汽車變速器齒圈輾壓制坯法的製作方法

2023-05-29 22:20:46

專利名稱：汽車變速器齒圈輾壓制坯法的製作方法
技術領域：
本發明屬於汽車變速器技術領域，具體地講，是一種汽車變速器齒圈的輾壓制坯法。
背景技術：
我國汽車變速器齒圈坯件至今都是用傳統的鍛造壓制方法將圓鋼坯經下料、加熱、墩坯、壓制、衝連皮等工序製成。由於齒圈坯件具有壓制平面面積大，平面部分較薄，而且帶有較高較薄的楞環，各部分外形尺寸要求精確，封閉壓制時的鍛壓力很大，必須採用很大噸位的壓力機才能壓製成型，所以配置使用設備大，設備能耗高。由於齒圈內孔直徑較大，所以鍛壓成型後衝孔去掉的連皮重量大，材料消耗高。汽車變速器同步滑套輾壓制坯法採用的輾擴成型加工方法，僅限於製造類似同步滑套坯件的對稱圓環件毛坯，如果將汽車變速器齒圈這種非對稱圓環件毛坯採用汽車變速器同步滑套輾壓制坯法進行壓制，則在制坯工序制坯時，無法壓製出滿足在輾環機進行輾壓時對齒圈坯件部分的預成型尺寸而簡單地在制坯時將坯件壓製成一個直筒圓環，由於齒圈坯件成品各部分寬窄比、厚薄比差異很大，用直筒圓環坯料進行輾壓時各部分的變形差 (變形差=輾擴前對應位置處的外徑與內徑的差值-輾擴後對應位置處的外徑與內徑的差值)相差非常大，當內、外徑相差很大(即坯件很厚)的部分已經壓制達到成品尺寸外形要求時，內外徑相差很小(即坯件很薄)的部分根本無法達到滿足成品要求的外型尺寸。由於無法在制坯時預先對齒圈又厚又窄的部分進行預成型，所以在輾壓時坯料金屬流動性差、形變阻力大等影響，很難擠壓進輾輪型腔內又深又窄的槽內形成滿足成品外形尺寸要求的坯件。如果其採用汽車變速器同步滑套輾壓制坯法進行雙件對稱壓制，再將其分割成雙件時必然造成材料浪費。

發明內容
本發明的目的是通過輾擴成型加工方法製造出汽車變速器齒圈這種非對稱圓環件毛坯，最大限度地降低生產能源消耗，降低材料消耗，減少後續機加工量，同時提高坯件的綜合機械性能。為解決以上技術問題，本發明提供的汽車變速器齒圈輾壓制坯法，包括以下步驟
一種汽車變速器齒圈輾壓制坯法，包括以下步驟
a)下料依據成品齒圈坯件的尺寸計算其淨重量，在該淨重量的基礎上考慮火耗和衝孔連皮消耗，確定下料重量，在滿足下料長度/圓鋼直徑<2. 5的條件下，確定圓鋼直徑和下料長度，將圓鋼剪裁成所需長度的坯料；
b)加熱將剪好的坯料送入加熱爐中加熱至1160 1200°C；
c)鐓粗將加熱至1160 1200°C的坯料送至墩粗模具(1)中，並用相應噸位的鍛壓設備中進行墩粗，鐓粗後的坯料高度為鐓粗前的0. 2 0. 6倍；
4d)預成型及衝盲孔在將鐓粗後的坯件放入鍛壓設備的預成型模具(2)中，衝壓成帶盲孔的預製坯料；
e)衝連皮及壓端面在用鍛壓設備衝掉連皮的同時將坯料鍛壓成兩端面平整的坯料並考慮金屬材料的熱膨脹係數；
f)輾擴成型將1050°C左右的坯料套入輾擴成型模具中進行輾壓，輾擴成型完成時坯件的終軋溫度彡830 0C ；
g)整形將輾製成型後的坯件用相應的整形模具在鍛壓設備上進行整形；
h)正火將整形後的坯件放入正火爐中按正火工藝進行正火，消除金屬變形應力；
i)拋丸消除坯件表面的氧化鐵； 關鍵在於
所述步驟c中的墩粗模具(1)包括墩粗上模(Ia)和墩粗下模(Ib)，所述墩粗下模 (Ib)為平板且其中心開有上大下小的錐形孔，所述墩粗上模(Ia)也為平板；
