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齿轮加工的关键是齿形加工，从是否需要去除材料来分类，齿轮加工的方法可分为切削加工和塑性成形两种。目前，工业生产中加工齿轮的方法仍主要是切削加工。齿轮的切削加工按照齿廓形成方式，可分为成形法和范成法 ［4］ ，如图1-4所示。成形法是采用与待加工齿形相对应的刀具成形齿轮的方法，如常见的铣削齿轮。铣削加工的优势在于在普通的铣床上就可以加工，不需要添置新设备。但铣削时，每铣完一个齿都要进行分度，因此生产效率不高，且无法达到很高精度。而用范成法加工齿轮时，不管齿数是否一样，只须待加工齿轮的模数、压力角与刀具一致，都可以用同一套刀具加工，这给齿轮生产带来极大方便，因此范成法得到了更广泛的应用。常见的范成加工工艺有滚齿、插齿、剃齿、珩齿、磨齿等，都是根据齿轮无侧隙啮合原理来加工齿轮 ［5～8］ 。
图1-4 齿轮切削加工方法
相比传统切削加工，采用塑性成形工艺生产齿轮及类齿轮零件有诸多优势，例如：材料利用率高，生产效率高，齿形表面金属纤维沿轮齿齿廓均匀、致密排布，使得齿轮具有较高的力学性能等。因此，人们普遍认为，采用塑性成形工艺生产齿轮毛坯或直接生产齿轮零件逐渐取代现有的切削加工工艺是齿轮加工未来的发展趋势 ［9，10］ 。齿轮塑性成形加工方法开始于20世纪50年代。此种工艺方法不需或仅需少许后续加工，仅通过锻造就能获得一定精度的齿轮。这种齿轮制造技术，常被称为齿轮精锻。
齿轮精锻起源于德国。20世纪50年代，因为没有足够的齿轮加工机床，德国人使用电火花加工锻模型腔，并尝试采用闭式热模锻的方法加工锥齿轮 ［11］ 。德国的BLW公司首先取得齿轮精锻的专利。50年代末60年代初，日本、法国、英国、美国等先后引进德国专利，齿轮精锻技术因此得到了更加广泛的发展。美国的齿轮精锻开始较晚，然而发展很快。1975年美国TRW公司收购BLW公司股权，使之成为一家专门生产精锻齿轮的公司。
我国自20世纪60年代初开始对直齿锥齿轮的精锻技术进行研究，70年代初已经能够生产出精度较高、适用于汽车和拖拉机的锥齿轮 ［12，13］ 。
精密锻造技术被习惯性分为：冷精锻、热精锻、温精锻、复合锻造、等温锻造等 ［14］ 。冷精锻指的是室温下的精密锻造工艺，因为不需要使用加热设备，适用于多品种小批量生产，且锻造工件精度高，表面质量较好，但因金属在常温下变形抗力大，塑性差，局部细节难以充满，只适合成形结构简单零件 ［15］ 。
因为冷精锻的诸多优势，冷精锻技术在齿轮制造方面受到广泛关注及研究。
Yang等 ［16］ 对应用于捷达车上的锥齿轮的闭式冷精锻工艺进行数值模拟，结果表明工艺合理，模具设计正确，模拟结果可靠。
Huang等 ［17］ 借助现代冶金分析技术，对于闭式冷锻锥齿轮的晶粒大小、硬度和残余应力进行了研究，结果表明，采用闭式冷锻方式显著提高了锥齿轮强度和韧性，其残余应力均为压应力。
Liu等 ［18］ 使用弹塑性有限元方法，并通过分析应变场、速度场和模具受力，研究了车用锥齿轮冷闭式锻造金属充填规则，并指出锻造过程存在齿形充不满，且上下锻模受力存在明显差异等现象。
Dean等 ［19，20］ 对齿轮零件的锻造成形进行了研究分析，描述了锥齿轮和螺旋齿轮锻造的研究背景尤其关注汽车等陆上交通工具所用高精度齿轮的生产，利用单齿模具实验和数值模拟分析了齿轮锻造工艺参数和尺寸精度之间的关系。
Zhang等 ［21］ 通过数值模拟方式获得车用行星齿轮瞬时变形和应力，预测成形缺陷，为实际应用提供参考。
Liu等 ［22］ 采用数值模拟结合实验研究对直齿圆柱齿轮冷精锻过程中轮齿尺寸变化进行研究分析，找到影响轮齿尺寸变化的两个主要因素，并根据模拟结果对模具进行修形，通过实验验证采用修行后的模具进行齿轮精锻可显著提高齿轮精度。
