一種直/斜齒柱形齒輪精密成形方法

2023-07-01 10:18:06 2

專利名稱：一種直/斜齒柱形齒輪精密成形方法
技術領域：
本發明屬於金屬塑性成形工藝技術領域，主要應用於機械零件製造，涉及齒輪精密成形方法及其模具，特別適用於輪齒截面形狀處處相等的直齒或斜齒柱形(圓柱或非圓柱)齒輪精密成形。
背景技術：
柱形齒輪(以下簡稱齒輪)是一種量大面廣的傳遞力和運動的機械基礎件，一般由輪轂、輪輻和帶齒的輪緣組成，內齒輪則主要由帶齒的輪緣組成。按齒線形狀區分，有直齒輪、斜齒輪、人字齒輪等。 除了直齒薄片(輪緣高度明顯小於徑向尺寸)齒輪可由板料經衝裁獲得外，傳統齒輪製造過程是，先經過鍛造或鑄造得到齒槽填滿餘塊的齒輪坯，然後切削加工(插/刨削、銑削、磨削等)去除餘塊與餘量，得到輪齒。為便於切削加工和得到較好的綜合性能以及較高的硬度，製造過程中還需要熱處理工藝配合。經過鍛造得到的齒輪承載能力較強，是齒輪製造的主流。傳統主流方法存在以下缺點1)鍛造組織流線被切斷，降低了輪齒的力學性能；2)切削加工佔用設備數量及耗費工時多，工件周轉次數多，生產周期長，效率低；3)材料利用率低，能耗高，製造成本高。為了克服這些缺點，1960年代以來，人們就齒輪(主要是直齒輪)精密成形開展了大量卓有成效的研究與探索，但是，除模數較小、徑向尺寸較小的齒軸外，齒輪精密成形仍未進入產業化應用階段。齒輪精密成形亦稱為齒輪精鍛，需要解決的主要問題是輪齒精密成形，就是通過精密鍛造直接獲得齒面不需或僅需少許精加工即可使用的完整輪齒。按輪齒/齒槽成形途徑差異，現有齒輪(以直齒圓柱齒輪為例)輪齒精密成形主要有三種類型。各類成形途徑中，坯料軸線一般應與模腔軸線重合，成形時沿軸向施加作用力。第一類是全隆埂途徑。閉式模鍛是被研究較透徹的輪齒精密成形方法。一般選用直徑略小於齒根圓的圓柱形坯料，輪齒全部由齒根部隆起獲得，故稱為全隆埂途徑。全隆埂途徑又可細分為一步法和兩步法。(I) 一步法的變形過程是，坯料被軸向鐓壓，徑向尺寸發生不均勻增大，填充模腔。一步法工步數少，設備動作簡單，但下端齒頂部(模腔下角隅)填充困難，即使施加極大的作用力，該部位填充效果仍不理想。同時，模具服役條件惡化，工件脫模困難。主要原因是該部位模腔相對寬度小，金屬流動行程長，需克服四面摩擦阻力(其餘部位摩擦阻力較小或呈積極摩擦效果)；若為熱鍛，金屬流動到此會降溫，流動性變差。一步法難於實際應用。(2)兩步法即兩次閉式模鍛，變形過程是，在同一(或同樣的)凹模腔內，先用預成形凸模鐓壓坯料，獲得工序件；再用終成形凸模鐓壓工序件，完成成形。預、終成形凸模的差別體現在子午面上，軸向投影圖沒有差別。兩步法可降低成形力，改善填充效果和模具服役條件。但是，工件的輪齒部分兩次接觸同樣的凹模腔，不合理；工件脫模困難的問題依然存在，這是全隆埂途徑共同的缺點。還有一種採用兩副模具兩次閉式模鍛的方法。第一步，坯料在側壁凹凸幅度稍大於目標值一半的預成形模腔內被軸向鐓壓，獲得以齒根圓為基準的「半隆埂」工序件(軸向預留必要尺寸)；第二步，將工序件置於終成形模腔內，軸向被再次鐓壓，藉助於「徑向剛性平移流動模式」假設，即期望輪齒充滿之前，模腔側壁的輪齒嚙合面與金屬不接觸，消除或減小外摩擦來實現輪齒的最終成形。因與最小阻力定律不符而未能實現角隅充滿。改善全隆埂途徑的措施還有浮動凹模成形、閉塞模鍛、分流成形等。這些方法能在一定範圍內改善填充效果，降低成形力；但存在模具結構複雜，所需設備動作複雜等不足，實際應用受到了局限。其中，分流成形還在工件上附加了多餘體積，需要後續切削加工去除，既浪費材料，又降低了生產效率，相當程度上抵消了精密成形的優勢。