所述步驟d中的預成型模具(2)包括衝頭(2a)、壓板(2b)、下模(2c)和退料衝(2d)，所述衝頭(2a)帶有錐度角δ為0 5°，所述壓板(2b)套裝在衝頭(2a)上，所述下模(2c) 的中心開有上大下小的T形階梯孔，所述T形階梯孔的臺階面寬度為Li，所述退料衝(2d) 為圓柱形，所述下模(2c)套裝在退料衝(2d)上，所述下模(2c)帶有脫模角λ為0 3° ； 所述步驟f中的輾擴成型模具包括輾輪(3)、輾軸(4)和頂輪(9)； 所述輾輪(3)為帶有同軸內孔的圓柱體，在輾輪(3)的左端面上有一圓柱形的定位槽 (3a)，該定位槽(3a)與輾輪(3)同軸且直徑大於輾輪(3)的內孔直徑，所述輾輪(3)左端的外圓環直徑小於或等於右端的外圓環直徑且左、右兩端與輾輪(3)的軸線平行，所述輾輪(3)左、右兩端之間的外圓環上設置有環向凹槽(3b)，其軸向截面形狀為所述環向凹槽 (3b)底面為水平面，該環向凹槽(3b)的左側依次通過三個相連的左傾斜面I、II、III(3C、 3d、3e)與所述輾輪(3)左端相連，所述三個左傾斜面I、II、III(3C、3d、3e)的傾斜方向一致，該環向凹槽(3b )的右側通過一個右傾斜面(3f)與所述輾輪(3 )右端相連，所述右傾斜面(3f)與三個左傾斜面I、II、III(3C、3d、3e)的傾斜方向相反，所述環向凹槽(3b)的寬度隨環向凹槽(3b)深度的增加逐漸減小；所述左傾斜面I、III(3c、;3e)和右傾斜面(3f)與輾輪(3)左端面的夾角為α，且0 < α彡15°，所述左傾斜面II (3d)與輾輪(3)軸線的夾角為β，且0 < β彡20° ；
所述輾軸(4)從左到右依次由同軸線的圓錐體(4a)、工作圓柱體(4b)和支撐圓柱體 (4c)組成，所述圓錐體(4a)左端直徑小於右端直徑，所述支撐圓柱體(4c)的直徑小於所述工作圓柱體(4b)的直徑，所述圓錐體(4a)的左端開有螺紋連接孔(4d)；
所述頂輪(9)為帶有同軸內孔的圓柱體，在頂輪(9)上設置有環向凸臺，所述環向凸臺由左端面(9a)、上平面(9b)和右端面(9c)圍成，其軸向截面形狀為該環向凸臺的左端面(9a)與頂輪(9)的左端面重合，該環向凸臺的上平面(9b)與頂輪(9)軸線的夾角為β，且0彡β彡20° °，該環向凸臺的右端面(9c)與頂輪(9)左端面的夾角為α，且 α <15°，所述右端面(9c)的大直徑端與小直徑端的半徑差為L3; 所述輾輪(3)左傾斜面I (3c)左、右兩端的深度差Ll小於所述預成型模具(2)中下模 (2c)T形階梯孔的臺階面寬度L2，所述輾輪(3)左平面I (3c)左、右兩端的深度差Ll等於所述頂輪(9)環向凸臺右端面(9c)的大直徑端與小直徑端的半徑差L3，所述輾輪(3)、輾軸(4)和頂輪(9)的軸線平行，輾輪(3)和輾軸(4)上下布置，所述頂輪(9)安裝在於輾軸(4) 的側下方。本發明以圓鋼為坯件，通過下料、加熱、鐓粗、預成型及衝盲孔、衝連皮及壓端面等一系列工序後進行輾擴成型、整形、正火及拋丸。所述輾擴成型的工作原理與傳統的輾擴成型原理相同，由輾輪、輾軸和頂輪組成的輾擴成型模具進行。