Alves等 ［23］ 针对齿轮精锻提出了一种新的柔性工具系统，并借助数值模拟和实验加以验证，指出热精锻使坯料变形抗力显著降低，但温度高坯料容易氧化，导致获得的产品外观质量差，尺寸精度低，因此热精锻可应用于尺寸精度要求不高的零件或者用于产品预锻。
Chen等 ［24］ 为减小热锻过程中坯料损失，基于材料损伤原理并提出Cockroft-Latham损伤模型，提出了一种基于广义简约梯度的锻造工艺优化设计方法，采用数值模拟方法对坯料初始高径比进行优化。
Wang等 ［25］ 有限元数值模拟方法研究了正齿轮轴热锻过程中的组织变化，且通过微观组织模拟及金相实验获得了不同尺寸坯料的齿轮轴晶粒大小分布，给出了不同锻造参数（包括初始锻造温度和冲头速度）对锻后齿轮轴晶粒尺寸的影响规律，对坯料预成形进行数值模拟，模拟结果说明预成形可以使晶粒尺寸明显细化且晶粒分布更均匀。
Zhi等 ［26］ 对大尺寸矩形齿轮提出了镦粗-预锻-终锻成形的多级热锻工艺方案，通过模拟和实验验证，获得变形过程中温度分布、等效应变场、速度场的变化规律，成形后的锻件尺寸合格且没有任何折叠缺陷，验证了多级热锻工艺的可行性。
Zuo等 ［27］ 将齿形影响因子引入到闭合镦粗成形载荷的计算公式中，据此提出了圆柱齿轮热精锻成形载荷的计算公式，并利用锻造过程有限元模拟的数据，拟合了不同模数齿轮的齿形影响因子，且通过实验加以验证。
Wang等 ［28］ 通过有限元模拟了三种不同坯料尺寸齿轮轴的热锻成形，其中坯料尺寸为 ϕ 36mm×60mm的齿轮轴成形性能最好，通过模拟和实验获得初始坯料温度和摩擦系数对热锻成形性能的影响，最后得到合理的齿轮轴热锻工艺参数。温精锻是在低于再结晶温度的某个温度进行锻造成形的工艺方法。温精锻既克服了冷精锻变形抗力大、成形零件形状简单的缺点，又克服了热锻容易氧化导致尺寸精度低的缺点，因此受到学者关注，但温精锻对坯料材料和锻模有较高要求。
Qiu等 ［29］ 为了降低成形直齿圆柱齿轮的力，提出对于普通闭式模锻成形应用新的温挤压二步成形并进行数值模拟，结果表明，与传统的闭式模锻相比，该方法可以显著降低成形力，确保齿形完全充满。
Wang等 ［30］ 采用数值模拟和实验验证方法，通过分析和优化影响半轴齿轮成形质量的影响因素来提高半轴齿轮的成形质量。
Wu等 ［31］ 对差速器锥齿轮采用温锻制坯结合冷摆碾精密成形工艺进行分析研究，结果表明，成形齿轮精度高、齿部强度高、模具寿命高、设备投资小，对于差速器锥齿轮的国产化提供了技术支持。
等温锻造技术起源于20世纪60年代的美国，指的是坯料在温度较为稳定状态下的锻造成形，等温锻造适用于难变形材料的精密成形 ［32，33］ 。
Pérez等 ［34］ 分析了经等通道转角挤压与等温锻造预处理的AA5083超细晶齿轮的模具设计与齿轮力学性能。
Shan等 ［35］ 详细介绍了铝合金外壳的等温锻造成形技术。
20世纪60年代受到来自汽车工业压低成本的影响，圆柱齿轮锻造工艺因此受到关注，并在70年代获得较大的发展。到80年代，齿轮锻造技术趋于完善，精度和一致性达到较高标准，且工厂化生产能达到较高的自动化水平。但是由于直齿圆柱齿轮锻造成形过程中，金属沿垂直于受力方向流动，所以其成形比锥齿轮齿形更难。直齿轮的锻造成形工艺基本上采用闭式镦挤，如图1-5所示，因为变形处于闭合环境下，且为冷成形，成形过程中的流动应力高，在成形后期，金属流动受到很大限制，型腔内部的变形抗力陡增，因设备吨位不足或模具强度等限制，最终造成局部齿形充填不满等缺陷。针对这种问题，诸多国内外专家学者进行探讨分析，但都无法使齿形完全充满，尤其是大模数齿轮。
