现代工业的转型升级离不开先进技术的推动作用。作为机械传动系统的核心部件之一，机械齿轮锻件广泛应用于航空航天、汽车等行业，已从多个方面展现出了其不可比拟的优越性能。因此，要满足现代工业的发展需要，必须加强对智能制造技术在传统机械齿轮锻件制造中的应用研究。

传统机械齿轮锻件制造工艺流程 

（1）根据所制造机械齿轮锻件的类型和适用场景确定好所使用的原材料类型，保证所选择锻造方式和制造工艺能够满足机械齿轮材料特性和形状要求。 

（2）对经过锻造处理的齿轮毛坯进行热处理，先利用淬火处理来提高齿轮毛坯的耐磨性和抗疲劳性能，然后再使用回火工艺降低机械齿轮毛坯的脆性，使其具有稳定的结构和综合机械性能。 

（3）将完成热处理的齿轮毛坯进行车削、铣削，确定好压力施加方法与成型方式，完成机械加工与表面质量修整，保证所生产机械齿轮锻件的性能与质量符合设计要求。

 传统机械齿轮锻件制造工艺现存问题 

传统制造工艺在实际机械齿轮锻件制造中的应用效果，受人为因素影响较大。若生产线上的工作人员技能熟练度不足或存在频繁操作失误，可能在锻造过程中出现工艺参数设置不合理、原材料破坏等问题，最终造成所生产机械齿轮锻件出现局部应力集中，出现表面裂纹、折叠缺陷或气孔缺陷等缺陷问题。另外，传统制造工艺无法规避热处理质量波动较大的问题，所生产机械齿轮性能不均匀等问题会削弱齿轮的抗疲劳特性。基于传统工艺下的机械齿轮锻件制造包含多个复杂工艺步骤，各环节在实际运行过程中存在着明显衔接问题。不仅难以实现工艺最优化与稳定性控制，还会受人工操作的局限性影响，导致信息传递滞后，信息“孤岛”现象严重，造成材料与设备成本的浪费，难以实现齿轮设计、生产制造、质量管理等多个环节的协同优化与集成创新。再加上基于传统工艺的生产设备，大多不具有自动化作业程序，且生产效率低下、柔性化生产效果不佳，无法在短时间内完成多个小批量订单，同时还受到机械齿轮类型所限。

 基于智能制造的机械齿轮锻件制造工艺特征 

以数据驱动和智能优化为核心的智能制造技术，结合人工智能和物联网等技术手段，构建信息物理系统，完成互联网与线下实际工业生产过程的有效结合，以更具网络化特征的协同制造方法，保证工业生产流畅性。基于智能制造时代下的机械齿轮锻件制造工艺，具有以下明显特征。 

（1）借助高精度传感器和数据传输技术，实现对实际生产数据的全面采集与稳定传输，以数据驱动的方式完成生产决策规划，使整个生产过程的实时监控与管理工作更具数字化与信息化特征。 

（2）应用各种自动化设备与智能控制系统，借助人工智能和机器学习算法，实现参数优化与质量预测，保证机械齿轮锻件的生产过程始终处于最佳状态。 

（3）引入智能制造系统和具备数控化特征的加工设备，以自动化方式实现对机械齿轮各项参数的调整，以自动化适应与控制方法实现柔性生产。

 基于智能制造的机械齿轮锻件制造工艺优化 

数字化设计与模拟仿真： 

在机械齿轮的设计阶段，设计工程师可以使用计算机辅助设计软件，在软件模块内输入机械齿轮的各类参数，确定好所生成三维数字模型的模数、齿顶高系数、顶隙系数等，依次完成这械齿轮轮廓曲线绘制、单个齿槽建模等操作，按照预先设定好的齿数和角度，完成环形阵列，由此构建企业当前机械齿轮的主体三维模型，使用其他模拟仿真软件对该三维模型进行有限元分析仿真。在正式模拟仿真工作开始前，除了需要对机械齿轮坯料进行几何建模外，还需利用DEFORM、FORGE等软件设定弹性模量、屈服强度等参数，定义有限元模型的边界条件，设置好初始温度和位于约束等条件。在实际模拟仿真过程中需要利用软件完成对现有有限元模型的数值计算，判断机械齿轮在实际锻造过程中所出现的应力分布情况，以及温度变化规律；需要以动态化作业方式灵活调整现有模具型腔的结构形状，必要时可通过在合理范围内调整拔模角度等方式做好金属流动模拟与展示，以更加直观的工作方法明确金属在当前模具型腔中的流动轨迹，归纳流动趋势；需要根据计算实际锻造过程中所出现的应力数值，调整机械齿轮锻造所使用机械工具的运行参数，如设备压强、锻造速度等，为该三维模型构建不同作业环境，由此判断金属在不同参数组合的条件限制下是否会出现以折叠为主的形变行为或填充能力下降等问题。在了解不同位置受力情况和形变程度的基础上，对所使用的配料进行尺寸优化和调整，保证模具型腔的过渡圆角符合实际模具设计需要、锻造工艺参数和模具结构能够保证技术在模具型腔内的均匀流动，降低配料的应力集中程度，提高机械齿轮锻件的制造可靠性。