本發明的技術難點是解決非對稱圓環件的輾擴難題，本發明採用的基本方法就是在預成型完成時，預成型模具所形成的型腔斷面與汽車變速器齒圈毛坯所對應的不同內、 外徑的圓環內腔大致相同；在輾擴成型完成時輾輪和輾軸所形成的型腔斷面與汽車變速器齒圈毛坯所對應的不同內、外徑的圓環內腔完全相同，輾輪的外圓環、頂輪的外圓環分別與毛坯的外圓環相嚙合；通過控制輾輪左傾斜面I的左、右兩端的深度差Ll小於預成型模具中下模T形階梯孔的臺階面寬度為L2，來實現在輾擴時對輾擴成型中變形差大的部分進行提前輾擴。輾輪左平面I左、右兩端的深度差Ll等於頂輪環向凸臺右端面的大直徑端與小直徑端的半徑差L3，L1和L3均由成品毛坯件決定。墩粗下模中的錐形孔，預成型模具中衝頭的錐度角δ和下模上設置的λ、輾輪及頂輪中設置的脫模角α，都是為了方便脫模。輾輪中設置的β、頂輪中設置的β對應坯件中的同一角度，設置此角度是為了進一步節約原材料。輾擴過程如下將輾輪和輾軸分別裝在工作架上，將坯件套在所述輾軸的工作圓柱體上，輾輪為主動軸，輾軸活接在工作架上。輾輪下移與坯件接觸，坯件的高度剛好能卡入輾輪的環向凹槽內，輾輪帶動坯件隨輾輪一起轉動。輾輪在不斷輾擴坯件的過程中繼續下移，坯件的高度始終不變，坯件的厚壁逐漸減小，同時坯件的直徑不斷變大。經過輾輪輾壓的坯件曲率偏大，頂輪在坯件輾擴成型完成前對坯件施加推力，有利於坯件外圓環的彎曲變形，使坯件的曲率半徑達到要求。當坯件與預先設置在輾軸周圍的定位輪接觸時(圖中未示出)，停止輾擴成型工序。本發明運用了圓鋼材料的熱鍛性能，通過壓縮、衝孔、延伸、擴展等多種方法，利用預成型模具及輾輪、輾軸的配合非常巧妙地解決了輾制非對稱異形圓環件各部分不同內、 外徑對應的不同變形差在環形輾壓工藝上的難題，具有以下優點
1)輾環制坯衝孔小，衝孔連皮浪費少，擴孔後環件截面尺寸形狀接近於成品，避免了機加帶來的材料損耗，與鍛坯及用鋼管加工而成的坯件相比，材料損耗降低了 15% 30%;
2)由於齒圈外圓直徑大，內孔直徑大，屬壁厚相對較小的薄環件，且帶有壁厚與高度比較小的小圓環，因此封閉鍛壓所需的壓制力很大，所需要的設備噸位比輾擴預成型所需要的設備噸位大幾倍，本發明用較小噸位的設備製成的坯件尺寸達到了用大幾倍噸位的設備製成的坯件尺寸，極大地節約了設備能源消耗和設備投入。3)輾環變形是徑向壓縮，周向延伸，坯件金屬纖維沿圓周連續排列，提高了坯件的內在質量和製造精度，改善了成品零件的熱處理性能、強度和耐磨性，成品使用壽命顯著提
尚ο4)整形完成後，利用鍛造餘熱保溫進行正火處理，僅此一項即可節約能源40%左右，有效降低了製造成本。


圖1是墩粗模具示意圖。圖2是預成型模具示意圖。圖3是輾擴成型設備中輾輪的結構示意圖。圖4是輾擴成型設備中輾軸的結構示意圖。圖5是輾擴成型設備中頂輪的結構示意圖。圖6是輾擴成型設備示意圖。圖7是圖6的右視圖。圖8是本發明的工藝流程圖。圖9是汽車變速器齒圈毛坯圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明
