1.1　齒輪加工技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

齒輪加工的關(guān)鍵是齒形加工，從是否需要去除材料來分類，齒輪加工的方法可分為切削加工和塑性成形兩種。目前，工業(yè)生產(chǎn)中加工齒輪的方法仍主要是切削加工。齒輪的切削加工按照齒廓形成方式，可分為成形法和范成法［4］，如圖1-4所示。成形法是采用與待加工齒形相對(duì)應(yīng)的刀具成形齒輪的方法，如常見的銑削齒輪。銑削加工的優(yōu)勢(shì)在于在普通的銑床上就可以加工，不需要添置新設(shè)備。但銑削時(shí)，每銑完一個(gè)齒都要進(jìn)行分度，因此生產(chǎn)效率不高，且無法達(dá)到很高精度。而用范成法加工齒輪時(shí)，不管齒數(shù)是否一樣，只須待加工齒輪的模數(shù)、壓力角與刀具一致，都可以用同一套刀具加工，這給齒輪生產(chǎn)帶來極大方便，因此范成法得到了更廣泛的應(yīng)用。常見的范成加工工藝有滾齒、插齒、剃齒、珩齒、磨齒等，都是根據(jù)齒輪無側(cè)隙嚙合原理來加工齒輪［5～8］。

相比傳統(tǒng)切削加工，采用塑性成形工藝生產(chǎn)齒輪及類齒輪零件有諸多優(yōu)勢(shì)，例如：材料利用率高，生產(chǎn)效率高，齒形表面金屬纖維沿輪齒齒廓均勻、致密排布，使得齒輪具有較高的力學(xué)性能等。因此，人們普遍認(rèn)為，采用塑性成形工藝生產(chǎn)齒輪毛坯或直接生產(chǎn)齒輪零件逐漸取代現(xiàn)有的切削加工工藝是齒輪加工未來的發(fā)展趨勢(shì)［9，10］。齒輪塑性成形加工方法開始于20世紀(jì)50年代。此種工藝方法不需或僅需少許后續(xù)加工，僅通過鍛造就能獲得一定精度的齒輪。這種齒輪制造技術(shù)，常被稱為齒輪精鍛。

齒輪精鍛起源于德國(guó)。20世紀(jì)50年代，因?yàn)闆]有足夠的齒輪加工機(jī)床，德國(guó)人使用電火花加工鍛模型腔，并嘗試采用閉式熱模鍛的方法加工錐齒輪［11］。德國(guó)的BLW公司首先取得齒輪精鍛的專利。50年代末60年代初，日本、法國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等先后引進(jìn)德國(guó)專利，齒輪精鍛技術(shù)因此得到了更加廣泛的發(fā)展。美國(guó)的齒輪精鍛開始較晚，然而發(fā)展很快。1975年美國(guó)TRW公司收購(gòu)BLW公司股權(quán)，使之成為一家專門生產(chǎn)精鍛齒輪的公司。

我國(guó)自20世紀(jì)60年代初開始對(duì)直齒錐齒輪的精鍛技術(shù)進(jìn)行研究，70年代初已經(jīng)能夠生產(chǎn)出精度較高、適用于汽車和拖拉機(jī)的錐齒輪［12，13］。

精密鍛造技術(shù)被習(xí)慣性分為：冷精鍛、熱精鍛、溫精鍛、復(fù)合鍛造、等溫鍛造等［14］。冷精鍛指的是室溫下的精密鍛造工藝，因?yàn)椴恍枰褂眉訜嵩O(shè)備，適用于多品種小批量生產(chǎn)，且鍛造工件精度高，表面質(zhì)量較好，但因金屬在常溫下變形抗力大，塑性差，局部細(xì)節(jié)難以充滿，只適合成形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單零件［15］。

因?yàn)槔渚懙闹T多優(yōu)勢(shì)，冷精鍛技術(shù)在齒輪制造方面受到廣泛關(guān)注及研究。

Yang等［16］對(duì)應(yīng)用于捷達(dá)車上的錐齒輪的閉式冷精鍛工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明工藝合理，模具設(shè)計(jì)正確，模擬結(jié)果可靠。

Huang等［17］借助現(xiàn)代冶金分析技術(shù)，對(duì)于閉式冷鍛錐齒輪的晶粒大小、硬度和殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用閉式冷鍛方式顯著提高了錐齒輪強(qiáng)度和韌性，其殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力。