制造工艺参数优化： 

为尽快解决传统工艺在实际应用过程中的参数精确性不足等问题，可站在智能制造时代的发展背景下，在机械齿轮锻造生产线上安装多个高精度智能传感器和监测系统，以更具动态化和智能化的手段实时采集机械齿轮制造参数，其中包括坯料温度与模具温度、模具位移程度、制造压力与生产能耗等。不仅如此，还可利用高精度传感器所采集的数据信息，构建基于当前机械齿轮制造的数据库，借助对海量数据的深度挖掘和分析结果建立分析模型，掌握不同参数之间的内在联系和影响程度，找到更符合当前机械齿轮锻造工艺的参数优化模型，确定模型参数与系数。相比传统工艺来说，智能制造工艺在锻造温度、锻造压强、锻造速度三个参数的调整中具有明显性。锻造温度由原有的1100～1200℃调整为1150～1170℃；锻造压强由原有的80～120MPa调整为95～105MPa；锻造速度由原有的5～10mm/s调整为6～8mm/s。以汽车变速器主动齿轮的锻造为例，可在充分考量主动齿轮锻造温度与齿轮锻坯硬度之间关系的基础上，构建基于支持向量计算法的数据模型，以尽可能延长该齿轮的使用寿命为目标，以不断调整锻造温度的方式保证齿轮锻坯布氏硬度最高不超过302、最低不小于269。不仅如此，还可使用更具高效性特征的遗传算法，利用其全局搜索的特点，完成选择、交叉和变异等操作，在确定所需优化的目标函数后，利用多代遗传操作完成对机械齿轮锻造温度、锻造压力、锻造速度等工艺参数的调整，在提高机械齿轮锻件制造质量的同时实现单件锻造能耗的最小化。

制造工艺流程优化： 

传统机械齿轮锻件制造工艺在应用流程上，往往存在各生产环节衔接不当、流程混乱等问题，由此导致的生产效率低下、机械齿轮锻件质量不足等问题层出不穷。为提高机械齿轮在智能制造时代下的生产质量，需要尽快借助现代化信息技术手段和智能算法，对现有机械齿轮锻件制造工艺的应用流程做出全面整改与优化，主要可从以下方面入手。 

（1）对机械齿轮锻件制造所使用的料堆进行相关联数值的计算，据此构建三维料堆参数化模型，根据机械齿轮锻件的实际成型过程确定好智能制造目标，实现生产计划的智能化制定与动态调整，完成生产任务优化分配，保证生产进度安排合理，同时重点关注机械齿轮锻造成型质量与生产物料的有效利用率。 

（2）使用遗传算法与基于智能驱动的现代化设计方法，确定此次机械齿轮锻件制造的生产方案。另外，在此过程中特别关注复杂锻模的制造需求，在生成的生产方案中明确阐述如何正确使用增材制造技术、如何保证当前工艺流程能够满足机械齿轮锻件在实际应用中的力学性能要求、如何利用现有数字化三维立体模型，完成对机械齿轮锻件产品的使用寿命预测。 

（3）利用执行制造系统完成对各类生产资源的智能调度，如根据当前主要生产设备设施的运行状态和生产能力，结合生产任务优先级，完成设备调度，避免设备设施的过度使用或长时间闲置；结合生产线上工作人员的技能水平和任务复杂度，完成人员调度。

锻造成型优化： 

作为机械齿轮锻件制造工艺实现智能化与现代化发展的核心环节，智能锻造成型打破了传统锻造过程在多个不同层面的局限，改变了原有工艺对人力作业 的依赖性，以全流程监管与精细化质量控制手段，提高了产品质量与成品率，具体体现在以下方面。 

（1）智能锻造成型中引入基于先进传感器技术的智能温控系统，其内部所搭载的红外线测温仪能够实时监测锻件毛坯的加热温度，对比分析的方法判断锻件毛坯表面温度与预计值之间的差值大小，据此完成对锻造温度的智能化调节，保证锻件毛坯表面温度始终控制在生产允许范围内，规避机械齿轮缺陷问题。在锻件精度控制中采取闭环控制方法，借助激光检测仪器确定好当前机械齿轮锻件的规格尺寸和形位公差，设立包括工艺参数向量、权重系数等参数的制造工艺预测模型，评估当前机械齿轮锻造成型的智能化效果，找出可改进空间。 

（2）使用更具智能性特征的伺服液压机(图1)替代传统作业模式下的大型液压机，根据锻造压力的偏差大小和方向，完成对伺服液压机工作参数的调整，保证锻造形成与锻造速度等参数能够在实时监测与管控中始终维持在合理范围内。

（3）根据机械齿轮材料的变形抗力、锻件初始截面面积、成形后截面面积、初始高度及锻造压下系数，计算出适配当前锻件制造工艺的锻造压力值；再引入自适应控制技术，判断锻造压力是否超出正常范围，并自动调整设备的运行模式。

图 1 智能伺服液压机

精整工序优化: 

一方面，考虑机械齿轮锻件在智能制造时代下的高精度要求，可在机械齿轮锻件锻造成型后，引入更具自动化特征的数控技术和工业机器人，完成对机械齿轮锻件的清理、矫直等精整作用。与传统车床设备不同，搭载了先进数控系统的自动化车床，能够按照预先设定好的加工程序，精确控制刀具的运动轨迹和切削参数，实现对关键位置的高精度加工。工业机器人也能代替传统人工作业模式，利用其灵活度高且反应快的特点，完成锻件上下料输送与转位。另一方面，根据精整工序的具体流程与生产环节，使用与实际生产需求相契合的智能设备。例如，在抛丸阶段使用智能抛丸机，同时结合激光测距仪所反馈 的实时数据信息，及时调整智能抛丸机的抛丸速度和抛丸密度，保证抛丸均匀性和覆盖率。

结束语 

现代工业的快速发展和经济水平的不断提高，对应用在机械传动领域的机械齿轮锻件提出了新的要求。相关从业者应尽快转变传统工作观念，从宏观视角下挖掘智能制造时代的发展规律，熟练掌握不同技术手段和新兴工艺方法的主要原理和应用要点，加强传统制造工艺与智能制造技术的深度融合，为行业发展赢得更多经济效益和社会效益。

参考文献：略。

作者简介： 林正夫，男，本科，高级工程师，研究方向为齿轮制造技术。