直齿轮冷锻成形工艺及精度控制研究

冷锻是冷模锻、冷挤压、冷镦等塑性加工的统称。是对物料再结晶温度以下的成形加工，是在回复温度以下进行的锻造。生产中习惯把不加热毛坯进行的锻造称为冷锻。冷锻材料大都是室温下变形抗力较小、塑性较好的铝及部分合金、铜及部分合金、低碳钢、中碳钢、低合金结构钢。冷锻件表面质量好，尺寸精度高，能代替一些切削加工。冷锻能使金属强化，提高零件的强度。

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冷锻的定义

冷锻又叫做冷体积成形，是一种制造工艺也是一种加工方法。与冷冲压加工工艺基本一样。冷锻工艺也是有材料、模具、设备三要素构成。只是冲压加工中的材料主要是板材，而冷锻加工中的材料主要为圆盘或线材 。

日本（JIS）叫冷间锻造（简称冷锻） 中国（GB）叫冷镦，一些螺丝厂也喜欢称为打头。冷锻是指金属的再结晶温度以下进行的各种体积成形。从金属学的理论可知，各种金属材料的可再结晶温度有所不同；T再=（0.3-0.5）T熔。

（注：JIS，日本工业标准的简称，由日本工业标准调查会组织制定和审议）

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可知：铁金属和非金属的最低再结晶温度。即使在室温或者常温的条件下铅、锡的成形加工都不能称作冷锻，而是热锻了。但是铁、铜、铝在常温下成形加工就可以称为冷锻。

冷锻零件的形状越来越趋于复杂，由最初的阶梯轴、螺钉、螺钉、螺母和导管等，发展到形状复杂的零件。花键轴的典型工艺为：正挤压杆部——镦粗中间头部分——挤压花键；花键套的主要工艺为：反挤压杯形件——冲底制成环形件——正挤压轴套。圆柱齿轮的冷挤压技术也成功用于生产。除黑色金属外，铜合金、镁合金和铝合金材料的冷挤压应用也越来越广泛。

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工艺介绍——冷锻

冷精锻是一种（近）净形成形工艺。采用该方法成形的零件强度和精度高，表面质量好。当前国外一台普通轿车采用的冷锻件总量40~45kg，其中齿形类零件总量达10kg以上。冷锻成形的齿轮单件重量可达1kg以上，齿形精度可达7级。

持续不断的工艺创新推动了冷挤压技术的发展，20世纪80年代以来，国内外精密锻造专家开始将分流锻造理论应用于正齿轮和螺旋齿轮的冷锻成形。分流锻造的主要原理是在毛坯或模具的成形部分建立一个材料的分流腔或分流通道。锻造过程中，材料在充满型腔的同时，部分材料流向分流腔或分流通道。分流锻造技术的应用，使较高精度齿轮的少、无切削加工迅速达到了产业化规模。对于长径比为5的挤压件，如活塞销，采用轴向余料块的广泛通过轴向分流可以实现冷挤压一次成形，而且凸模的稳定性很好；对于扁平类的直齿轮成形，采用径向余料块也可以实现产品的冷挤压成形。

闭塞锻造是在封闭凹模内通过一个或两个冲头单向或对向挤压金属一次成形，获得无飞边的近净形精锻件。一些轿车精密零件如行星和半轴齿轮、星形套、十字轴承等如果采用切削加工方法，不仅材料利用率很低（平均不到40%），而且耗费工时多，生产成本极高。国外采用闭塞锻造技术生产这些净形锻件，省去绝大部分切削加工，成本大幅度降低。

冷锻的技术发展

冷锻技术的发展主要是开发高附加值的产品，降低生产成本，同时，它还在不断地向切削、粉末冶金、铸造、热锻、板料成形工艺等领域渗透或取而代之，也可以和这些工艺相结合构成复合工艺。热锻-冷锻复合塑性成形技术是将热锻和冷锻结合起来的一种新的精密金属成形工艺，它充分利用了热锻和冷锻各自的优点：热态下金属塑性好，流动应力低，因此主要的变形过程用热锻来完成；冷锻件的精度高，因此零件的重要尺寸用冷锻工艺来最终成形零件。热锻-冷锻复合塑性成形技术出现于20世纪80年代，90年代以来取得了越来越广泛的应用，用该技术制造的零件，已取得了精度提高、成本降低的良好效果。