總之，全隆埂途徑存在諸多嚴重的工藝局限性。第二類是全開槽途徑。正擠壓是另一種被研究相當透徹的輪齒精密成形方法。須將直徑約等於齒頂圓的圓柱形坯料上位於齒槽空間的金屬全部轉移出去，才能獲得輪齒，故稱為全開槽途徑。正擠壓可一步完成輪齒成形，但先出來的端面平面度差，後端需留有不能通過模具型孔的臺階；同時，所需成形力大，坯料與模具接觸時間長，模具服役條件惡劣。一般認為，正擠壓適用於徑向尺寸較小、模數較小的柱形齒輪，特別是柱面帶齒的長軸(包括花鍵軸)成形。該方法已經獲得了相當範圍的應用。如公開號為CN1868633A的中國專利申請「一種直齒圓柱齒輪的成形方法」屬於這種類型。第三類是「開放隆埂-擴槽」途徑。1990年代以來，一種稱為「推過」的輪齒精密成形方法見諸報導。所謂推過是指凸模推動置於凹模上的坯料或中間工序件穿過帶齒廓的凹模而成形，其過程與常規開式模鍛後的切除飛邊類似。「推過」方法有一步法和多步法兩種類型。(I) 一步法，即直接將直徑大於分度圓、小於齒頂圓的圓柱坯料(一般要求坯料橫斷面面積等於齒輪軸向投影面積)推過凹模。採用的凹模與齒槽對應處無劈刃，不利於金屬朝預定方向流動；採用的凸模無齒形，不能進入凹模終成形段，需要後一個工件推動前一個工件才能完成成形。研究表明，對於較大模數的輪齒，即使在齒槽對應處設置劈刃，變形過程中，齒槽的槽口隆起較高，而齒頂中部隆起較低，結果在齒頂中部形成匯流摺疊；同時，起始端邊緣塌角嚴重。如公開號為CN1544175A的中國專利申請「直齒圓柱齒輪擠壓凹模」屬於這種類型。(2)多步法，即先採用閉式模鍛「開放成形」(指凹模的齒根圓不變，齒埂腔適當放寬)，得到齒頂欠充滿、齒寬富餘的第一工序件；再經若干次推過整形，逐步使齒槽擴寬或齒寬變窄，齒頂升高。該方法通過「開放隆埂-擴槽」途徑獲得輪齒。該方法最少需用4種模具，經三大步驟完成。第一步，溫態閉式模鍛(齒廓單邊放大a, a取0. 8^6. 0mm,齒形面積約大5% 40%);第二步，溫態推過整形(齒廓單邊放大
b,b取0. 1 3. 5mm,齒形面積約大5% 30%);第三步,冷態推過整形(齒廓單邊放大c, c取0.(T2. 5mm，齒形面積約大09T20%)。齒廓單邊放大量a > b > c。各整形步驟的變形量不能過大，對於模數較大的齒輪，每個步驟需用多級尺寸的模具分多次完成。整形過程中，輪緣高度不再發生改變。該途徑存在的不足是1) 「開放成形」削弱了與齒槽對應部位凹模的強度，且脫模困難；2)整形易引起邊緣塌角；3)所需工步數量和模具數量較多，效率低。如公開號為CN1367051A的中國專利申請「齒輪精密塑性成形工藝及其成形模」屬於這種類型。

總之，現有的輪齒精密成形技術存在諸多不足，主要表現為以下幾點