Liu等［18］使用彈塑性有限元方法，并通過分析應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)和模具受力，研究了車用錐齒輪冷閉式鍛造金屬充填規(guī)則，并指出鍛造過程存在齒形充不滿，且上下鍛模受力存在明顯差異等現(xiàn)象。

Dean等［19，20］對(duì)齒輪零件的鍛造成形進(jìn)行了研究分析，描述了錐齒輪和螺旋齒輪鍛造的研究背景尤其關(guān)注汽車等陸上交通工具所用高精度齒輪的生產(chǎn)，利用單齒模具實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了齒輪鍛造工藝參數(shù)和尺寸精度之間的關(guān)系。

Zhang等［21］通過數(shù)值模擬方式獲得車用行星齒輪瞬時(shí)變形和應(yīng)力，預(yù)測(cè)成形缺陷，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

Liu等［22］采用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究對(duì)直齒圓柱齒輪冷精鍛過程中輪齒尺寸變化進(jìn)行研究分析，找到影響輪齒尺寸變化的兩個(gè)主要因素，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)模具進(jìn)行修形，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用修行后的模具進(jìn)行齒輪精鍛可顯著提高齒輪精度。

Alves等［23］針對(duì)齒輪精鍛提出了一種新的柔性工具系統(tǒng)，并借助數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，指出熱精鍛使坯料變形抗力顯著降低，但溫度高坯料容易氧化，導(dǎo)致獲得的產(chǎn)品外觀質(zhì)量差，尺寸精度低，因此熱精鍛可應(yīng)用于尺寸精度要求不高的零件或者用于產(chǎn)品預(yù)鍛。

Chen等［24］為減小熱鍛過程中坯料損失，基于材料損傷原理并提出Cockroft-Latham損傷模型，提出了一種基于廣義簡(jiǎn)約梯度的鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用數(shù)值模擬方法對(duì)坯料初始高徑比進(jìn)行優(yōu)化。

Wang等［25］有限元數(shù)值模擬方法研究了正齒輪軸熱鍛過程中的組織變化，且通過微觀組織模擬及金相實(shí)驗(yàn)獲得了不同尺寸坯料的齒輪軸晶粒大小分布，給出了不同鍛造參數(shù)（包括初始鍛造溫度和沖頭速度）對(duì)鍛后齒輪軸晶粒尺寸的影響規(guī)律，對(duì)坯料預(yù)成形進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果說明預(yù)成形可以使晶粒尺寸明顯細(xì)化且晶粒分布更均勻。

Zhi等［26］對(duì)大尺寸矩形齒輪提出了鐓粗-預(yù)鍛-終鍛成形的多級(jí)熱鍛工藝方案，通過模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得變形過程中溫度分布、等效應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化規(guī)律，成形后的鍛件尺寸合格且沒有任何折疊缺陷，驗(yàn)證了多級(jí)熱鍛工藝的可行性。

Zuo等［27］將齒形影響因子引入到閉合鐓粗成形載荷的計(jì)算公式中，據(jù)此提出了圓柱齒輪熱精鍛成形載荷的計(jì)算公式，并利用鍛造過程有限元模擬的數(shù)據(jù)，擬合了不同模數(shù)齒輪的齒形影響因子，且通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

Wang等［28］通過有限元模擬了三種不同坯料尺寸齒輪軸的熱鍛成形，其中坯料尺寸為?36mm×60mm的齒輪軸成形性能最好，通過模擬和實(shí)驗(yàn)獲得初始坯料溫度和摩擦系數(shù)對(duì)熱鍛成形性能的影響，最后得到合理的齒輪軸熱鍛工藝參數(shù)。溫精鍛是在低于再結(jié)晶溫度的某個(gè)溫度進(jìn)行鍛造成形的工藝方法。溫精鍛既克服了冷精鍛變形抗力大、成形零件形狀簡(jiǎn)單的缺點(diǎn)，又克服了熱鍛容易氧化導(dǎo)致尺寸精度低的缺點(diǎn)，因此受到學(xué)者關(guān)注，但溫精鍛對(duì)坯料材料和鍛模有較高要求。

