一种直/斜齿柱形齿轮精密成形方法技术

一种直/斜齿柱形齿轮精密成形方法，其特征是通过“增径半隆埂-劈槽”途径，由两个步骤实现：第一步将圆柱形坯料闭式模锻为一端径向尺寸较大、截面面积较大、边缘轴向尺寸较大，另一端截面面积与所需值相等，但径向尺寸稍小，两端之间以斜角过渡，柱面呈“增径半隆埂”状态的预成形件；第二步，按大端至小端的顺序将预成形件穿过各齿槽对应处设有劈楔的终成形凹模，劈楔的劈刃和工作面均呈倾斜状态，使轮缘发生劈挤变形，各槽底加深、各埂顶升高，得到齿廓完整的轮齿。本发明专利技术获得的轮齿/齿槽清晰饱满，所需成形力较小，设备动作简单，模具结构不复杂，工件容易脱模，对工艺条件要求低，适应性广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属塑性成形工艺
，主要应用于机械零件制造，涉及齿轮精密成形方法及其模具，特别适用于轮齿截面形状处处相等的直齿或斜齿柱形(圆柱或非圆柱)齿轮精密成形。
技术介绍
柱形齿轮(以下简称齿轮)是一种量大面广的传递力和运动的机械基础件，一般由轮毂、轮辐和带齿的轮缘组成，内齿轮则主要由带齿的轮缘组成。按齿线形状区分，有直齿轮、斜齿轮、人字齿轮等。 除了直齿薄片(轮缘高度明显小于径向尺寸)齿轮可由板料经冲裁获得外，传统齿轮制造过程是，先经过锻造或铸造得到齿槽填满余块的齿轮坯，然后切削加工(插/刨削、铣削、磨削等)去除余块与余量，得到轮齿。为便于切削加工和得到较好的综合性能以及较高的硬度，制造过程中还需要热处理工艺配合。经过锻造得到的齿轮承载能力较强，是齿轮制造的主流。传统主流方法存在以下缺点1)锻造组织流线被切断，降低了轮齿的力学性能；2)切削加工占用设备数量及耗费工时多，工件周转次数多，生产周期长，效率低；3)材料利用率低，能耗高，制造成本高。为了克服这些缺点，1960年代以来，人们就齿轮(主要是直齿轮)精密成形开展了大量卓有成效的研究与探索，但是，除模数较小、径向尺寸较小的齿轴外，齿轮精密成形仍未进入产业化应用阶段。齿轮精密成形亦称为齿轮精锻，需要解决的主要问题是轮齿精密成形，就是通过精密锻造直接获得齿面不需或仅需少许精加工即可使用的完整轮齿。按轮齿/齿槽成形途径差异，现有齿轮(以直齿圆柱齿轮为例)轮齿精密成形主要有三种类型。各类成形途径中，坯料轴线一般应与模腔轴线重合，成形时沿轴向施加作用力。第一类是全隆埂途径。闭式模锻是被研究较透彻的轮齿精密成形方法。一般选用直径略小于齿根圆的圆柱形坯料，轮齿全部由齿根部隆起获得，故称为全隆埂途径。全隆埂途径又可细分为一步法和两步法。(I) 一步法的变形过程是，坯料被轴向镦压，径向尺寸发生不均匀增大，填充模腔。一步法工步数少，设备动作简单，但下端齿顶部(模腔下角隅)填充困难，即使施加极大的作用力，该部位填充效果仍不理想。同时，模具服役条件恶化，工件脱模困难。主要原因是该部位模腔相对宽度小，金属流动行程长，需克服四面摩擦阻力(其余部位摩擦阻力较小或呈积极摩擦效果)；若为热锻，金属流动到此会降温，流动性变差。一步法难于实际应用。(2)两步法即两次闭式模锻，变形过程是，在同一(或同样的)凹模腔内，先用预成形凸模镦压坯料，获得工序件；再用终成形凸模镦压工序件，完成成形。预、终成形凸模的差别体现在子午面上，轴向投影图没有差别。两步法可降低成形力，改善填充效果和模具服役条件。但是，工件的轮齿部分两次接触同样的凹模腔，不合理；工件脱模困难的问题依然存在，这是全隆埂途径共同的缺点。还有一种采用两副模具两次闭式模锻的方法。第一步，坯料在侧壁凹凸幅度稍大于目标值一半的预成形模腔内被轴向镦压，获得以齿根圆为基准的“半隆埂”工序件(轴向预留必要尺寸)；第二步，将工序件置于终成形模腔内，轴向被再次镦压，借助于“径向刚性平移流动模式”假设，即期望轮齿充满之前，模腔侧壁的轮齿啮合面与金属不接触，消除或减小外摩擦来实现轮齿的最终成形。因与最小阻力定律不符而未能实现角隅充满。改善全隆埂途径的措施还有浮动凹模成形、闭塞模锻、分流成形等。这些方法能在一定范围内改善填充效果，降低成形力；但存在模具结构复杂，所需设备动作复杂等不足，实际应用受到了局限。其中，分流成形还在工件上附加了多余体积，需要后续切削加工去除，既浪费材料，又降低了生产效率，相当程度上抵消了精密成形的优势。 总之，全隆埂途径存在诸多严重的工艺局限性。