直齒輪冷鍛成形工藝及精度控制研究

冷鍛是冷模鍛、冷擠壓、冷鐓等塑性加工的統(tǒng)稱。是對(duì)物料再結(jié)晶溫度以下的成形加工，是在回復(fù)溫度以下進(jìn)行的鍛造。生產(chǎn)中習(xí)慣把不加熱毛坯進(jìn)行的鍛造稱為冷鍛。冷鍛材料大都是室溫下變形抗力較小、塑性較好的鋁及部分合金、銅及部分合金、低碳鋼、中碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼。冷鍛件表面質(zhì)量好，尺寸精度高，能代替一些切削加工。冷鍛能使金屬強(qiáng)化，提高零件的強(qiáng)度。

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冷鍛的定義

冷鍛又叫做冷體積成形，是一種制造工藝也是一種加工方法。與冷沖壓加工工藝基本一樣。冷鍛工藝也是有材料、模具、設(shè)備三要素構(gòu)成。只是沖壓加工中的材料主要是板材，而冷鍛加工中的材料主要為圓盤或線材 。

日本（JIS）叫冷間鍛造（簡稱冷鍛） 中國（GB）叫冷鐓，一些螺絲廠也喜歡稱為打頭。冷鍛是指金屬的再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的各種體積成形。從金屬學(xué)的理論可知，各種金屬材料的可再結(jié)晶溫度有所不同；T再=（0.3-0.5）T熔。

（注：JIS，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的簡稱，由日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì)組織制定和審議）

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可知：鐵金屬和非金屬的最低再結(jié)晶溫度。即使在室溫或者常溫的條件下鉛、錫的成形加工都不能稱作冷鍛，而是熱鍛了。但是鐵、銅、鋁在常溫下成形加工就可以稱為冷鍛。

冷鍛零件的形狀越來越趨于復(fù)雜，由最初的階梯軸、螺釘、螺釘、螺母和導(dǎo)管等，發(fā)展到形狀復(fù)雜的零件?；ㄦI軸的典型工藝為：正擠壓桿部——鐓粗中間頭部分——擠壓花鍵；花鍵套的主要工藝為：反擠壓杯形件——沖底制成環(huán)形件——正擠壓軸套。圓柱齒輪的冷擠壓技術(shù)也成功用于生產(chǎn)。除黑色金屬外，銅合金、鎂合金和鋁合金材料的冷擠壓應(yīng)用也越來越廣泛。

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工藝介紹——冷鍛

冷精鍛是一種（近）凈形成形工藝。采用該方法成形的零件強(qiáng)度和精度高，表面質(zhì)量好。當(dāng)前國外一臺(tái)普通轎車采用的冷鍛件總量40~45kg，其中齒形類零件總量達(dá)10kg以上。冷鍛成形的齒輪單件重量可達(dá)1kg以上，齒形精度可達(dá)7級(jí)。

持續(xù)不斷的工藝創(chuàng)新推動(dòng)了冷擠壓技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外精密鍛造專家開始將分流鍛造理論應(yīng)用于正齒輪和螺旋齒輪的冷鍛成形。分流鍛造的主要原理是在毛坯或模具的成形部分建立一個(gè)材料的分流腔或分流通道。鍛造過程中，材料在充滿型腔的同時(shí)，部分材料流向分流腔或分流通道。分流鍛造技術(shù)的應(yīng)用，使較高精度齒輪的少、無切削加工迅速達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。對(duì)于長徑比為5的擠壓件，如活塞銷，采用軸向余料塊的廣泛通過軸向分流可以實(shí)現(xiàn)冷擠壓一次成形，而且凸模的穩(wěn)定性很好；對(duì)于扁平類的直齒輪成形，采用徑向余料塊也可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的冷擠壓成形。

閉塞鍛造是在封閉凹模內(nèi)通過一個(gè)或兩個(gè)沖頭單向或?qū)ο驍D壓金屬一次成形，獲得無飛邊的近凈形精鍛件。一些轎車精密零件如行星和半軸齒輪、星形套、十字軸承等如果采用切削加工方法，不僅材料利用率很低（平均不到40%），而且耗費(fèi)工時(shí)多，生產(chǎn)成本極高。國外采用閉塞鍛造技術(shù)生產(chǎn)這些凈形鍛件，省去絕大部分切削加工，成本大幅度降低。

冷鍛的技術(shù)發(fā)展

冷鍛技術(shù)的發(fā)展主要是開發(fā)高附加值的產(chǎn)品，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)，它還在不斷地向切削、粉末冶金、鑄造、熱鍛、板料成形工藝等領(lǐng)域滲透或取而代之，也可以和這些工藝相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合工藝。熱鍛-冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)是將熱鍛和冷鍛結(jié)合起來的一種新的精密金屬成形工藝，它充分利用了熱鍛和冷鍛各自的優(yōu)點(diǎn)：熱態(tài)下金屬塑性好，流動(dòng)應(yīng)力低，因此主要的變形過程用熱鍛來完成；冷鍛件的精度高，因此零件的重要尺寸用冷鍛工藝來最終成形零件。熱鍛-冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，90年代以來取得了越來越廣泛的應(yīng)用，用該技術(shù)制造的零件，已取得了精度提高、成本降低的良好效果。

