論文導讀：研究表明要解決上述難題，其中最關鍵的就是直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設計的合理性，國內外許多學者對其開展了卓有成效的研究，取得了豐富的成果，但是由于問題的復雜性，至今還沒有找到一種實用性強的模具和工藝設計方案，導致直齒圓柱齒輪精鍛成形技術還不能進入生產實用階段。為滿足凈成形制造工藝的要求，在工藝設計和模具設計中，應以金屬在精鍛過程中的真實流動規律和變形力學特征為基礎，優化模具結構、優化坯料的形狀和尺寸等工藝參數，目前這一點還很難做到。
關鍵詞：直齒圓柱齒輪，精密鍛造，模具設計，工藝方案

　　 直齒圓柱齒輪精鍛成形是一種極具開發前景的新工藝、新技術，相對傳統切削加工方法而言，其可以顯著提高零件的內在和表面質量，提高材料的利用率，減少加工工時，降低能耗，同時可獲得合理的金屬流線分布，提高承載能力[1][,2]。但是由于直齒（或螺旋）圓柱齒輪的高精度要求和漸開線齒形的充填困難、變形抗力大，模具壽命低等許多因素的影響，使得這類零件的精鍛成形至今仍是塑性加工領域的難題。
　　研究表明要解決上述難題，其中最關鍵的就是直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設計的合理性，國內外許多學者對其開展了卓有成效的研究，取得了豐富的成果，但是由于問題的復雜性，至今還沒有找到一種實用性強的模具和工藝設計方案，導致直齒圓柱齒輪精鍛成形技術還不能進入生產實用階段。
　　1 直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設計研究
　　直齒圓柱齒輪幾何形狀復雜、產品的尺寸精度要求嚴格，因此其精鍛成形尤其是冷精鍛成形難度大，成形載荷大、產品質量與模具壽命不易保證。免費論文參考網。研究表明合理的模具結構和工藝方案設計是解決直齒圓柱齒輪精鍛成形難題的關鍵技術，國內外學者對此開展了大量的研究。1984 年Kondo K提出帶凸臺齒輪冷鍛的向心流動和離心流動條件，對平齊端面的圓柱齒輪冷鍛采取在毛坯或模具上設減壓孔的措施，來達到分流減壓的目的[3][4] 。1990 年美國Battle公司利用“推著穿過”原理進行了擠壓圓柱齒輪成形的研究[5]。1993 年Ohgqa K 進一步論述了分流減壓原理的適用范圍，從而使直齒圓柱齒輪分流精鍛技術更加完善[6]。Nagai Y 提出將預制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施，即通過拉延、整形、變薄拉延和壓縮這四個工步實現具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形[7]。
　　60 年代，國內有人對直齒圓柱齒輪精鍛工藝做過探索，用高速錘精鍛直齒圓柱齒輪,由于鍛件精度低、模具壽命低等原因而未能應用。英國Birmingham大學對直齒圓柱齒輪精鍛進行了廣泛研究[8 ] [9 ] [10 ],于1987 年提出了用空心鍛坯精鍛直齒圓柱齒輪的浮動凹模原理，降低了直齒圓柱齒輪精鍛的材料、鍛壓能量、鍛壓力消耗，且齒形易于充滿[11],但這種模具不適用于較大鍛造力的情況，模具壽命低；1988 年，在上述工作的基礎上把厚壁管截成的環形坯料熱鍛成具有大中心孔的直齒圓柱齒輪，齒面上留有0.6mm以上的切削余量[12] ,這一工藝僅適用于極少數具有大中心孔的直齒圓柱齒輪，而且未解決成形齒輪精度低和模具壽命低的問題，齒面仍需切削加工。1991 年林治平等根據文獻[11] [12]制作了簡易模具，在液壓機上壓鉛和鋁分別模擬直齒圓柱齒輪的熱鍛和冷鍛，得出了型腔充填情況及成形力的一些有益結論[13]，但是變形材料、溫度、模具結構、工作連續性和設備等方面都與生產實際相差較大；近年來，他總結了直齒圓柱齒輪精鍛的多種工藝方案，設計了專用組合模，并進行了相應的工藝實驗[14]，但上述研究均是在實驗室中進行的，尚未應用到生產實踐中。Drecun V M 等開發了一套參數化的直齒圓柱齒輪精鍛模CAD 軟件。青島科技大學的田福祥對直齒圓柱齒輪熱精鍛進行了深入研究，發明了直齒圓柱齒輪熱精鍛和冷推擠聯合成形工藝，研制了用于生產的模具，精度達到9級，齒面無須切削加工即可使用[15] [16]；提出了漸開線齒廓線膨脹定理和推論，并論述了直齒圓柱齒輪精鍛模具齒形參數的設計計算方法及慣用公式[17]。田福祥等研究開發了帶有強力脫模裝置的內齒輪熱精鍛模具和工藝，徹底解決了熱精鍛時成形難和脫模難的問題，并成功的應用于生產,取得了顯著的經濟效益[18]。