I)全隆埂途徑輪齒角隅填充困難，工件脫模困難。2)浮動凹模成形、閉塞模鍛、分流成形所需模具結構複雜，所需設備動作複雜。3)分流成形的輪齒部分需兩次進入同樣模腔，且存在一定的材料浪費。4)全開槽途徑難於適用於徑向尺寸較大、模數較大的齒輪成形。5)全隆埂途徑和全開槽途徑所需成形力大，模具服役條件惡劣。6)用圓柱坯料直接「推過」會在齒頂形成匯流摺疊，起始端邊緣塌角嚴重。7) 「開放隆埂-擴槽」途徑第一步削弱凹模強度，後續步驟易引起邊緣塌角，且所需工步和模具數量多、效率低。現有技術存在諸多不足的原因主要有1)成形途徑不合理；2)沒有預成形或預成形欠合理；3)終成形凹模形狀不合理。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術存在的不足，提出通過「增徑半隆埂-劈槽」途徑及相應模具，實現直/斜齒齒輪輪齒的精密成形。本發明是通過以下由兩個步驟組成的技術方案實現的(以直齒圓柱齒輪為例)。第一步，將圓柱形坯料(I)閉式模鍛為兩端徑向尺寸和端面形狀存在差異，柱面呈「增徑半隆埂」狀態的預成形件(2);第二步，將預成形件(2)穿過各齒槽對應處設有劈刃的終成形凹模(12)，使輪緣發生劈擠變形，各槽底加深、各埂頂升高，得到齒廓完整的輪齒。(I)本發明將閉式模鍛作為預成形步驟，預成形件(2)的形狀設計考慮了預、終成形的合理分工，具有以下特徵。特徵之一是，為彌補終成形起始段齒頂圓尺寸不足，在子午面上(參見附圖4)，取大端(6)齒頂圓直徑D1 S(D-2b) D (參見附圖4之I側、附圖5)，D為終成形齒頂圓直徑，b為終成形齒槽底寬度。大端(6)齒頂圓直徑D1與小端(7)齒頂圓直徑Dy之間以傾斜角度F1過渡，取匕為2° ^lO0。同時，大端(6)齒根圓直徑D2與小端(7)齒根圓直徑Dtl (SP坯料直徑)(參見附圖4之II側、附圖5)之間以r2過渡，取廠2為1° 7。。這種形狀恰好為預成形件(2)出模提供便利。特徵之二是，為彌補終成形起始端邊緣塌角，在子午面上(參見附圖4)，自內到外漸變增大了大端(6)邊緣軸向尺寸(參見附圖4之I側)。邊緣範圍是指0:至0_2 ( AR+b)之間的環形區域，D1為大端(6)齒頂圓直徑，D-2 (AR+b)為終成形階段不變形區域直徑(D為終成形齒頂圓直徑；AR為終成形齒高；b為終成形齒槽底部寬度，參見附圖5)。取齒頂部軸向增高量AH為(0.4、. 8) AR;在大端(6)，不變形區域與齒頂之間以曲面f過渡，曲面f為錐面或為以錐面為基準向外凸起幅度為(TAH/3的曲面。這種形狀恰好便於保證預成形件(2)大端(6)填充良好。特徵之三是，在軸向投影圖上(參見附圖5)，預成形件小端軸向投影輪廓(9)所包圍的面積等於齒廓(8)所包圍的面積，但預成形件小端軸向投影輪廓(9)凹凸(或彎折)程度減緩，是一種介於平均直徑輪廓(10)和齒廓(8)之間的一種「增徑半隆埂」形狀。所謂「增徑半隆埂」是指相對背景技術中的全隆埂途徑兩步法原有的以齒根圓為基準的「半隆埂」，預成形齒根圓直徑(即坯料直徑Dtl)明顯增大。凹凸幅度尺寸ARy的取值範圍為(0.25、. 75)AR，AR為終成形齒高。預成形件小端軸向投影輪廓(9)為樣條曲線，或為圓弧過渡，凹凸變化應使相對齒廓(8)齒槽多餘面積S2等於相對齒廓(8)齒頂缺少面積S10這種形狀明顯縮短了金屬在預成形階段的徑向流動行程，既可降低成形力，又可確保預成形件的周邊填充良好。更為重要的是，可避免用圓柱坯料直接「推過」成形(較大模數)輪齒存在的齒頂匯 流折置。特徵之四是，大端(6)軸向投影面積大於終成形所需面積，因而增大了預成形件體積，在終成形過程中，這些分布於大端邊緣的多餘體積會逐步向另一端傳遞替換，最終成為廢料(14)，不增加終成形件(齒輪)(13)的體積。