在直齿圆柱齿轮精锻过程中，缺陷的产生多与金属流动规律失控、工艺参数不匹配、模具设计不合理或材料性能波动相关，常见缺陷可按 “成形完整性”“表面质量”“内部结构” 和 “尺寸精度” 四大维度分类，具体特征、成因及典型场景如下：
此类缺陷直接导致齿轮无法满足啮合功能，是精锻中核心的问题之一，主要表现为齿顶未充满和齿根充不满，少数情况下会出现 “突耳”（金属过度挤出）。
- 缺陷特征：齿轮齿顶部位出现局部凹陷、缺肉，或齿顶圆角大于设计值，无法达到图纸规定的齿顶厚度。
- 核心成因：
- 金属流动动力不足：锻造压力过低、上模下行速度过慢，导致金属难以克服齿腔远端（齿顶）的流动阻力；
- 分流设计不合理：分流槽位置偏离齿顶受力区，或分流孔尺寸过大，导致金属优先流向分流结构而非齿顶；
- 坯料体积不足：坯料尺寸计算偏差，预留金属量无法填满齿腔，尤其齿顶这类 “远端型腔” 更易缺料。
- 典型场景：热精锻 20CrMnTi 齿轮时，若始锻温度低于 1100℃（材料流动性下降），或摩擦系数大于 0.3（金属与模具黏滞力增加），极易出现齿顶缺肉。
- 缺陷特征：齿根圆角处出现凹陷，或齿根厚度小于设计值，严重时会导致齿根应力集中加剧，降低齿轮疲劳寿命。
- 核心成因：
- 模具型腔设计缺陷：齿根部位型腔表面粗糙度高（摩擦阻力大），或齿根圆角过小（金属流动路径狭窄）；
- 预锻工艺不当：预锻件齿根部位未预留足够的金属余量，或预锻型腔与终锻型腔的 “金属分配” 不匹配；
- 金属流动方向偏差：锻造时金属优先向齿侧或齿顶流动，齿根因 “供料不足” 导致填充不完整。
- 缺陷特征：齿轮端面或齿槽两侧出现多余的金属凸起（类似 “飞边” 但位置不规则），后续需额外切削去除，增加成本。
- 核心成因：坯料直径过大、锻造速度过快，或模具型腔与坯料的 “径向间隙” 不合理，导致金属在径向压力下过度挤出齿腔范围。
表面缺陷虽不直接破坏齿形，但会降低齿轮耐磨性、耐腐蚀性，甚至成为应力集中源，常见类型包括表面裂纹、氧化与脱碳、黏模与划伤。
- 缺陷特征：齿轮表面出现线性裂纹，多分布在齿根、齿侧或端面，裂纹深度从几十微米到毫米级不等，严重时贯穿轮齿。
- 核心成因：
- 材料塑性不足：始锻温度过低（如冷锻时室温低于 15℃，或热锻时温度低于材料再结晶温度），材料脆性增加；
- 变形不均匀：局部变形量过大（如齿侧变形量超过 50%），或模具圆角过小（应力集中在齿根），导致局部拉应力超过材料抗拉强度；
- 冷却速度过快：热精锻后未及时缓冷（如直接暴露在空气中冷却），齿轮表面与心部温差大，产生热应力裂纹。
- 典型场景：温锻 45# 钢齿轮时，若模具预热温度低于 200℃，坯料与模具温差过大，齿侧接触瞬间易产生 “热冲击裂纹”。
- 缺陷特征：
- 氧化：表面形成黑色氧化皮（Fe₃O₄、Fe₂O₃），厚度通常为 5-20μm，导致表面粗糙度升高，后续需酸洗或喷砂去除；
- 脱碳：表面碳元素流失，形成 “脱碳层”（低碳区），厚度 10-50μm，导致轮齿表面硬度、耐磨性显著下降（如 20CrMnTi 齿轮脱碳后，表面硬度从 HRC58 降至 HRC45 以下）。
- 核心成因：热锻 / 温锻时加热环境控制不当 —— 加热炉内空气过量（氧含量高）、加热时间过长（超过 2 小时），或未采用保护气氛（如氮气、惰性气体），导致材料表面与氧气、水蒸气反应。
- 缺陷特征：齿轮表面黏附模具金属碎屑（黏模），或出现沿锻造方向的线性划痕（划伤），表面粗糙度 Ra 值超过 1.6μm（设计通常要求 Ra≤0.8μm）。
- 核心成因：
- 润滑不足：未涂抹专用锻造润滑剂（如玻璃润滑剂、石墨润滑剂），或润滑剂在高温下失效，导致金属与模具直接接触并黏连；