　　吉林大學的寇淑清等用三維大變形彈塑性有限元法對齒輪冷精鍛成形過程進行了數值模擬，對以閉式模鍛為預鍛和以閉式模鍛、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形模式的變形流動情況進行了數值模擬分析。數值分析結果及工藝實驗表明在終鍛中采取分流，尤其是約束孔分流措施對于降低工作載荷和提高角隅充填能力等方面十分有效[19][20]。山東大學的張清萍等利用正交試驗法與數值模擬技術相結合的方法,解決了預鍛模具型腔優化設計問題[21]。安徽科技學院的陳豐等利用自制的浮動模具研究了直齒圓柱齒輪精鍛成形的力能參數、齒輪參數和沖壓成型相關參數的關系，認為精鍛成形的力能參數受到齒輪參數的影響，這一結論為齒輪精鍛成形的實用化提供了可靠的參考依據[22]。免費論文參考網。西安交通大學的程羽等對采用浮動凹模進行精鍛成形的工藝進行了研究，指出單純的浮動凹模對于成形作用不大，采用浮動凹模浮動模式可調的精鍛方法可以提高成形的質量，但沒有給出模具的具體結構和調節方式[23]。
　　2直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設計方面存在的主要問題
　　直齒圓柱齒輪幾何形狀復雜、產品的尺寸精度、表面質量、組織性能、力學性能要求嚴格。多年來，盡管國內外許多學者研究其精鍛工藝和模具結構設計，也取得了一些成果，但與實際生產應用還有一定距離。今后，需要解決的工藝和模具方面的主要問題如下：
　?。?）工藝優化、模具結構優化問題。齒輪精鍛是一種凈成形或近凈成形制造工藝。為滿足凈成形制造工藝的要求，在工藝設計和模具設計中，應以金屬在精鍛過程中的真實流動規律和變形力學特征為基礎，優化模具結構、優化坯料的形狀和尺寸等工藝參數，目前這一點還很難做到。
　?。?）齒輪鍛件出模問題。直齒圓柱齒輪精鍛沒有拔模斜度,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,對模具結構和鍛造設備有較高的要求。如何解決好鍛件出模,是一個必須重點解決的問題。
　?。?）潤滑問題。免費論文參考網。在精鍛中選用的潤滑劑,在鍛造溫度范圍內應該具有良好的潤滑性能,使鍛件與模具隔離,避免金屬變形時直接與模具接觸,使金屬流動阻力最??；具有良好的絕熱和脫模性能，從而減少鍛件熱量傳導到模具上，延長模具壽命。另外，潤滑劑應具有良好的高溫濕潤性能和成膜性能，在模具型腔中均勻分布，形成潤滑膜，并且成形后在模具型腔中不應留有殘渣,或者留有極少的殘渣，容易清除。
　　　?。?）模具壽命問題。模具壽命問題是關系到直齒圓柱齒輪精鍛工藝能否應用于生產實踐的關鍵因素。然而，影響模具壽命的因素很多。如何有效地改善模具的受力狀況、減少磨損、提高壽命，是一個擺在研究者面前的不能回避的問題。
　　6直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設計研究的發展趨勢
　　直齒圓柱齒輪精鍛研究已經取得了較大進展,但還有許多方面需要進一步研究和探索，今后直齒圓柱齒輪精鍛成形工藝和模具設計方面將從以下幾個方面發展:
　　(1) 充分利用計算機技術，研究塑性成形過程的金屬流動規律。目前關于直齒圓柱齒輪精鍛方面的理論研究僅能得出變形金屬的部分特征，而不能研究在整個塑性變形過程中金屬的流動規律和所具有的變形力學特征，即不能得出應力場、應變速率場和溫度場，只能粗糙的分析金屬的整體流動。今后應充分利用高新計算機技術，結合塑性或彈塑性有限元方法,模擬直齒圓柱齒輪整個鍛壓變形過程的金屬流動，找出變形坯料自由表面和內部的金屬流動及應力應變分布規律，以期通過控制材料的流動達到零件的精確成形。
　　(2) 優化模具結構和工藝，控制精鍛齒輪的質量和精度。質量和精度控制是直齒圓柱齒輪精鍛研究的重點內容，目前關于這方面的研究還比較少，今后要進一步優化模具結構,選用優質模具材料，提高模具加工精度和使用壽命，使用合適的鍛壓設備；研究精確下料的新途徑，提高毛坯的下料精度和表面質量；采用少無氧化加熱，盡量減少毛坯的氧化燒損，并盡量減少熱鍛件與空氣的接觸時間，控制熱鍛件表面的脫碳層厚度；嚴格控制模具溫度、鍛造溫度和潤滑條件等工藝因素，減少因模具和鍛件溫度波動而造成的鍛件尺寸誤差。
　　(3) 實現模具和工藝設計的CAD/ CAE/ CAM 一體化，建立相應的專家系統。今后工藝和模具設計應和計算機技術緊密結合起來。使直齒圓柱齒輪精鍛研究向著CAD/ CAE/CAM 一體化方向發展，建立直齒圓柱齒輪工藝和模具設計的專家系統，即把專家的知識經識別、概念化和形式化處理，匯集成知識庫，來解決直齒圓柱齒輪精鍛成形的CAD和CAE問題。這對促進直齒圓柱齒輪精鍛技術的提高及向生產的轉化具有重要的意義。

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