這種多餘體積恰好發揮了類似開式模鍛飛邊的工藝補償作用，適應坯料體積波動、模具磨損、加熱損耗等實際生產中必然出現的情況，為穩定大批量生產提供了保障。預成形件主體軸向尺寸H1等於終成形件輪緣高度(參見附圖4、附圖7)。具備這種特定形狀的預成形件，閉式模鍛容易充滿，所需變形力小，脫模容易。同時，為終成形提供了工藝補償體積。預成形凸模(3)的工作部分呈中央凸起狀，和預成形凹模(4)的積極摩擦配合，可保證閉式模鍛過程中大端(6 )填充良好。預成形所用的模具結構設計與一般閉式模鍛相同。為提高承載能力，凹模須採用組合結構，即外圍用預應力圈箍住。(2)本發明將推過作為終成形步驟。終成形凹模(12)與齒槽對應部位稱為劈楔，數量與輪齒數相等。終成形凹模(12)具有以下特徵。特徵之一是，每個劈楔頭部為尖劈狀，有一條劈刃(16)和兩個工作面(17)，每條劈刃(16)由兩個工作面(17)交會而成，工作面可以是較容易製造的平面或類似流線型的微凸曲面。相鄰劈楔之間需要過渡面(18)(參見附圖8、附圖10)，以避免應力集中，相向兩工作面之間倒圓角即獲得過渡面(18)。特徵之二是，工作面(17)的法線相對於軸向、徑向、切向三個方向均呈傾斜狀態，工作面夾角o'0範圍為30° 100° (參見附圖9)，劈刃傾角盧範圍為20° 75° (參見附圖7)。特徵之三是，劈楔頭部有寬度為h的工作帶，h取0.5 8. Omm (參見附圖7、附圖10)。終成形凹模內這種構造的劈楔既有利於金屬向預定方向流動，又降低了成形力。終成形凹模(12)的軸向投影輪廓就是齒輪的軸向投影輪廓(工作部位參見附圖
8)。為提高承載能力，凹模須採用組合結構，即外圍用預應力圈箍住。終成形凸模(11)的軸向投影輪廓也是齒輪的軸向投影輪廓，但周向需略減小，做出與終成形凹模(12)之間的間隙，間隙取0. ro. 5mm;子午面輪廓隨齒輪是否有輪輻-輪轂而定。終成形過程中，終成形凸模(11)主要起傳力作用。終成形模具在相當程度上與常規開式模鍛切邊模類似，終成形凸模(11)幾乎與切邊凸模一樣。相對於預成形方位，終成形須將預成形件(2)倒置，即大端(6)朝下，放在終成形凹模(12)上；終成形凸模(11)下行，推動預成形件(2)穿過終成形凹模(12)。就每個齒槽來說，該步驟發生劈擠變形，可簡稱為「劈槽」。本發明所述的「劈槽」是指尖頭劈楔沿軸向劈入預成形件(2)的齒槽部位，其變形過程為，成形初期，劈刃(16)(參見附圖8、附圖9、附圖10)首先將起始端齒槽底部進行劈分，繼而因工作面(17)傾斜和摩擦作用，將起始端(6)恢復為平面(近似)，因工作面(17)尚未全面接觸坯料，故齒頂隆起不明顯；此階段，由於終成形起始端(原預成形大端)(6)為自 由表面，因內部應力作用，會在齒槽底附近形成高度不大的凸起(15)(參見附圖7和附圖13)。爾後，逐步進入穩態成形階段，工作面(17)迫使相對齒廓(8)齒槽多餘面積S2向齒根轉移(參見附圖5中v2)，齒根向心方向阻力很大，受最小阻力定律支配，驅使半隆埂的齒頂發生離心方向運動，向相對齒廓(8)齒頂缺少面積S1轉移(參見附圖5中V1),實現齒頂增高。從槽的角度看，凹槽底部金屬受到切向分力的作用而向槽兩側流動，槽被加深；從埂(輪齒)的角度看，金屬受到兩側切向分力的作用而隆起，獲得齒廓完整的輪齒。該過程中金屬發生連續局部變形。