齿轮精锻

齿轮零件的精密锻造及模具设计
B. A. Behrens, D. Odening
德国汉诺威莱布尼兹综合大学研究所，
金属成型和金属成型机科研室
摘要：精密锻造技术是一种高性能、少飞边、近净形状成型的新型制造工艺。

精密锻造的优点在于保证产品具备杰出的材料特性，减少了传统锻造的部分工艺过程，提高了材料的利用率。

在锻造加工和的退火完全结束后，只有指定的工作表面需要被精加工。

由于目前的机械与动力组件正向着高强度和轻量化的趋势发展，因此对工艺的标准和模具设计的尺寸精度的要求也在不断提高。

目前，研究工作的重点是，在现有的工艺设计和模具设备的基础之上，通过校正工件设计的形状尺寸并选择合理的材料，来改善热锻过程中，锻件收缩所造成的不良影响。

关键词：体积成形，金属体积成形，近净成形，精密锻造。

1引言
加工行业的快速增长导致全球竞争激烈，因此成本压力也不断上升。

科研和技术发展是技术制造的基本先决条件，拥有了高质量和低成本的生产就能占据市场。

锻件具备优良的材质和组织结构。

由于锻造过程中，金属材料的晶粒得到细化，并且完整的晶粒能很容易的填充到缩孔处，因此，锻件的机械和动力强度很高。

锻件能量密度增加的同时，也向着轻量化的趋势发展。

德国是世界第二大锻件生产地。

2006年锻件生产量达260万吨。

其中模锻件就占140万吨。

连同系统生产商，汽车行业使用的锻件占其总产量的80％[1]。

一般而言，由铸造毛坯加工而成的零件，大多数看起来质量很好，但并不耐用，而且所含杂质较多。

为了提高材料利用率，机加工像齿轮这种需要承受高应力的零件通常选用铸造的方法来生产。

但铸件相对锻件的质量要差，所以铸后至少也需要简单的锻打一遍。

精密锻造是一个新的制造工艺，它利用高压力，加工出近净形零件。

精密锻造属于模锻，它能在闭式锻模内锻造出飞边少的锻件。

在特殊情况下，精密锻件的制造公差可以达到IT7的精度[1]。

图1是由莱布尼茨综合大学汉诺威（IFUM）的金属成型和金属成型机研究所制造出来的精锻制品。

图1：精密锻造零件
IFUM 通过锻造齿轮零件，像锥齿轮，转向齿轮等来研究开发精密锻造工艺。

相比传统的加工工艺，精密锻造的优势在于提高了材料利用率，大幅度简化了加工工序。

锻造并退火处理之后，只要能对功能表面进行精加工，就能够保证产品的精度和质量。

无需二次加工，并节省了一部分额外的退火工艺（图2）。

图2：减少的工序
用传统的机械加工和精密锻造分别生产相同的齿轮。

通过对这两种方法的加工工序 和成本进行比较分析，很明显的看出，精密锻造更节能，更有利 [2] 。

489合作研究所目前的主要工作集中在开发和实验“精密锻造的高性能元件生产工艺链”的技术。

这项技术能够合理经济地生产出高性能的精密锻件。

IFUM 从根本上阐述了精密锻造的工艺设计和工艺过程的控制。

研究的内容包括很多，有紧凑型齿轮的制造，质量均匀的小型齿轮轴的制造等。

图3和图4所示的是他们所生产的齿轮件。

图3：精锻齿轮 剪切坯料 加热 锻造 修边 车/铣 配料 冷却
回火 渗碳 热处理
冷却 结束 测试检验
图4：精锻齿轮轴
在精锻齿轮的齿面和齿根处，留给最后精加工的余量仅有150微米。