要加工如圖9所示的汽車變速器齒圈毛坯，採用如圖8所示的工藝流程 a)下料依據成品齒圈坯件的尺寸計算其淨重量，在該淨重量的基礎上考慮火耗和衝孔連皮消耗，確定下料重量，在滿足下料長度/圓鋼直徑<2. 5的條件下，確定圓鋼直徑和下料長度，將圓鋼剪切成所需長度的坯料；坯件尺寸是根據汽車變速器齒圈成品尺寸增加加工餘量，因輾擴成型精度高，每個加工端面增加1. 5mm加工餘量就能完全滿足加工要求。若採用原有鍛造制坯一般每個加工面要增加2. 5 5mm的加工餘量。b)加熱將剪好的坯料送入感應電爐中加熱至1160 1200°C左右，火耗按15% ； 也可以送入燃氣爐中加熱火耗相應增3% 4% ；待鍛。c)鐓粗將加熱至1160 1200°C的坯料送至墩粗模具1中，並用相應噸位的鍛壓設備如空氣錘、曲臂壓力機、摩擦壓力機等，鐓成腰鼓形坯件進行墩粗，鐓粗後的坯料高度為鐓粗前的0.2 0.6倍。如圖1所示的墩粗模具1，由墩粗上模Ia和墩粗下模Ib兩個件組成。墩粗上模 Ia為平板；墩粗下模Ib也為平板，在平板的中心開有上大下小的錐形孔。錐形孔的設置是為了方便脫模。d)預成型及衝盲孔在將鐓粗後的坯件放入鍛壓設備的預成型模具中，衝壓成基本充滿預成型模具內腔的帶盲孔的坯料，此道工序的關鍵是設計預成型模具內腔。如圖2 所示的預成型模具，由衝頭2a、壓板2b、下模2c和退料衝2d四個件組成。衝頭加帶有錐度角δ為0 5°，當錐度角δ為0°時，衝頭加為圓柱體，當錐度角δ大於0°時，衝頭加為圓錐體。壓板2b套裝在衝頭加上。下模2c的中心開有上大下小的T形階梯孔，T 形階梯孔的臺階面寬度為L2，L2為臺階面的大直徑端與小直徑端的半徑差。退料衝2d為圓柱形，下模2c套裝在退料衝2d上，下模2c帶有脫模角λ為0 3° ；安裝時，衝頭加及壓板2b位於下模2c和退料衝2d上方，四者的軸心線重合。除帶有連皮外，預成型的坯件形狀與圖9所示的最終的坯件形狀大致相同，區別僅在於尺寸大小上。e)衝連皮及壓端面在用鍛壓設備衝掉連皮的同時將坯料鍛壓成兩端面滿足輾制要求的坯料；考慮金屬材料的熱膨脹係數，此道工序在壓端面時將坯料鍛壓高度在坯件成品高度的基礎上增加0. 1 1. 5mm。
f)輾擴成型經過上述幾道工序，出爐時1160 1180°C的坯料已降溫至1050°C 左右。輾擴成型模具由圖3所示的輾輪、圖4所示的輾軸和圖5所示的頂輪組成。如圖3所示的輾輪3為帶有同軸內孔的圓柱體，輾輪3由左端面、右端面、外圓環組成，外圓環由環向凹槽北分割成左端和右端。在輾輪3的左端面上有一圓柱形的定位槽 3a,該定位槽3a與輾輪3同軸且直徑大於輾輪3的內孔直徑，輾輪3左端的外圓環直徑小於或等於右端的外圓環直徑且左、右兩端與輾輪3的軸線平行，輾輪3左、右兩端之間的外圓環上設置有環向凹槽北，其軸向截面形狀為環向凹槽北底面為水平面，該環向凹槽北的左側依次通過三個相連的左傾斜面I 3c、II 3d、III :3e與輾輪3左端相連，三個左傾斜面I 3c、II 3d、III :3e的傾斜方向一致，該環向凹槽: 的右側通過一個右傾斜面3f與輾輪3右端相連，右傾斜面3f與三個左傾斜面I 3c、II 3d、III :3e的傾斜方向相反，環向凹槽北的寬度隨環向凹槽北深度的增加逐漸減小；左傾斜面I 3c、III :3e和右傾斜面3f與輾輪3左端面的夾角為α，0 < α <15°，左傾斜面II 3d與輾輪3軸線的夾角為β，0 8300C ；如圖5所示，支撐架7對輾軸4起支撐作用，以保證輾軸4的正常轉動。輾軸4在坯件6的左側設置擋板8，保證坯件6在輾擴成型過程中不發生軸向移動。如圖6所示，輾輪3和輾軸4的設置是依據如圖9所示的汽車變速器齒圈毛坯的結構形式而定。在具體實施時，輾輪3的環向凹槽深度比坯件6的壁厚通常少1 3mm，因此，輾輪3在輾壓過程中與輾軸4的距離彡1 3mm。為進一步優化輾擴成型工序，輾輪3上的環向凹槽北倒圓角，輾軸4的第一工作圓柱體4b的右端倒圓角。g)整形將輾製成型後的坯件用相應的整形模具在鍛壓設備上進行整形，進一步提高坯件的幾何尺寸精度，此時坯件溫度彡830°C。h)正火將整形後的坯件放入正火爐中按正火工藝進行正火，消除金屬變形應力；