因工作面(17)傾斜和摩擦作用，「劈槽」過程中，一方面，金屬會沿軸向發生不均勻位移，即預成形件特徵之四所說的大端邊緣多餘體積會發生傳遞替換。因而，預成形件大端徑向尺寸在給定範圍內增大才能保證起始端(6)終成形效果。另一方面，劈楔前方會出現少量材料堆積。這種位移與堆積，又恰好能彌補閉式模鍛小端角隅容易欠充滿的不足。成形後期，一般會有少量前方堆積成為廢料(14)，在終成形凸模(11)和終成形凹模(12)的剪切作用下，與終成形件(齒輪)(13)分離。變形結束，終成形件(齒輪)(13)已離開終成形凹模(12)。在終成形結束端(原預成形小端)(7)，一般會沿齒廓(8)殘留毛刺
(19)(參見附圖14)。至於工件成形溫度，主要按模具強度和成形力大小而定。在現有條件下，鋼質件一般宜熱態或溫態成形。 工件精度由模具製造精度和成形溫度變化幅度決定。生產過程中，模具工作部位可適當塗抹具有冷卻和潤滑作用的流體物質。本發明可用於斜齒輪(分度圓柱螺旋角為8° ^20° )精密成形(參見附圖15和附圖16)。凹模與凸模相對軸向運動時，附加相應的繞軸線旋轉運動即可。本發明的有益效果
就預成形來說，預成形凹模(4)模腔側壁凹凸(或彎折)程度較緩，預成形凸模(3)中部高、外圍低，這種構造使得閉式模鍛時金屬在模具內容易填充，且所需成形力較小；同時，預成形凹模(4)模腔側壁相對於預成形凸模(3)的運動方向傾斜，便於預成形件(2)脫模。所需頂出動作在一般鍛壓設備(如機械壓力機、螺旋壓力機、鍛錘等)上均容易實現。就終成形來說，終成形凹模(12)上與輪齒對應部位採用了劈刃(16)和傾斜工作面(17)，既有利於金屬向預定方向流動，又降低了成形力。終成形的變形主要發生在距齒槽底部約與齒槽底部寬度b相當的淺層和輪齒區域，且為連續局部成形，不是整體填充成形，所需成形力較小。輪齒-齒槽的成形不用藉助輪輻或輪轂孔成形時的徑向力。這就為大模數、較多齒數(齒頂圓直徑較大)齒輪的精密成形提供了可能。終成形模具結構簡單，一定程度上相當於常規開式模鍛的切邊模，使用常規設備(如機械壓力機等)即可。由於承受變形力小，模具服役條件較好，壽命長。終成形件(齒輪)(13)完成變形即離開模具，不存在脫模問題。本發明在稍有廢料損失的前提下，解決了傳統齒輪精密成形存在的輪齒填充欠飽滿，脫模困難，模具結構複雜而服役條件惡劣，對設備動作要求複雜等一系列問題。而且，這種廢料(多餘體積)恰好發揮了類似開式模鍛飛邊的工藝補償作用，能適應坯料體積波動、模具磨損、加熱損耗等實際生產中必然出現的情況，為穩定大批量生產提供了保障。所謂稍有廢料損失是指本發明提出的方法損失的廢料量僅約為常規開式模鍛飛邊的1/3或更少， 對經濟性影響很小。總之，本發明對工藝條件要求低，適應性廣。可以設想，將本發明提出的成形方法和模具用於連續鐓鍛機或組織生產線可以獲得很高的生產效率。


附圖I為坯料I的形狀。其中，Dtl為坯料直徑為坯料高度。附圖2為預成形過程模具閉合狀態主剖面圖。其中，I為坯料(輪廓);2為預成形件；3為預成形凸模；4為預成形凹模；5為頂件塊。附圖3為預成形凹模4的俯視圖(工作部分局部視圖)。其中，I為坯料(輪廓)；4為預成形凹模。附圖4為預成形件2的子午面圖。其中，I為過齒頂的子午面；II為過齒槽底的子午面。