng)齒輪廠農(nóng)用車變速齒輪為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了專用鐓擠模具，并進(jìn)行了成形試驗(yàn)，研究了其成形規(guī)律。燕山大學(xué)趙軍等人利用塑性范成成形齒輪的方法成形出直齒圓柱齒輪，并對(duì)成形后齒輪的金相組織進(jìn)行了分析，從成形組織方面驗(yàn)證了該工藝的可行性。姜英等人利用滾壓設(shè)備對(duì)齒輪進(jìn)行了滾壓研究，得出只需更換滾輪，就可以用于中、小模數(shù)的圓柱直齒輪、圓柱斜齒輪等的加工，該工藝加工工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量好。
4．直齒圓柱齒輪精鍛的質(zhì)量與精度控制研究
　　目前，關(guān)于直齒圓柱齒輪精鍛過(guò)程質(zhì)量和精度控制方面的研究還比較少。Abdel-Rahman等人研究了鍛前加熱和鍛后冷卻方式對(duì)鍛件性能的影響，分析了常規(guī)氣體、非氧化性氣體、坯料表面滲碳、冷卻速度對(duì)齒輪鍛件硬度的影響，鍛后熱收縮對(duì)齒輪輪廓成形的影響，以及齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、鍛造溫度對(duì)齒形誤差的影響。蔡利等人探討了幾種圓柱齒輪冷鍛成形技術(shù)，對(duì)圓柱齒輪冷鍛特性進(jìn)行了分析，并運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)提高冷鍛圓柱齒輪的輪齒精度做了探討，并提出了系統(tǒng)提高輪齒精度的重要性，其中成形庫(kù)的建立尤為重要。林治平等對(duì)直齒圓柱齒輪熱精鍛的研究表明，模具設(shè)計(jì)、坯料尺寸、溫度控制等因素是保證齒輪鍛件精度的關(guān)鍵，模具的加工方法、磨損和彈性變形、潤(rùn)滑與冷卻、能否充分排氣排污都影響著齒形精度。劉華等人通過(guò)對(duì)精鍛齒輪彈性回復(fù)的理論分析及有限元模擬提出了齒輪彈性回復(fù)時(shí)彈性修正量和彈性修正系數(shù)的概念，并求出了45號(hào)鋼在800℃時(shí)成形齒輪的彈性修正系數(shù)值，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在體積成形過(guò)程中，在卸載時(shí)工件材料發(fā)生的二次屈服對(duì)成形精度也有影響。伍太賓針對(duì)摩托車啟動(dòng)主動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，討論了坯料形狀和尺寸對(duì)該齒輪的成形難易程度、充填性、內(nèi)齒輪質(zhì)量以及模具壽命的影響，介紹了冷擠壓成形模的結(jié)構(gòu)，指出了模具設(shè)計(jì)、制造時(shí)應(yīng)注意相關(guān)事項(xiàng)。
5．直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
　 多年來(lái)，學(xué)者們對(duì)直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)的研究取得了許多成果，在分析國(guó)內(nèi)外精鍛技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，筆者以為今后直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)將向以下幾個(gè)方面發(fā)展。
　　(1)優(yōu)化工藝和模具結(jié)構(gòu)，提高模具的壽命，解決齒輪鍛件的出模問(wèn)題
為滿足制造工藝的要求，在工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)中，應(yīng)以金屬在精鍛過(guò)程中的真實(shí)流動(dòng)規(guī)律和變形力學(xué)特征為基礎(chǔ)，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、坯料形狀尺寸等工藝參數(shù)，選用優(yōu)質(zhì)模具材料，使用合適的鍛壓設(shè)備，提高模具加工精度和使用壽命。另外，直齒圓柱齒輪精鍛沒(méi)有拔模斜度，出模困難，需要較大的頂出力才能將鍛件從模具．中頂出。因此，對(duì)模具結(jié)構(gòu)和鍛造設(shè)備有較高的要求，如何解決好鍛件出模，也是一個(gè)必須重點(diǎn)解決的問(wèn)題。
　　(2)改善精鍛齒輪的質(zhì)量和精度，提高齒輪生產(chǎn)率
　　齒輪制造工藝的發(fā)展，很大程度上表現(xiàn)在精度等級(jí)與生產(chǎn)效率的提高。在今后齒輪的精鍛工藝的提升中，要掌握精鍛過(guò)程中的金屬變形流動(dòng)規(guī)律以及各種工藝參數(shù)對(duì)工件質(zhì)量的影響，提高產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)格控制模具溫度、鍛造溫度和潤(rùn)滑條件等工藝因素，減少因模具和鍛件溫度波動(dòng)而造成的鍛件尺寸誤差，使直齒圓柱齒輪精鍛向著凈成形方向發(fā)展�！　�(3)充分運(yùn)用各種計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)理論，提高直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)開發(fā)的效率
　　計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)學(xué)理論的充分運(yùn)用，提高了齒輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度和加工效率。今后工藝和模具設(shè)計(jì)應(yīng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合塑性或彈塑性有限元方法，找出齒輪坯料自由表面和內(nèi)部的金屬流動(dòng)及應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，通過(guò)控制金屬的塑性流動(dòng)達(dá)到所需零件的精密成形。使齒輪精鍛技術(shù)的研究向著CAD/CAE/CAM一體化發(fā)展，促進(jìn)直齒圓柱齒輪精鍛技術(shù)的提高以及向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化。