i)拋丸將正火後的坯件進行拋丸，消除坯件表面的氧化鐵。整個工藝流程屬於鍛壓輾環加工的常用工藝流程，之所以能加工出汽車變速器齒圈毛坯這種非對稱環向有多個不同內外徑圓環形坯件，其關鍵是在步驟c鐓粗中使用了如圖1所示的墩粗模具、步驟d預成型及衝盲孔中使用了如圖2所示的預成型模具和在步驟f 輾擴成型中使用了如圖3所示的輾輪3、如圖4所示的輾軸4和如圖5所示的頂輪9，通過控制預成型模具與輾輪的環向凹槽深度不一致，對輾擴成型中變形差大的部分進行提前輾壓。
權利要求
1. 一種汽車變速器齒圈輾壓制坯法，包括以下步驟a)下料依據成品齒圈坯件的尺寸計算其淨重量，在該淨重量的基礎上考慮火耗和衝孔連皮消耗，確定下料重量，在滿足下料長度/圓鋼直徑<2. 5的條件下，確定圓鋼直徑和下料長度，將圓鋼剪裁成所需長度的坯料；b)加熱將剪好的坯料送入加熱爐中加熱至1160 1200°C；c)鐓粗將加熱至1160 1200°C的坯料送至墩粗模具(1)中，並用相應噸位的鍛壓設備中進行墩粗，鐓粗後的坯料高度為鐓粗前的0. 2 0. 6倍；d)預成型及衝盲孔在將鐓粗後的坯件放入鍛壓設備的預成型模具(2)中，衝壓成帶盲孔的預製坯料；e)衝連皮及壓端面在用鍛壓設備衝掉連皮的同時將坯料鍛壓成兩端面平整的坯料並考慮金屬材料的熱膨脹係數；f)輾擴成型將1050°C左右的坯料套入輾擴成型模具中進行輾壓，輾擴成型完成時坯件的終軋溫度彡8300C ；g)整形將輾製成型後的坯件用相應的整形模具在鍛壓設備上進行整形；h)正火將整形後的坯件放入正火爐中按正火工藝進行正火，消除金屬變形應力；i)拋丸消除坯件表面的氧化鐵；其特徵在於所述步驟c中的墩粗模具(1)包括墩粗上模(Ia)和墩粗下模(Ib)，所述墩粗下模 (Ib)為平板且其中心開有上大下小的錐形孔，所述墩粗上模(Ia)也為平板；所述步驟d中的預成型模具(2)包括衝頭(2a)、壓板(2b)、下模(2c)和退料衝(2d)，所述衝頭(2a)帶有錐度角δ為0 5°，所述壓板(2b)套裝在衝頭(2a)上，所述下模(2c) 的中心開有上大下小的T形階梯孔，所述T形階梯孔的臺階面寬度為L2，所述退料衝(2d) 為圓柱形，所述下模(2c)套裝在退料衝(2d)上，所述下模(2c)帶有脫模角λ為0 3° ；所述步驟f中的輾擴成型模具包括輾輪(3)、輾軸(4)和頂輪(9)；所述輾輪(3)為帶有同軸內孔的圓柱體，在輾輪(3)的左端面上有一圓柱形的定位槽 (3a)，該定位槽(3a)與輾輪(3)同軸且直徑大於輾輪(3)的內孔直徑，所述輾輪(3)左端的外圓環直徑小於或等於右端的外圓環直徑且左、右兩端與輾輪(3)的軸線平行，所述輾輪(3)左、右兩端之間的外圓環上設置有環向凹槽(3b)，其軸向截面形狀為所述環向凹槽 (3b)底面為水平面，該環向凹槽(3b)的左側依次通過三個相連的左傾斜面I、II、III(3C、 