数值模拟技术

有效的数值模拟软件是以刚塑性有限元法为基础建立起来的，这些软件有：Deform、Qform、Forge、MSC/Superform等。运用有限元数值模拟技术可用于检验工艺和模具设计的合理性。预锻分流区-分流终锻，用三维有限元数值模拟软件Deform 3DTM进行了数值模拟研究，得到了锻造载荷-行程曲线以及整个成形过程的应力、应变、速度分布等，并与传统的闭式镦挤工艺模拟的结果进行了比较。分析表明，传统的闭式镦挤成形直齿圆柱齿轮，成形载荷大，不利于齿形的充填。采用预锻分流区-分流终锻新工艺，可以大幅度降低成形载荷，亲明显改善材料的充填性，可以获得齿形角部饱满的齿轮。用三维大变形弹塑性有限元法对齿轮冷精锻成形过程进行了数值模拟，对以闭式模锻为预锻和以闭式模锻、孔分流及约束分流为终锻的两步成形模式的变形流动情况进行了数值模拟分析。数值分析结果及工艺试验表明在终锻中采取分流，尤其是约束孔分流措施对于降低工作载荷和提高角隅充填能力等方面十分有效。

智能设计技术

智能设计技术及其在冷锻成形工艺、模具设计中的应用。

美国哥伦布贝特尔实验室开发出基于知识的预锻几何尺寸设计系统，因设计预锻件的形状为空间几何体，须对其几何形状进行操作，故不能单纯地用一般语言来描述推理过程。对于零件的几何信息，采用框架方法表示，在框架中用不同的槽，定义出组成零件的基本成分和它们之间的拓扑关系。设计规则是用产生式规则表示，用OPS工具进行揄。J.C.Choi和C.Kim7开发了基于知识的冷锻件和热锻件集成工序设计系统，并分别建立了冷、热锻件工艺设计规则。

基于知识设计方法在冷锻成形工艺及模具的设计中的应用，将彻底改变塑性成形传统的依靠设计人员人人经验，设计过程中反复修改、设计效率不高的状态。它使用人工智能、模式识别、机器学习等技术，在设计过程中从系统知识库中提取合适的知识指导冷锻成形工艺及模具设计。该项技术正在进一步发展之中。基于知识设计方法已成为锻造成形工艺、模具设计智能化技术研究的一个特点课题。

冷锻的优缺点分析

工艺优点

冷锻工艺是一种精密塑性成形技术，具有切削加工无可比拟的优点，如制品的机械性能好、生产率高和材料利用率高，特别适合于大批量生产，而且可以作为最终产品的制造方法（Net-shape Forming），在交通运输工具航空航天和机床工业等行业具有广泛的应用。

工艺缺点

材料要求高；不适合少量加工；模具要求高。

冷锻技术成形精度比温锻和热锻都要高，在精密成形领域有着其独特的优势。冷锻工艺的运用提高了内膛光洁度、尺寸精度、表面强度，延长了枪管的寿命，使枪的射击精度也相应提高，而且便于加工锥型枪管，可以减小质量。冷锻工艺是斯太尔公司最先提出的，后来世界上很多国家都采用斯太尔公司的冷锻机床加工枪管。

冷锻技术的应用范围

当前汽车工业、摩托车工业和机床工业的飞速发展，为冷锻这一传统技术的发展提供了原动力。例如，我国1999年摩托车的全国总产量就有1126万多辆，而根据2000年的初步估计，我国汽车的总需求量到2005年将达到330万辆，其中轿车130~140万辆，仅汽车行业的锻件需求在50~60万吨以上。冷锻技术在我国的起步虽然不算太晚，但发展速度却与发达国家有很大的差距，到目前为止，我国生产的轿车上的冷锻件重量不足20kg，相当于发达国家的一半，开发潜力很大，加强冷锻技术开发与推广应用是我国的一项紧迫任务。

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