国内外学者针对齿轮的锻造成形变形抗力大、齿形不易充满的问题，提出了多种工艺方法减小变形抗力并尝试应用于生产实际。日本及西方发达国家在精密锻造技术包括齿轮精锻技术在世界上处于领先地位。20世纪80年代中期，日本的Kondo和Ohga ［36，37］ 首次提出直齿圆柱齿轮冷精锻应用分流原理，成形原理如图1-6所示，在齿轮非工作面位置开设孔腔，保证锻造过程中材料可以分流至此，防止锻造后期变形抗力急剧升高，从而降低了成形力，并进一步分析得到采用轴向分流时最优轴直径，且采用孔分流时随分流孔直径增加锻造压力减小，比较了采用轴向分流与孔分流锻件成形质量，得到轴向分流比孔分流获得锻件厚度更大的结论。
Luo等 ［38］ 对弧齿锥齿轮采用闭式预锻-分流终锻的成形工艺，并通过数值模拟与传动闭式模锻进行比较，结果表明，此工艺更有利于降低成形载荷、提高齿形充填能力。
图1-5 齿轮闭式锻造
图1-6 中空分流锻造成形原理 ［36］
图1-7 浮动凹模锻造成形原理
韩国的Tuncer等 ［39，40］ 根据浮动凹模原理提出了多种不同的模具设计方案。浮动凹模的原理如图1-7所示。一般的锻造凹模都采用固定式。凸模有准确位置并可靠锁紧，而把凹模及芯子做成上下可浮动式，依靠弹簧提供浮动力。浮动凹模降低了成形过程中材料流动与凹模型腔的摩擦阻力，进而可以降低成形所需的变形力，同时还可以使工件变形更加均匀。
Jiang等 ［41］ 基于径向分流和浮动凹模原理对圆柱直齿轮冷锻成形过程进行有限元模拟分析，获得各工艺因素对冷锻成形力的影响规律。
Xin等 ［42］ 通过采用浮动凹模工艺提出一种确定摩擦的新方法，结果可靠，且比采用圆环镦粗工艺获得摩擦系数的方法更易理解和掌握。
Wang等 ［43］ 设计微型浮动凹模来成形微型齿轮，结果表明，采用浮动凹模时，摩擦力可促使金属流至型腔从而减小成形力，且成形出的微齿轮具有较高的表面质量和良好的微结构组织。
Xue等 ［44］ 对螺旋角度不同的同规格斜齿轮进行浮动凹模冷锻的数值模拟并与传统闭式锻造相比较分析，结果表明，采用浮动凹模能显著减小成形力，且脱模时齿轮沿螺旋方向刚性旋转可使获得较高精度。
Yang等 ［45］ 基于直齿轮精锻成形中摩擦沿径向分布的规律分析，揭示了角隅难充满的原因；改变模具运动方式，能改变轴向应力分布和角隅填充状况；通过数值模拟，证实浮动凹模工艺可以提高角隅充填能力。
Guo等 ［46］ 提出了十字轴径向挤压力的计算方法，通过分析获得浮动凹模闭式挤压力的总压力，并通过与模拟比较对该方法进行了修正。
Zheng等 ［47］ 针对航空用螺旋齿轮闭式锻造时螺旋角导致充填不满及脱模等问题，设计了螺旋齿轮锻造浮动式凹模结构，合理设计轴承式模具支撑结构以使脱模顺利，设置了套筒飞边槽，以避免横向飞边和纵向毛刺。
Ryu等 ［48］ 借助于刚塑性有限元方法和选取合适浮动凹模速度使浮动凹模载荷低于用户期望值。
Gong ［49］ 对大模数直齿圆柱齿轮采用径向分流和浮动凹模冷锻成形工艺进行数值模拟，得到了变形过程中金属的流动规律和变形机理，模拟结果表明，采用此工艺可获得充填完整的齿轮，且大大降低了成形载荷。
韩国的Choi等 ［50］ 等将两工步分流成形法应用于齿轮精锻工艺研究，如图1-8所示。第一步推出器和第二步有区别，经过第一工步成形的齿轮坯料中间下凹，下凹部分经第二工步成形时会变平整，且第二工步的推出器直径比齿形凸模杆部直径略大，使坯料成形发生在一个非闭合的环境中，有效降低成形力。与传统的导向式分流和夹紧式分流方式相比较，采用两工步分流成形法既保证了齿轮齿形完全充满又减小了变形抗力。
图1-8 两工步分流成形法成形原理 ［50］