Qiu等［29］為了降低成形直齒圓柱齒輪的力，提出對(duì)于普通閉式模鍛成形應(yīng)用新的溫?cái)D壓二步成形并進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的閉式模鍛相比，該方法可以顯著降低成形力，確保齒形完全充滿。

Wang等［30］采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，通過分析和優(yōu)化影響半軸齒輪成形質(zhì)量的影響因素來提高半軸齒輪的成形質(zhì)量。

Wu等［31］對(duì)差速器錐齒輪采用溫鍛制坯結(jié)合冷擺碾精密成形工藝進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，成形齒輪精度高、齒部強(qiáng)度高、模具壽命高、設(shè)備投資小，對(duì)于差速器錐齒輪的國(guó)產(chǎn)化提供了技術(shù)支持。

等溫鍛造技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代的美國(guó)，指的是坯料在溫度較為穩(wěn)定狀態(tài)下的鍛造成形，等溫鍛造適用于難變形材料的精密成形［32，33］。

Pérez等［34］分析了經(jīng)等通道轉(zhuǎn)角擠壓與等溫鍛造預(yù)處理的AA5083超細(xì)晶齒輪的模具設(shè)計(jì)與齒輪力學(xué)性能。

Shan等［35］詳細(xì)介紹了鋁合金外殼的等溫鍛造成形技術(shù)。

20世紀(jì)60年代受到來自汽車工業(yè)壓低成本的影響，圓柱齒輪鍛造工藝因此受到關(guān)注，并在70年代獲得較大的發(fā)展。到80年代，齒輪鍛造技術(shù)趨于完善，精度和一致性達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)，且工廠化生產(chǎn)能達(dá)到較高的自動(dòng)化水平。但是由于直齒圓柱齒輪鍛造成形過程中，金屬沿垂直于受力方向流動(dòng)，所以其成形比錐齒輪齒形更難。直齒輪的鍛造成形工藝基本上采用閉式鐓擠，如圖1-5所示，因?yàn)樽冃翁幱陂]合環(huán)境下，且為冷成形，成形過程中的流動(dòng)應(yīng)力高，在成形后期，金屬流動(dòng)受到很大限制，型腔內(nèi)部的變形抗力陡增，因設(shè)備噸位不足或模具強(qiáng)度等限制，最終造成局部齒形充填不滿等缺陷。針對(duì)這種問題，諸多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行探討分析，但都無法使齒形完全充滿，尤其是大模數(shù)齒輪。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)齒輪的鍛造成形變形抗力大、齒形不易充滿的問題，提出了多種工藝方法減小變形抗力并嘗試應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。日本及西方發(fā)達(dá)國(guó)家在精密鍛造技術(shù)包括齒輪精鍛技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位。20世紀(jì)80年代中期，日本的Kondo和Ohga［36，37］首次提出直齒圓柱齒輪冷精鍛應(yīng)用分流原理，成形原理如圖1-6所示，在齒輪非工作面位置開設(shè)孔腔，保證鍛造過程中材料可以分流至此，防止鍛造后期變形抗力急劇升高，從而降低了成形力，并進(jìn)一步分析得到采用軸向分流時(shí)最優(yōu)軸直徑，且采用孔分流時(shí)隨分流孔直徑增加鍛造壓力減小，比較了采用軸向分流與孔分流鍛件成形質(zhì)量，得到軸向分流比孔分流獲得鍛件厚度更大的結(jié)論。

Luo等［38］對(duì)弧齒錐齒輪采用閉式預(yù)鍛-分流終鍛的成形工藝，并通過數(shù)值模擬與傳動(dòng)閉式模鍛進(jìn)行比較，結(jié)果表明，此工藝更有利于降低成形載荷、提高齒形充填能力。

韓國(guó)的Tuncer等［39，40］根據(jù)浮動(dòng)凹模原理提出了多種不同的模具設(shè)計(jì)方案。浮動(dòng)凹模的原理如圖1-7所示。一般的鍛造凹模都采用固定式。凸模有準(zhǔn)確位置并可靠鎖緊，而把凹模及芯子做成上下可浮動(dòng)式，依靠彈簧提供浮動(dòng)力。浮動(dòng)凹模降低了成形過程中材料流動(dòng)與凹模型腔的摩擦阻力，進(jìn)而可以降低成形所需的變形力，同時(shí)還可以使工件變形更加均勻。