I為坯料(輪廓);2為預成形件；6為大端(也是終成形起始端);7為小端(也是終成形結束端)辦為大端齒頂圓直徑；D2為大端齒根圓直徑；D_2 ( AR+b)為終成形階段不變形區域直徑(D為終成形齒頂直徑；AR為終成形齒高；b為終成形齒槽底部寬度);Dy為小端齒頂圓直徑為小端齒根圓直徑(也是坯料直徑)為預成形件主體軸向尺寸(等於終成形輪緣高度)；AH為齒頂部增加的軸向尺寸；f 為終成形階段不變形區域端面與齒頂部增加的軸向尺寸AH之間的過渡曲面；F1為大端齒頂圓直徑D1與小端齒頂圓直徑Dy之間的過渡斜角；r 2為大端齒根圓直徑D2與小端齒根圓直徑Dtl (也是坯料直徑)之間的過渡斜角鞏為坯料高度。B-B剖面的局部放大圖即為附圖5。附圖5為預成形件2小端的橫斷面圖(附圖4中B-B剖面的局部放大)。其中，8為齒廓；9為預成形件小端軸向投影輪廓；10為平均直徑輪廓；D為終成形齒頂圓直徑；AR為終成形齒高；b為終成形齒槽底部寬度！Dtl為還料直徑(也是預成形件小端齒根圓直徑)；A Ry為「增徑半隆埂」高度；Dy為預成形件小端齒頂圓直徑；Sl為相對齒廓8齒頂缺少的面積；s2為相對齒廓8齒槽多餘的面積為預成形齒頂金屬向終成形齒頂轉移方向；v2為預成形齒槽金屬向終成形齒根轉移方向。附圖6為預成形模具三維造型圖。其中，3為預成形凸模；4為預成形凹模；5為頂件塊。附圖7為終成形過程及其模具主剖面圖。其中，左側為起始狀態，右側為結束狀態；11為終成形凸模；2為預成形件(已倒置);7為終成形結束端(也是預成形小端);12為終成形凹模；13為終成形件(齒輪)；14為廢料；15為凸起'J3為尖頭劈楔的劈刃傾角；h為劈楔頭部工作帶寬度訊為終成形件輪緣高度(等於預成形件主體軸向尺寸)。K向(局部)視圖即為附圖9。附圖8為終成形凹模12的俯視圖(工作部分局部視圖)。其中，16為劈刃(數量等於齒輪的齒數)；17為工作面，每個劈楔有兩個工作面；18為相向工作面(或相鄰劈楔)之間的過渡面。附圖9為附圖7的K向(局部)視圖。其中，為尖頭劈楔的工作面夾角。 附圖10為終成形凹模12兩個劈楔的三維造型圖。其中，16為劈刃；17為工作面；18為相鄰劈楔之間的過渡面；h為劈楔頭部工作帶寬度。附圖11為預成形件2的照片，材料為工業純鉛。6為大端(也是終成形起始端)，f為終成形階段不變形區域與齒頂部增加的軸向尺寸AH之間的過渡曲面。附圖12為廢料14的照片，材料為工業純鉛。附圖13為終成形件(齒輪)13 (材料為工業純鉛)的一種視角照片。6為終成形起始端(也是預成形大端)，是先離開凹模的端面，15為凸起，位於齒槽底附近。附圖14為終成形件(齒輪)13 (材料為工業純鉛)的另一種視角照片。7為終成形結束端(也是預成形小端)，是後離開凹模的端面，19為毛刺，沿齒廓8分布。附圖15為按本發明方法成形斜齒圓柱齒輪(齒數Z=12，模數m=4，輪緣高度為30_，分度圓柱螺旋角為12° )的終成形數值模擬過程中某瞬間的效果圖。附圖16為按本發明方法成形斜齒圓柱齒輪(齒數Z=12，模數m=4，輪緣高度為30_，分度圓柱螺旋角為12° )的終成形數值模擬完成效果圖。