Jung等 ［51］ 采用二工步法即先锻造直齿轮再经过扭曲拉伸将直齿轮锻造成为斜齿轮，采用数值模拟和实验研究相结合，证实此方法可以显著降低锻造成形力。
Kondo等 ［52］ 采用浮动式凹模锻造加工环齿轮时，针对试样高径比大、在径向方向上金属流动时间差异而导致产品缺陷的问题，通过理论计算提出坯料为鼓形时利于减小缺陷，并通过先将坯料挤压为鼓形再采用浮动凹模锻造的两步成形实验进行了验证。
寇淑清、杨慎华等 ［53，54］ 介绍了采用约束分流两步成形工艺冷精锻直齿圆柱齿轮的方法，即先采用闭式模锻进行预锻、再采用约束分流进行终锻的两步成形工艺方案，其成形过程为：先采用闭式镦挤进行预锻成形，再冲去坯料中间连皮而形成分流孔腔，终锻时采用带凸台的模具以形成约束分流，降低成形力的同时保证齿形充填完满，如图1-9所示。
图1-9 约束分流两步成形法成形原理 ［53］
图1-10 KOBO锻造过程示意图 ［55］
Bochniak等 ［55］ 提出使用KOBO方法锻造伞齿轮新方法，如图1-10所示，经实验比较，在保证试样结构均匀、机械性能良好的前提下，所需锻造力明显小于传统锻造方法。
田福祥等 ［56］ 结合热精锻变形力小和冷挤压工艺精度高的优点，提出坯料先热锻，再进行冷挤压精整的工艺，此工艺锻造的齿轮精度等级可达9级。
陈拂晓等 ［57，58］ 基于上限元法对直齿圆柱齿轮沿径向挤压过程中的金属流动规律和成形力进行了分析，并定性分析了工艺因素和模具结构参数对变形力的影响，结合试验证实了采用的计算方法及所编制程序的可行性。
刘庆斌等 ［59，60］ 分析了直齿轮挤压成形角隅部分充填困难的原因，提出两种解决办法。一种是在定模型腔中央加一凸台，在成形时给下部金属一个向外的撑力，促使下部金属加速径向向外流动，使坯料金属侧向移动速度保持一致，如图1-11（a）所示；另一种是在中心轴向设置分流孔，使得金属快速沿径向移动的同时，还可以沿轴向移动，起到分流目的，如图1-11（b）所示；采用上限元法（UBET）正反向模拟了直齿轮锻造过程并且进行了优化，掌握了各工艺参数之间的关系，并对工业纯铅坯料进行了直齿圆柱齿轮锻造实验，证明了模拟结果的可靠性。
图1-11 克服局部充角困难的方法 ［60］
龚冬梅等 ［61］ 采用分流原理和浮动凹模原理组合工艺，使用Deform 3D对直齿轮锻造成形过程进行数值模拟，确定最佳工艺参数组合并对其进行了优化。
胡成亮等 ［62～64］ 通过对直齿圆柱齿轮锻造过程的金属流动规律进行分析，提出了一种齿轮锻造成形的新工艺，如图1-12所示。该工艺基于刚性平移流动模式的原理，使得预成形齿坯的齿形侧翼在锻造过程中与模具不接触或少接触，从而减小因摩擦而导致的齿形坯料填充不一致，并应用模拟和实验证实了其有效性；通过采用不对称模具设计进一步改进新工艺，使得成形载荷相比传统闭塞锻造减少了42%。
其另外几篇文献 ［65～69］ 对锻造凸模设计成“W”形、锻造凹模设计成“V”形，对工艺方案进行了优化，或者选用带箍凸模，并结合模拟和实验对工艺进行了优化和验证。
图1-12 基于刚性平移流动原理的新工艺 ［62］
罗善明等 ［70］ 运用Deform 3D对直齿锥齿轮温锻成形进行有限元模拟，对温锻过程中温度分布情况进行了分析，指出：随着凸模下行，齿坯整体温度增高，其中齿形部位温度改变最明显；且齿顶处的温度最高，很有可能产生应力集中，尽量采取措施对齿顶局部进行冷却。
虽然国内外学者从数值模拟与实验研究两个方面针对直齿轮精密锻造工艺降低锻模载荷冲击与提高型腔充填率等进行了多项研究，仍因变形抗力较大而导致模具易损坏、因弹性变形降低齿面精度、难以脱模等诸多问题，使得该项技术难以满足生产要求。