齒輪是汽車變速器的主要零件，在制造過程中主要使用鍛造方法來獲取毛坯。在鍛造后經(jīng)過壓力加工，齒輪零件會(huì)獲得更好的內(nèi)部組織和力學(xué)性能。目前變速器齒輪類零件主要通過開、閉式模鍛和輾環(huán)等方式進(jìn)行鍛造加工。

　　開式、閉式模鍛和輾環(huán)

　　變速器中齒輪、齒圈類零件主要有輸入軸齒輪、主軸檔齒輪和中間軸齒輪、同步器齒圈、滑動(dòng)齒套、同步器鋼齒環(huán)、結(jié)合齒圈等。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用不同的設(shè)備和工藝方法進(jìn)行鍛造。

　　開式和閉式模鍛

　　模鍛是在自由鍛、胎模鍛的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的在模鍛錘上或螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行的一種最常見的鍛造工藝，具有工藝適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高，設(shè)備造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。變速器輸入軸齒輪、主軸檔齒輪和中間軸齒輪及一些同步器齒圈零件由于半徑方向體積分布相對(duì)均勻，適合整體模鍛成形的鍛造方式。隨著技術(shù)成熟，齒輪鍛件上還可以鍛出油槽、沖出減重孔(圖1)，切削余量也可以控制在單邊1mm 左右。

圖1 模鍛件

　　批量較小時(shí)適合在錘[圖2(a)]、螺旋壓力機(jī)[圖2(b)]上鍛造，批量較大時(shí)，適合在熱模鍛壓力機(jī)[圖2(c)]上進(jìn)行多工位鍛造(圖3)。變速器齒輪、齒圈類鍛件尺寸適中，一般外徑在φ60mm ～φ300mm范圍內(nèi)，適合在中等噸位的模鍛錘及螺旋壓力機(jī)和萬噸內(nèi)熱模鍛壓力機(jī)等設(shè)備生產(chǎn)。

圖2 模鍛設(shè)備　

圖3 熱模鍛壓力機(jī)預(yù)成形、終鍛模具結(jié)構(gòu)

　　開式模鍛一般工藝過程為：下料→坯料加熱→鐓粗→(預(yù)成形)→成形→沖孔、切邊→預(yù)備熱處理→表面清理。根據(jù)不同設(shè)備特點(diǎn)，在熱模鍛壓力機(jī)上鍛造時(shí)，一般設(shè)置預(yù)成形工步，在錘和螺旋壓力機(jī)上鍛造時(shí)，僅在設(shè)備中心單工步成形。由于沖孔、切邊浪費(fèi)了原材料，沖孔、切邊時(shí)鍛件容易變形，殘留飛邊不利于后續(xù)加工，因此，國內(nèi)現(xiàn)在越來越多地使用閉式模鍛工藝。閉式模鍛又稱無飛邊鍛造，鍛造時(shí)與開式模鍛的開放模膛[圖4(a)]不同，坯料金屬在封閉的模膛[圖4(b)]中成形，鍛造后只需要沖孔而不需要切邊，節(jié)省了材料。一般工藝過程為：下料→坯料加熱→鐓粗→預(yù)成形→成形→沖孔→預(yù)備熱處理→表面清理，由于不產(chǎn)生飛邊，因此材料利用率更高。

圖4 開式模膛和閉式模膛

　　對(duì)于閉式模鍛，下料重量和下料表面質(zhì)量是控制鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵，現(xiàn)在規(guī)模生產(chǎn)都采用帶鋸機(jī)、圓鋸機(jī)、高速剪斷機(jī)等設(shè)備切斷圓鋼，下料后表面質(zhì)量較好(圖5)，下料毛坯鐓粗后變形均勻準(zhǔn)確，易于成形。

圖5 下料后表面質(zhì)量

　　由于齒輪的圓形結(jié)構(gòu)，一般在錘上或者螺旋壓力機(jī)上模具設(shè)計(jì)為圓形鑲塊，制造成本低廉，安裝也十分方便，安裝在設(shè)備中心軸線上也可以避免偏載。

　　熱模鍛壓力機(jī)滑塊行程固定，打擊速度低，導(dǎo)向裝置良好，有嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和較高的模具壽命，一般應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。但是由于熱模鍛壓力機(jī)一般有多個(gè)成形工步，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。

　　輾環(huán)工藝

　　同步器中滑動(dòng)齒套等環(huán)類零件由于在半徑方向體積分布不均勻，適合局部塑性成形工藝，一般使用閉式模鍛制坯，然后在輾環(huán)機(jī)上進(jìn)行輾環(huán)(軋環(huán))成形。一般工藝過程為：下料→坯料加熱→鐓粗→制坯成形→沖孔→輾環(huán)→預(yù)備熱處理→表面清理?；瑒?dòng)齒套等同步器零件外徑尺寸一般尺寸在φ150mm ～φ250mm，厚度在30mm 左右，閉式模鍛制坯、沖孔尺寸一般選擇環(huán)件內(nèi)孔一半左右即可，此時(shí)軋制比一般在1.5 ～2 左右，節(jié)省材料較多。