Jiang等［41］基于徑向分流和浮動(dòng)凹模原理對(duì)圓柱直齒輪冷鍛成形過程進(jìn)行有限元模擬分析，獲得各工藝因素對(duì)冷鍛成形力的影響規(guī)律。

Xin等［42］通過采用浮動(dòng)凹模工藝提出一種確定摩擦的新方法，結(jié)果可靠，且比采用圓環(huán)鐓粗工藝獲得摩擦系數(shù)的方法更易理解和掌握。

Wang等［43］設(shè)計(jì)微型浮動(dòng)凹模來成形微型齒輪，結(jié)果表明，采用浮動(dòng)凹模時(shí)，摩擦力可促使金屬流至型腔從而減小成形力，且成形出的微齒輪具有較高的表面質(zhì)量和良好的微結(jié)構(gòu)組織。

Xue等［44］對(duì)螺旋角度不同的同規(guī)格斜齒輪進(jìn)行浮動(dòng)凹模冷鍛的數(shù)值模擬并與傳統(tǒng)閉式鍛造相比較分析，結(jié)果表明，采用浮動(dòng)凹模能顯著減小成形力，且脫模時(shí)齒輪沿螺旋方向剛性旋轉(zhuǎn)可使獲得較高精度。

Yang等［45］基于直齒輪精鍛成形中摩擦沿徑向分布的規(guī)律分析，揭示了角隅難充滿的原因；改變模具運(yùn)動(dòng)方式，能改變軸向應(yīng)力分布和角隅填充狀況；通過數(shù)值模擬，證實(shí)浮動(dòng)凹模工藝可以提高角隅充填能力。

Guo等［46］提出了十字軸徑向擠壓力的計(jì)算方法，通過分析獲得浮動(dòng)凹模閉式擠壓力的總壓力，并通過與模擬比較對(duì)該方法進(jìn)行了修正。

Zheng等［47］針對(duì)航空用螺旋齒輪閉式鍛造時(shí)螺旋角導(dǎo)致充填不滿及脫模等問題，設(shè)計(jì)了螺旋齒輪鍛造浮動(dòng)式凹模結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)軸承式模具支撐結(jié)構(gòu)以使脫模順利，設(shè)置了套筒飛邊槽，以避免橫向飛邊和縱向毛刺。

Ryu等［48］借助于剛塑性有限元方法和選取合適浮動(dòng)凹模速度使浮動(dòng)凹模載荷低于用戶期望值。

Gong［49］對(duì)大模數(shù)直齒圓柱齒輪采用徑向分流和浮動(dòng)凹模冷鍛成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了變形過程中金屬的流動(dòng)規(guī)律和變形機(jī)理，模擬結(jié)果表明，采用此工藝可獲得充填完整的齒輪，且大大降低了成形載荷。

韓國(guó)的Choi等［50］等將兩工步分流成形法應(yīng)用于齒輪精鍛工藝研究，如圖1-8所示。第一步推出器和第二步有區(qū)別，經(jīng)過第一工步成形的齒輪坯料中間下凹，下凹部分經(jīng)第二工步成形時(shí)會(huì)變平整，且第二工步的推出器直徑比齒形凸模桿部直徑略大，使坯料成形發(fā)生在一個(gè)非閉合的環(huán)境中，有效降低成形力。與傳統(tǒng)的導(dǎo)向式分流和夾緊式分流方式相比較，采用兩工步分流成形法既保證了齒輪齒形完全充滿又減小了變形抗力。

Jung等［51］采用二工步法即先鍛造直齒輪再經(jīng)過扭曲拉伸將直齒輪鍛造成為斜齒輪，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，證實(shí)此方法可以顯著降低鍛造成形力。

Kondo等［52］采用浮動(dòng)式凹模鍛造加工環(huán)齒輪時(shí)，針對(duì)試樣高徑比大、在徑向方向上金屬流動(dòng)時(shí)間差異而導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷的問題，通過理論計(jì)算提出坯料為鼓形時(shí)利于減小缺陷，并通過先將坯料擠壓為鼓形再采用浮動(dòng)凹模鍛造的兩步成形實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