具體實施例方式本發明的齒輪精密成形模具有閉式模鍛預成形模具、推過終成形模具兩種。(I)預成形模具實施例見附圖2、附圖3、附圖6，預成形模具工作部分由預成形凹模4、預成形凸模3、頂件塊5組成。預成形凹模腔側壁輪廓為「增徑半隆埂」狀，軸向投影圖和子午面尺寸參見附圖3、附圖4、附圖5、附圖6，為提高承載能力，凹模須採用組合結構，即外圍用預應力圈箍住；預成形凸模3工作端子午面形狀按預成形件2大端形狀製造，軸向投影亦按預成形件2製造；頂件塊5軸向投影輪廓按預成形件小端軸向投影輪廓9製造。(2)終成形模具實施例見附圖7、附圖8、附圖9、附圖10，終成形模具工作部分由終成形凹模12和終成形凸模11組成。終成形凹模腔軸向投影圖為齒廓8，上端有數量與齒數相等的劈楔，劈楔頭部有劈刃16和工作面17，工作面為平面，工作面夾角Ctl取60°，劈刃傾角盧取60°，工作帶寬度h取3mm。為提高承載能力，凹模須採用組合結構，即外圍採用預應力圈箍住。終成形凸模11軸向投影輪廓按齒廓8製造，但周向略減小，與終成形凹模12之間的間隙取0. 2 mm ;與工件接觸端取平面。模具材料與熱處理要求參見本專業有關手冊。以某直齒圓柱齒輪(齒數Z=12，模數m=4，輪緣高度為30mm)的精密成形過程為例，闡述本發明用於輪齒精密成形的具體實施步驟。I)坯料規格選擇坯料直徑大於終成形齒根圓直徑，但應略小於預成形齒根圓直徑，以坯料加熱後能放入預成形凹模膛中為宜，以便準確定位，若坯料直徑偏小，宜增加(閉式)鐓粗工步。2)下料坯料尺寸(參見附圖I)按體積不變原則確定，注意增加廢料損失及加熱損耗。3)坯料加熱在感應圈或其它加熱設備上將坯料加熱到鍛造溫度。4)閉式模鍛預成形(參見附圖2、附圖3、附圖6):工作前，需對模具進行合理預熱，然後，將已加熱的坯料I立置於預成形凹模4的模膛中，預成形凸模3下壓，坯料發生變形，軸向高度減小，徑向不均勻增大，成為「增徑半隆埂」預成形件2 (參見附圖4、附圖5、附圖
11)，預成形凸模3上行後，頂件塊5將預成形件2頂出。5)推過終成形(參見附圖7、附圖8、附圖9、附圖10):將熱態(趁餘熱，若已降溫，須另行加熱到鍛造溫度)預成形件2倒置(相對於預成形時的方位，即大端6朝下)於終成形凹模12上，並注意保證同軸度；終成形凸模11下行，推動預成形件2相對於終成形凹模12運動，各劈刃16首先將各齒槽底部進行劈分，繼而工作面17迫使相對齒廓8齒槽多餘的面積S2向齒根轉移(參見附圖5中v2)，齒根向心方向阻力很大，受最小阻力定律支配，驅使半隆埂的齒頂發生離心方向運動，向相對齒廓8齒頂缺少的面積S1轉移(參見附圖5中Vl)，實現齒頂增高。隨著終成形凸模11下行，工件發生連續局部變形，終成形得以逐步完成。除了在終成形起始端6的齒槽底附近會形成高度不大的凸起15外，因工作面17傾斜和摩擦作用，金屬會沿軸向發生不均勻位移，劈楔前方會出現少量材料堆積。末了階段，終成形凸模11推動終成形件(齒輪)13穿過終成形凹模12，在終成形凸模11與終成形凹模12的剪切作用下，廢料14與終成形件(齒輪)13分離，終成形件(齒輪)13落下，離開終成形凹模12 ;廢料14留在終成形凹模12上；終成形凸模11上行，取出廢料14。若廢料14箍在終成形凸模11上，則應採用某種卸料裝置。需要說明的是，上段所描述的是「劈槽」中後期(穩態變形)的狀況。因工作面17傾斜和摩擦作用，「劈槽」過程中，金屬會沿軸向發生不均勻位移，即預成形件大端邊緣多餘體積會發生傳遞替換，因而，預成形件大端徑向尺寸在給定範圍內增大才能保證起始端終成形效果。生產過程中，模具工作部位可適當塗抹具有冷卻和潤滑作用的流體物質。以上描述的是一個工作循環，完成一件齒輪的精密成形。後續工序如鍛件冷卻、熱處理、表面清理、去毛刺等與一般鍛件生產工序類似。
權利要求