圖6 閉式模鍛制坯(左)、輾環(huán)件(右)

　　輾環(huán)工藝相較于傳統(tǒng)的模鍛工藝，能獲得較高精度的毛坯，切削余量已經(jīng)可以控制在單邊2mm 以下，材料利用率高。另外環(huán)件的組織性能也通常更好，內(nèi)部組織致密，晶粒細(xì)小而均勻，能顯著提高耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度。

　　精密鍛造

　　同步器鋼齒環(huán)是變速器同步器中一種重要的薄壁環(huán)形零件，外緣齒形在齒寬一側(cè)有100°左右的鎖止角，機(jī)加工難度高、效率低、成本高。

　　結(jié)合齒圈也是同步器中重要零件，其結(jié)合齒齒寬一側(cè)也有類似同步器鋼齒環(huán)的鎖止角。同時(shí)為了防止變速器自動(dòng)脫擋，齒部很多設(shè)計(jì)成倒錐結(jié)合齒，基圓、分度圓和齒頂圓不變，沿軸線方向產(chǎn)生連續(xù)變化的變位系數(shù)得到變截面的特殊錐齒，齒面與分度圓交線和齒形中心形成夾角，齒部的機(jī)加工從粗車、精車、插齒、去毛刺到結(jié)合齒、鎖止角，同樣面臨工序長，效率低，成本高的問題。

　　同步器鋼齒環(huán)和倒錐結(jié)合齒(圖7、圖8)的齒寬都很小，反而適合熱鍛或溫鍛成形的加工方式，不但能保留完整的鍛造流線，同時(shí)減少后續(xù)機(jī)械加工工序，降低生產(chǎn)成本。同步器鋼齒環(huán)精鍛一般工藝過程為：下料→坯料加熱→鐓粗→制坯成形→沖孔→輾環(huán)→預(yù)備熱處理→表面清理→少無氧化加熱→熱精鍛→表面清理→表面潤滑→冷整形。倒錐結(jié)合齒工藝類似，冷整形后增加倒錐工序，一般工藝過程為：精密下料→坯料加熱→鐓粗→熱鍛預(yù)成形→熱鍛成形→沖孔→表面清理→表面軟化→表面潤滑→冷整形→倒錐。

圖7 同步器鋼齒環(huán)精鍛件　

圖8 同步器結(jié)合齒精鍛件

　　在熱精鍛中，模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造很重要。為了保證模具尺寸穩(wěn)定，利于成形，齒形的模具一般設(shè)計(jì)成內(nèi)外過盈配合組合模具，外圈對(duì)內(nèi)芯有一個(gè)預(yù)緊力。模具加工尺寸精度和表面粗糙度要求較高。同時(shí)，由于模具齒部的設(shè)計(jì)要額外考慮對(duì)模具彈性變形和鍛件表面氧化損失進(jìn)行補(bǔ)償，坯料的加熱溫度和模具預(yù)熱溫度需要控制穩(wěn)定，以保證熱精鍛過程中模具的熱膨脹，從而控制熱鍛件成形時(shí)和冷收縮后的尺寸大致穩(wěn)定。坯料加熱過程中的表面氧化保持穩(wěn)定，避免表面清理后尺寸波動(dòng)。

　　冷整形模具結(jié)構(gòu)同樣內(nèi)外過盈配合保證尺寸穩(wěn)定，加工尺寸精度和表面粗糙度同樣要求較高。齒形處模具的設(shè)計(jì)和熱精鍛模具形成合適的配合，保證穩(wěn)定的整形量，以獲得穩(wěn)定的冷整形尺寸，頂出設(shè)計(jì)為環(huán)形頂出方式以避免出現(xiàn)過大的頂出變形。

　　倒錐結(jié)合齒的倒錐模具設(shè)計(jì)為每兩個(gè)齒中間一個(gè)含有倒錐形狀相反的倒錐片，數(shù)量和齒數(shù)相同，外側(cè)設(shè)計(jì)向內(nèi)傾斜的斜面，和外圈的斜面接觸(圖9)。

圖9 倒錐模具

　　壓力機(jī)下壓時(shí)，倒錐片向內(nèi)運(yùn)動(dòng)作用在齒形上擠出倒錐齒。對(duì)于倒錐片的剛性、尺寸精度、表面粗糙度以及所有倒錐片的一致性要求較高。

　　結(jié)束語

　　隨著鍛造工藝從早先的自由鍛、胎模鍛發(fā)展到模鍛，到現(xiàn)在主流的閉式鍛造、精密鍛造，汽車變速器齒輪零件的鍛造工藝也得到了較快的發(fā)展，工藝成本逐漸降低，鍛件性能不斷提高。隨著工藝裝備和工藝技術(shù)的發(fā)展，越來越多的先進(jìn)的精密鍛造工藝出現(xiàn)，變速器齒輪的鍛造技術(shù)將逐漸趨高效化、低成本化，綠色化。

　　——文章選自《鍛造與沖壓》2022年第13期