寇淑清、楊慎華等［53，54］介紹了采用約束分流兩步成形工藝?yán)渚懼饼X圓柱齒輪的方法，即先采用閉式模鍛進(jìn)行預(yù)鍛、再采用約束分流進(jìn)行終鍛的兩步成形工藝方案，其成形過程為：先采用閉式鐓擠進(jìn)行預(yù)鍛成形，再?zèng)_去坯料中間連皮而形成分流孔腔，終鍛時(shí)采用帶凸臺(tái)的模具以形成約束分流，降低成形力的同時(shí)保證齒形充填完滿，如圖1-9所示。

Bochniak等［55］提出使用KOBO方法鍛造傘齒輪新方法，如圖1-10所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)比較，在保證試樣結(jié)構(gòu)均勻、機(jī)械性能良好的前提下，所需鍛造力明顯小于傳統(tǒng)鍛造方法。

田福祥等［56］結(jié)合熱精鍛變形力小和冷擠壓工藝精度高的優(yōu)點(diǎn)，提出坯料先熱鍛，再進(jìn)行冷擠壓精整的工藝，此工藝鍛造的齒輪精度等級(jí)可達(dá)9級(jí)。

陳拂曉等［57，58］基于上限元法對(duì)直齒圓柱齒輪沿徑向擠壓過程中的金屬流動(dòng)規(guī)律和成形力進(jìn)行了分析，并定性分析了工藝因素和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)變形力的影響，結(jié)合試驗(yàn)證實(shí)了采用的計(jì)算方法及所編制程序的可行性。

劉慶斌等［59，60］分析了直齒輪擠壓成形角隅部分充填困難的原因，提出兩種解決辦法。一種是在定模型腔中央加一凸臺(tái)，在成形時(shí)給下部金屬一個(gè)向外的撐力，促使下部金屬加速?gòu)较蛳蛲饬鲃?dòng)，使坯料金屬側(cè)向移動(dòng)速度保持一致，如圖1-11（a）所示；另一種是在中心軸向設(shè)置分流孔，使得金屬快速沿徑向移動(dòng)的同時(shí)，還可以沿軸向移動(dòng)，起到分流目的，如圖1-11（b）所示；采用上限元法（UBET）正反向模擬了直齒輪鍛造過程并且進(jìn)行了優(yōu)化，掌握了各工藝參數(shù)之間的關(guān)系，并對(duì)工業(yè)純鉛坯料進(jìn)行了直齒圓柱齒輪鍛造實(shí)驗(yàn)，證明了模擬結(jié)果的可靠性。

龔冬梅等［61］采用分流原理和浮動(dòng)凹模原理組合工藝，使用Deform 3D對(duì)直齒輪鍛造成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，確定最佳工藝參數(shù)組合并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。

胡成亮等［62～64］通過對(duì)直齒圓柱齒輪鍛造過程的金屬流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，提出了一種齒輪鍛造成形的新工藝，如圖1-12所示。該工藝基于剛性平移流動(dòng)模式的原理，使得預(yù)成形齒坯的齒形側(cè)翼在鍛造過程中與模具不接觸或少接觸，從而減小因摩擦而導(dǎo)致的齒形坯料填充不一致，并應(yīng)用模擬和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其有效性；通過采用不對(duì)稱模具設(shè)計(jì)進(jìn)一步改進(jìn)新工藝，使得成形載荷相比傳統(tǒng)閉塞鍛造減少了42%。

其另外幾篇文獻(xiàn)［65～69］對(duì)鍛造凸模設(shè)計(jì)成“W”形、鍛造凹模設(shè)計(jì)成“V”形，對(duì)工藝方案進(jìn)行了優(yōu)化，或者選用帶箍凸模，并結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化和驗(yàn)證。

羅善明等［70］運(yùn)用Deform 3D對(duì)直齒錐齒輪溫鍛成形進(jìn)行有限元模擬，對(duì)溫鍛過程中溫度分布情況進(jìn)行了分析，指出：隨著凸模下行，齒坯整體溫度增高，其中齒形部位溫度改變最明顯；且齒頂處的溫度最高，很有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，盡量采取措施對(duì)齒頂局部進(jìn)行冷卻。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者從數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面針對(duì)直齒輪精密鍛造工藝降低鍛模載荷沖擊與提高型腔充填率等進(jìn)行了多項(xiàng)研究，仍因變形抗力較大而導(dǎo)致模具易損壞、因彈性變形降低齒面精度、難以脫模等諸多問題，使得該項(xiàng)技術(shù)難以滿足生產(chǎn)要求。