齿轮传动是机械传动系统中应用最为广泛的传动机构,直齿圆柱齿轮作为齿轮传动机构中最为典型的齿轮零件,其加工方式为传统的机械加工,存在材料利用率低、能量消耗高和生产效率低等问题。尤其是金属材料的纤维流线被切断,限制了金属材料性能的发挥,不利于齿轮零件综合机械性能的提升和结构轻量化。我国齿轮产业的规模已位居全球首位,但是仍处于大而不强的发展层面。随着能源危机和环境问题的日益加剧,齿轮制造业对于可持续发展的需要日益突出。对于直齿圆柱齿轮的制造,寻求一种更加经济、环保、高效的绿色加工技术显得尤为迫切。齿轮零件精密塑性成形技术的开发不仅是齿轮工业发展的需求,而且贯穿于金属材料精密塑性成形技术的发展。尤其是直齿圆柱齿轮的精密塑性成形是塑性成形领域应用研究的热点问题,同时也是难点问题。本文首先总结了国内外直齿圆柱齿轮精密塑性成形技术的发展历程和研究现状,阐述了闭式锻造成形、开式挤压成形和轧制成形在直齿圆柱齿轮加工领域的应用,以及各成形工艺的特点。在现有直齿圆柱齿轮挤压成形技术研究成果的基础上,对直齿圆柱齿轮的开式温挤压成形技术进行了系统的研究,致力于开发一种经济、环保、高效,且具有良好可行性的直齿圆柱齿轮精密塑性成形技术。本课题选用20Cr₂Ni₄A合金钢为试验材料,通过等温压缩试验研究了20Cr₂Ni₄A合金钢的温热变形行为,分别采用表征参数和物理基参数构建了20Cr₂Ni₄A合金钢的Arrhenius型本构模型,为本课题的研究提供了材料学依据,对直齿圆柱齿轮开式温挤压成形工艺方案的制定和工艺参数的优化具有积极的指导作用。此外,还构建了20Cr₂Ni₄A合金钢的动态再结晶模型,丰富了20Cr₂Ni₄A合金钢材料特性的研究。针对直齿圆柱齿轮的结构特征,设计了开式温挤压成形工艺的凸模、凹模和坯料结构,分析了直齿圆柱齿轮开式温挤压成形的工艺原理。基于商业有限元模拟软件DEFORM-3D,建立了直齿圆柱齿轮开式温挤压成形的仿真模型。采用正交试验和单因素循环试验相结合的设计方法,通过数值模拟深入研究了润滑条件、凹模入模角、坯料尺寸、挤压速度和成形温度对直齿圆柱齿轮开式温挤压成形的影响。探知直齿圆柱齿轮开式温挤压成形过程包括轮齿分度、轮齿成形和整形脱模三个阶段,润滑条件、凹模入模角和坯料尺寸是影响成形质量的三个关键因素。根据直齿圆柱齿轮开式温挤压成形工艺的需求,设计了试验系统,包括成形设备、加热设备和试验模具。为了满足温挤压成形对挤压速度的要求,成形设备是在通用315T液压机的基础上改造而成的,在直齿圆柱齿轮开式温挤压成形所需的载荷条件下,改造后的液压机滑块的工作速度达到了试验的要求。通过初步的试验研究发现,由于缺乏适用于温挤压成形的润滑剂,且受直齿圆柱齿轮复杂结构和开式挤压成形工艺特点的制约,难以达到理想的润滑条件,如何实现欠润滑条件下直齿圆柱齿轮的温挤压成形成为一个重要的问题。通过缺陷成因分析,探知导致开式温挤压成形的齿坯产生欠充形段缺陷的根本原因是挤压成形过程速度场失衡,而润滑条件和凹模结构是两个关键因素。实际生产中达到直齿圆柱齿轮开式温挤压成形所需的润滑条件是困难且高成本的。为了在欠润滑条件下实现直齿圆柱齿轮的温挤压成形,采用响应曲面法对凹模结构进行了优化设计。采用完全二阶函数模型分别建立了欠充形段高度和轮齿充形的响应曲面函数模型,实现了对欠充形段高度和轮齿充形的定量分析,达到了控制欠充形段高度和改善轮齿充形的目的。在对直齿圆柱齿轮开式温挤压成形工艺深入研究的基础上,为了减小温挤压成形齿坯的加工余量,提出了直齿圆柱齿轮变轮廓两步法温挤压成形工艺。该工艺包括预挤压成形和终挤压整形两道工序,通过数值模拟对轮廓变化量这一关键工艺参数进行了定量分析,并进行了物理试验验证,最后设计了适用于连续生产的模具。