考虑到锻件表层裂纹的影响，在设计锻件形状尺寸时，必须要留有一定的磨削余量。

轮齿处的磨削余量要合理均匀。

这样才能保证避免裂纹对齿根强度及齿轮运行平稳性所带来的不良影响[图5]。

图5：锻件形状设计
精锻要求工艺和模具设计要有很高的尺寸精度标准。

因此，目前研究工作的一个重要部分是在工艺设计和模具结构的基础上进行改进，来改善热收缩对锻件锻后的形状和性能的不良影响。

2精密锻造工艺和模具设计
锻造温度需要达到1250°C，坯料容易形变，易于锻造。

在锻造过程中，锻件各部分的冷却并不均匀。

图6是齿轮锻件局部退火后的颜色。

图6：锻造过程的不均匀冷却
在锻造过程中，由于齿轮的轮齿与锻模高度接触，而且此处的表面积与体积比较大。

因此，轮齿处的热量损失较大，导致锻造时此处会冷却较快。

图7是齿轮锻件表层温度下降到700-800 °C时的温度分布图。

这样不均匀的冷却，将会影响之后高温部分的收缩。

所以必须通过校正模具的尺寸来补偿。

图7：齿轮锻件的温度分布图
2.1模具等高线的几何校正
齿轮轮齿的收缩量是可以估计的。

校正锻模的几何尺寸来补偿轮齿的收缩量，可以确保齿轮部件的正常工作性能。

IFUM总结出了一个通用经验公式(1)，可用于各类锻造的锻模校正[3]。

模具轮廓的算术校正是校正半径r和直径d。

校正之后当前元件和齿形将影响冷静，并能使收缩得到很大的补偿。

如图8所示，纠正齿轮轴上齿轮的齿形，经验公式中需要选取适当的齿定系数Δt和齿根系数Δr。

图8：模具轮廓的设计
除了工件的形状特征之外，工件的材料也影响冷却速度，进而影响锻件的收缩特性。

锻造测试实验表明，不改变锻模而改变材料，会改变锻件的收缩特性，影响锻件制品的精度。

为了详细说明材料对齿轮锻件的影响，分别用16MnCr5、42CrMo4和100Cr6三种不同材料在相同的锻模中进行加工。

待锻件冷却后进行测量。

将材料分别加热到1150℃，1200℃和1250°C。

通过测试结果可以看出，使用相同的锻模，只有锻造温度为1250°C，毛坯材料为16MnCr5，加工出锻件精度最好的。

图9 是测量结果的简单图表分析。

测量结果显示，齿根圆直径与合金成分有关。

图9：齿根圆直径d r与碳当量C E关系图
在相同的锻造条件下，100Cr6材质齿轮的收缩率最大。

但合理的控制工艺可以补偿锻
件收缩。

例如，调节锻造初始温度。

因此，分析出典型锻造钢的合金成分与热量平衡之间的关联性是精锻工艺的基础。

2.2锻造钢的热平衡
锻造工艺中锻造的最大热量损失与材料的热物理特性热容c p和热导率λ有关。

通过对材料的分析和加热实验，可以测出像C45、C60、16MnCr5、42CrMo4 、100Cr6等典型锻造刚的密度γ、热容c p、热扩散系数a。

每个钢种都选取批量不同的两组，并对每组钢的级别进行测验. 测量温度介于900℃至1300°C。

导热系数λ由公式（2）得到。

不同合金成分的锻造刚的碳当量C E，由公式（3）得出。

(C, Mn, Cr, … = 其质量百分比)
在1100℃下，钢铁组织发生相变，会妨碍热容量C p的测量。

因此，不能准确测得各物理量之间的函数关系。

图10和图11为高于1100℃的测量结果。

图10：热容量C p与碳当量C E的关系图
所测得的热容量C P在温度范围1100℃-1300℃的变化为0.6-0.65焦耳/ GK（1100℃）和0.64-0.67焦耳/ GK（1300℃）。

在较高温度下测得的热容量C p也较高。

经分析，所有的钢样品都有相同的规律。

热容量C P和合金成分之间并没有明显的相关性。

因此，在评估参数范围内，热容量C P对在不同的测试中锻件收缩率的影响是微不足道的。

图11：热导率λ与碳当量C E的关系图
所测得的热导率λ在温度范围1100℃-1300℃的变化为0.6-0.65焦耳/ GK（1100℃）和0.64-0.67焦耳/ GK（1300℃）。

在较高温度下测得的热导率λ也较高。

与热容量C P的测量相比，热导率λ的图像分析显示，其与钢样品的合金成分及碳当量C E都有关系。

热导率λ与碳当量C E成反比关系。

经测试得，碳当量C E=1.33和C E=1.37的100Cr6样品钢的热导率λ相对比较低。

因此，锻造时，锻造温度较高，则100Cr6材质锻件的热传递和热损失很低，在随后冷却过程中，锻件的收缩量也会增大。

先前进行的锻造测试的结果验证了图9的假设。

3结论
本文所提及的材料分析和锻造测试，证明了影响热锻件收缩特性的实质因素。

我们可以认为，在锻造过程中，材料的物理热热性热导率λ决定传热。

热损失量也主要取决于它。

因此，在不同的锻造温度下，锻件冷却后的收缩量也不同。

材料对工件尺寸精度的影响将会在今后的热成像和锻造实验中得到进一步的证实。

今后的研究所面临的挑战是开发一种材料，便于控制，易适应锻造工艺。

例如，通过调节初始锻造温度，就能够改进精密锻件的生产精度。

致谢
感谢由由德国研究基金会（DFG）资助的489合作研究中心“高性能元件精密锻造生产工艺链”提供的研究成果。