- 模具表面状态差：模具型腔表面粗糙度高（Ra＞0.4μm），或存在加工刀痕、磨损凹坑，锻造时刮擦金属表面；
- 锻造压力过高：压力超过模具材料的抗黏附极限，导致模具表面金属被 “挤压” 到锻件表面。
内部缺陷无法通过外观观察发现，需借助探伤设备（如超声波、X 光）检测，主要影响齿轮的疲劳寿命和承载能力，常见类型为内部疏松和折叠。
- 缺陷特征：齿轮内部（尤其是轮辐、轮毂等厚大部位）出现微小孔隙（直径 10-100μm），类似 “海绵状” 结构，降低材料致密度。
- 核心成因：
- 金属补缩不足：厚大部位冷却速度慢，外层先凝固，内部金属因收缩无法得到补充，形成孔隙；
- 锻造变形量不足：预锻或终锻的变形量小于 30%，金属内部的铸造疏松（原材料缺陷）未被 “压实”；
- 排气不畅：模具型腔未开设排气槽，或排气槽堵塞，锻造时型腔内部空气无法排出，被包裹在金属内形成气泡。
- 缺陷特征：金属流动过程中，表面金属被 “卷折” 到内部，形成分层结构（类似 “夹层”），折叠处常伴随氧化皮，成为疲劳裂纹的 “发源地”。
- 核心成因：
- 坯料形状不合理：坯料表面有凸起、凹陷或飞边，锻造时这些不规则部位被压入金属内部；
- 金属流动方向紊乱：预锻型腔设计不当（如过渡圆角过小），导致金属在预锻阶段出现 “回流”，表面金属与内部金属重叠；
- 锻造速度过快：上模下行速度超过 15mm/s，金属来不及均匀流动，局部出现 “堆积 - 卷折”。
此类缺陷导致齿轮与轴、其他齿轮的装配间隙超标，影响传动精度，主要表现为齿距偏差、齿向误差和端面跳动超差。
- 缺陷特征：相邻轮齿的齿距实际值与设计值的偏差超过 GB/T 10095 规定的等级（如 9 级齿轮允许偏差 ±0.036mm），导致啮合时传动比波动。
- 核心成因：
- 模具制造误差：模具型腔的齿距加工偏差超过 0.01mm，精锻后直接 “复制” 到锻件上；
- 锻后回弹：冷锻或温锻后，金属因弹性恢复产生回弹，齿距出现收缩（通常收缩量 0.005-0.01mm）；
- 温度波动：热锻时坯料心表温差超过 30℃，冷却后不同部位收缩不均匀，导致齿距偏差。
- 缺陷特征：轮齿的实际齿向线（沿齿宽方向）与设计齿向线的偏差超标，表现为 “齿向倾斜”，啮合时齿面接触面积减小，局部磨损加剧。
- 核心成因：
- 模具安装偏差：上模与下模的同轴度误差超过 0.005mm，或模具型腔的齿向加工偏差；
- 锻造压力不均：液压机左右油缸压力差超过 5%，导致上模倾斜下压，齿向变形；
- 坯料定位不准：坯料在模具内的中心偏移超过 0.1mm，锻造时金属向一侧偏移，齿向倾斜。
- 缺陷特征：齿轮端面（与轴线垂直的面）的圆跳动量超过设计值（如 9 级齿轮允许跳动 0.05mm），装配时无法与其他零件贴合，产生附加轴向力。
- 核心成因：
- 模具端面平行度差：上模端面与下模端面的平行度误差超过 0.003mm；
- 锻后冷却变形：齿轮厚度不均（如轮毂与轮缘厚度差超过 5mm），冷却时收缩不一致，导致端面翘曲；
- 脱模不当：脱模时顶出机构受力不均，将齿轮端面顶变形。
直齿圆柱齿轮精锻缺陷的防控需围绕 “控制金属流动” 和 “匹配工艺参数” 展开：通过优化模具型腔（如合理设计分流槽、排气槽）、精准控制温度 / 压力 / 速度（如热锻温度 1150-1180℃、冷锻摩擦系数 0.08-0.15）、提升坯料定位精度，可大幅减少上述缺陷；同时，结合数值模拟（如 Deform-3D 预判金属流动）和实时检测（如红外测温、超声波探伤），能实现缺陷的 “事前预防” 与 “事后排查”，保障精锻齿轮质量。