3d、3e)與所述輾輪(3)左端相連，所述三個左傾斜面I、II、III(3C、3d、3e)的傾斜方向一致，該環向凹槽(3b )的右側通過一個右傾斜面(3f)與所述輾輪(3 )右端相連，所述右傾斜面(3f)與三個左傾斜面I、II、III(3C、3d、3e)的傾斜方向相反，所述環向凹槽(3b)的寬度隨環向凹槽(3b)深度的增加逐漸減小；所述左傾斜面I、III(3c、;3e)、右傾斜面(3f)與輾輪 (3)左端面的夾角為α，且0 < α <15°，所述左傾斜面II (3d)與輾輪(3)軸線的夾角為 β，且 0 < β 彡 20° ；所述輾軸(4)從左到右依次由同軸線的圓錐體(4a)、工作圓柱體(4b)和支撐圓柱體 (4c)組成，所述圓錐體(4a)左端直徑小於右端直徑，所述支撐圓柱體(4c)的直徑小於所述工作圓柱體(4b)的直徑，所述圓錐體(4a)的左端開有螺紋連接孔(4d)；所述頂輪(9)為帶有同軸內孔的圓柱體，在頂輪(9)上設置有環向凸臺，所述環向凸臺由左端面(9a)、上平面(9b)和右端面(9c)圍成，其軸向截面形狀為該環向凸臺的左端面 (9a)與頂輪(9)的左端面重合，該環向凸臺的上平面(9b)與頂輪(9)軸線的夾角為β，且 0彡，該環向凸臺的右端面(9c)與頂輪(9)左端面的夾角為α，且0彡α彡15°， 所述右端面(9c)的大直徑端與小直徑端的半徑差為L3 ；所述輾輪(3)左平面I (3c)左、右兩端的深度差Ll小於所述預成型模具(2)中下模 (2c)T形階梯孔的臺階面寬度L2，所述輾輪(3)左平面I (3c)左、右兩端的深度差Ll等於所述頂輪(9)環向凸臺右端面(9c)的大直徑端與小直徑端的半徑差L3，所述輾輪(3)、輾軸 (4)和頂輪(9)的軸線平行，輾輪(3)和輾軸(4)上下布置，所述頂輪(9)安裝在於輾軸(4) 的側下方。
2.按照權利要求1所述的汽車變速器齒圈輾壓制坯法，其特徵在於所述輾輪(3)上的環向凹槽(3b)倒圓角，所述輾軸(4)的第一工作圓柱體(4b)的右端倒圓角。
3.按照權利要求1所述的汽車變速器齒圈輾壓制坯法，其特徵在於所述上模(1)的圓臺(Ia)高度為1 6mm。
4.按照權利要求1所述的汽車變速器齒圈輾壓制坯法，其特徵在於所述步驟b中的加熱爐為感應電爐或燃氣爐。
全文摘要
本發明公開了一種以圓鋼為坯料的汽車變速器齒圈輾壓制坯法，經過下料、加熱、鐓粗、衝盲孔及預成型、衝連皮及壓端面、輾擴成型、整形、正火及拋丸等工序製成，關鍵在於預成型及衝盲孔步驟中所用的模具形成的型腔斷面與汽車變速器齒圈毛坯所對應的不同內、外徑的圓環內腔大致相同；在輾擴成型完成時輾輪和輾軸所形成的型腔斷面與汽車變速器齒圈毛坯所對應的不同內、外徑的圓環內腔完全相同、輾輪的外圓環、頂輪的外圓環分別與毛坯的外圓環相嚙合；同時在輾擴成型中變形差大的部分進行提前輾擴。本發明將輾環加工技術巧妙地應用在變速器齒圈毛坯這種非對稱圓環坯件上，最大限度地減少了後續機加工量，降低了材料消耗，延長了成品的使用壽命。
文檔編號B21D53/16GK102172734SQ20101061658
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者莫亞夫 申請人:莫亞夫