1.ー種直/斜齒柱形齒輪精密成形方法，其特徵是由兩個步驟實現第一歩，將圓柱形坯料(I)閉式模鍛為預成形件(2);第二步，按大端至小端的順序將預成形件(2)穿過終成形凹模(12)，使輪緣發生劈擠變形，各槽底加深、各埂頂升高，得到齒廓完整的輪齒； 預成形模具按預成形件(2)形狀製造，所述的預成形件(2)具有如下結構 在預成形件(2)的子午面上，取大端(6)齒頂圓直徑D為終成形齒頂圓直徑，b為終成形齒槽底部寬度；大端(6)齒頂圓直徑D1與小端(7)齒頂圓直徑Dy之間以傾斜角度F1過渡，取F1為2° 10° ;同時，大端(6)齒根圓直徑D2與小端(7)齒根圓直徑Dtl之間以廠2過渡，取廠2為1° 7° ； 在預成形件(2)的子午面上，自內到外漸變增大大端(6)邊緣軸向尺寸，所述的邊緣是指D1至D-2 ( AR+b)之間的環形區域，D1為大端(6)齒頂圓直徑，D-2 (AR+b)為終成形階段不變形區域直徑，其中，D為終成形齒頂圓直徑，AR為終成形齒高，b為終成形齒槽底部寬度；並取齒頂部軸向增高量AH為(0.4、. 8) AR;在大端(6)終成形階段不變形區域與齒頂之間以曲面f過渡，曲面f為錐面或為以錐面為基準向外凸起幅度為(T A H/3的曲面；在軸向投影圖上，預成形件(2)小端軸向投影輪廓(9)所包圍的面積等於齒廓(8)所包圍的面積；預成形件(2)小端軸向投影輪廓(9)凹凸幅度尺寸ARy的取值範圍為(0. 25、. 75) AR, AR為終成形齒高；預成形件(2)小端軸向投影輪廓(9)為樣條曲線或為圓弧過渡,並使相對齒廓(8)齒槽多餘面積S2等於相對齒廓(8)齒頂缺少面積S1 ； 大端(6)軸向投影面積大於終成形所需面積； 預成形件(2)主體軸向尺寸H1等於終成形件輪緣高度； 所述的終成形凹模(12)具有如下結構 終成形凹模(12)與齒槽對應部位劈楔的數量與輪齒數相等； 每個劈楔頭部為尖劈狀，有一條劈刃(16)和兩個工作面(17)，每條劈刃(16)由兩個エ作面(17)交會而成，工作面為平面或微凸曲面； 工作面(17)的法線相對於軸向、徑向、切向三個方向均呈傾斜狀態，工作面夾角範圍為30° 100°，劈刃傾角ガ範圍為20° 75° ； 劈楔頭部有寬度為h的工作帯，h取0. 5^8. Omm ； 終成形凹模(12)與終成形凸模(11)之間的間隙取0. ro. 5mm。
全文摘要
一種直/斜齒柱形齒輪精密成形方法，其特徵是通過「增徑半隆埂-劈槽」途徑，由兩個步驟實現第一步將圓柱形坯料閉式模鍛為一端徑向尺寸較大、截面面積較大、邊緣軸向尺寸較大，另一端截面面積與所需值相等，但徑向尺寸稍小，兩端之間以斜角過渡，柱面呈「增徑半隆埂」狀態的預成形件；第二步，按大端至小端的順序將預成形件穿過各齒槽對應處設有劈楔的終成形凹模，劈楔的劈刃和工作面均呈傾斜狀態，使輪緣發生劈擠變形，各槽底加深、各埂頂升高，得到齒廓完整的輪齒。本發明獲得的輪齒/齒槽清晰飽滿，所需成形力較小，設備動作簡單，模具結構不複雜，工件容易脫模，對工藝條件要求低，適應性廣。
文檔編號B21D28/02GK102764847SQ20121023982
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月12日 優先權日2012年7月12日
發明者張如華, 熊峰, 王師, 祝嶽峰, 符輝, 艾凡榮 申請人:南昌大學