數(shù)值模擬技術(shù)

有效的數(shù)值模擬軟件是以剛塑性有限元法為基礎(chǔ)建立起來的，這些軟件有：Deform、Qform、Forge、MSC/Superform等。運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)可用于檢驗(yàn)工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性。預(yù)鍛分流區(qū)-分流終鍛，用三維有限元數(shù)值模擬軟件Deform 3DTM進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了鍛造載荷-行程曲線以及整個(gè)成形過程的應(yīng)力、應(yīng)變、速度分布等，并與傳統(tǒng)的閉式鐓擠工藝模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較。分析表明，傳統(tǒng)的閉式鐓擠成形直齒圓柱齒輪，成形載荷大，不利于齒形的充填。采用預(yù)鍛分流區(qū)-分流終鍛新工藝，可以大幅度降低成形載荷，親明顯改善材料的充填性，可以獲得齒形角部飽滿的齒輪。用三維大變形彈塑性有限元法對(duì)齒輪冷精鍛成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)以閉式模鍛為預(yù)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(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值分析結(jié)果及工藝試驗(yàn)表明在終鍛中采取分流，尤其是約束孔分流措施對(duì)于降低工作載荷和提高角隅充填能力等方面十分有效。

智能設(shè)計(jì)技術(shù)

智能設(shè)計(jì)技術(shù)及其在冷鍛成形工藝、模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

美國哥倫布貝特爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出基于知識(shí)的預(yù)鍛幾何尺寸設(shè)計(jì)系統(tǒng)，因設(shè)計(jì)預(yù)鍛件的形狀為空間幾何體，須對(duì)其幾何形狀進(jìn)行操作，故不能單純地用一般語言來描述推理過程。對(duì)于零件的幾何信息，采用框架方法表示，在框架中用不同的槽，定義出組成零件的基本成分和它們之間的拓?fù)潢P(guān)系。設(shè)計(jì)規(guī)則是用產(chǎn)生式規(guī)則表示，用OPS工具進(jìn)行揄。J.C.Choi和C.Kim7開發(fā)了基于知識(shí)的冷鍛件和熱鍛件集成工序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并分別建立了冷、熱鍛件工藝設(shè)計(jì)規(guī)則。

基于知識(shí)設(shè)計(jì)方法在冷鍛成形工藝及模具的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，將徹底改變塑性成形傳統(tǒng)的依靠設(shè)計(jì)人員人人經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程中反復(fù)修改、設(shè)計(jì)效率不高的狀態(tài)。它使用人工智能、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，在設(shè)計(jì)過程中從系統(tǒng)知識(shí)庫中提取合適的知識(shí)指導(dǎo)冷鍛成形工藝及模具設(shè)計(jì)。該項(xiàng)技術(shù)正在進(jìn)一步發(fā)展之中?；谥R(shí)設(shè)計(jì)方法已成為鍛造成形工藝、模具設(shè)計(jì)智能化技術(shù)研究的一個(gè)特點(diǎn)課題。

冷鍛的優(yōu)缺點(diǎn)分析

工藝優(yōu)點(diǎn)

冷鍛工藝是一種精密塑性成形技術(shù)，具有切削加工無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如制品的機(jī)械性能好、生產(chǎn)率高和材料利用率高，特別適合于大批量生產(chǎn)，而且可以作為最終產(chǎn)品的制造方法（Net-shape Forming），在交通運(yùn)輸工具航空航天和機(jī)床工業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。

工藝缺點(diǎn)

材料要求高；不適合少量加工；模具要求高。

冷鍛技術(shù)成形精度比溫鍛和熱鍛都要高，在精密成形領(lǐng)域有著其獨(dú)特的優(yōu)勢。冷鍛工藝的運(yùn)用提高了內(nèi)膛光潔度、尺寸精度、表面強(qiáng)度，延長了槍管的壽命，使槍的射擊精度也相應(yīng)提高，而且便于加工錐型槍管，可以減小質(zhì)量。冷鍛工藝是斯太爾公司最先提出的，后來世界上很多國家都采用斯太爾公司的冷鍛機(jī)床加工槍管。

冷鍛技術(shù)的應(yīng)用范圍

當(dāng)前汽車工業(yè)、摩托車工業(yè)和機(jī)床工業(yè)的飛速發(fā)展，為冷鍛這一傳統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展提供了原動(dòng)力。例如，我國1999年摩托車的全國總產(chǎn)量就有1126萬多輛，而根據(jù)2000年的初步估計(jì)，我國汽車的總需求量到2005年將達(dá)到330萬輛，其中轎車130~140萬輛，僅汽車行業(yè)的鍛件需求在50~60萬噸以上。冷鍛技術(shù)在我國的起步雖然不算太晚，但發(fā)展速度卻與發(fā)達(dá)國家有很大的差距，到目前為止，我國生產(chǎn)的轎車上的冷鍛件重量不足20kg，相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家的一半，開發(fā)潛力很大，加強(qiáng)冷鍛技術(shù)開發(fā)與推廣應(yīng)用是我國的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

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