第二类是全开槽途径。正挤压是另一种被研究相当透彻的轮齿精密成形方法。须将直径约等于齿顶圆的圆柱形坯料上位于齿槽空间的金属全部转移出去，才能获得轮齿，故称为全开槽途径。正挤压可一步完成轮齿成形，但先出来的端面平面度差，后端需留有不能通过模具型孔的台阶；同时，所需成形力大，坯料与模具接触时间长，模具服役条件恶劣。一般认为，正挤压适用于径向尺寸较小、模数较小的柱形齿轮，特别是柱面带齿的长轴(包括花键轴)成形。该方法已经获得了相当范围的应用。如公开号为CN1868633A的中国专利申请“一种直齿圆柱齿轮的成形方法”属于这种类型。第三类是“开放隆埂-扩槽”途径。1990年代以来，一种称为“推过”的轮齿精密成形方法见诸报道。所谓推过是指凸模推动置于凹模上的坯料或中间工序件穿过带齿廓的凹模而成形，其过程与常规开式模锻后的切除飞边类似。“推过”方法有一步法和多步法两种类型。(I) 一步法，即直接将直径大于分度圆、小于齿顶圆的圆柱坯料(一般要求坯料横断面面积等于齿轮轴向投影面积)推过凹模。采用的凹模与齿槽对应处无劈刃，不利于金属朝预定方向流动；采用的凸模无齿形，不能进入凹模终成形段，需要后一个工件推动前一个工件才能完成成形。研究表明，对于较大模数的轮齿，即使在齿槽对应处设置劈刃，变形过程中，齿槽的槽口隆起较高，而齿顶中部隆起较低，结果在齿顶中部形成汇流折叠；同时，起始端边缘塌角严重。如公开号为CN1544175A的中国专利申请“直齿圆柱齿轮挤压凹模”属于这种类型。(2)多步法，即先采用闭式模锻“开放成形”(指凹模的齿根圆不变，齿埂腔适当放宽)，得到齿顶欠充满、齿宽富余的第一工序件；再经若干次推过整形，逐步使齿槽扩宽或齿宽变窄，齿顶升高。该方法通过“开放隆埂-扩槽”途径获得轮齿。该方法最少需用4种模具，经三大步骤完成。第一步，温态闭式模锻(齿廓单边放大a, a取0. 8^6. 0mm,齿形面积约大5% 40%);第二步，温态推过整形(齿廓单边放大b,b取0. 1 3. 5mm,齿形面积约大5% 30%);第三步,冷态推过整形(齿廓单边放大c, c取0.(T2. 5mm，齿形面积约大09T20%)。齿廓单边放大量a > b > c。各整形步骤的变形量不能过大，对于模数较大的齿轮，每个步骤需用多级尺寸的模具分多次完成。整形过程中，轮缘高度不再发生改变。该途径存在的不足是1) “开放成形”削弱了与齿槽对应部位凹模的强度，且脱模困难；2)整形易引起边缘塌角；3)所需工步数量和模具数量较多，效率低。如公开号为CN1367051A的中国专利申请“齿轮精密塑性成形工艺及其成形模”属于这种类型。 总之，现有的轮齿精密成形技术存在诸多不足，主要表现为以下几点 I)全隆埂途径轮齿角隅填充困难，工件脱模困难。2)浮动凹模成形、闭塞模锻、分流成形所需模具结构复杂，所需设备动作复杂。3)分流成形的轮齿部分需两次进入同样模腔，且存在一定的材料浪费。4)全开槽途径难于适用于径向尺寸较大、模数较大的齿轮成形。5)全隆埂途径和全开槽途径所需成形力大，模具服役条件恶劣。6)用圆柱坯料直接“推过”会在齿顶形成汇流折叠，起始端边缘塌角严重。7) “开放隆埂-扩槽”途径第一步削弱凹模强度，后续步骤易引起边缘塌角，且所需工步和模具数量多、效率低。现有技术存在诸多不足的原因主要有1)成形途径不合理；2)没有预成形或预成形欠合理；3)终成形凹模形状不合理。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足，提出通过“增径半隆埂-劈槽”途径及相应模具，实现直/斜齿齿轮轮齿的精密成形。本专利技术是通过以下由两个步骤组成的技术方案实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直/斜齿柱形齿轮精密成形方法，其特征是由两个步骤实现：第一步，将圆柱形坯料（1）闭式模锻为预成形件（2）；第二步，按大端至小端的顺序将预成形件（2）穿过终成形凹模（12），使轮缘发生劈挤变形，各槽底加深、各埂顶升高，得到齿廓完整的轮齿；预成形模具按预成形件（2）形状制造，所述的预成形件（2）具有如下结构：在预成形件（2）的子午面上，取大端（6）齿顶圆直径D1为（D？2b）~D，D为终成形齿顶圆直径，b为终成形齿槽底部宽度；大端（6）齿顶圆直径D1与小端（7）齿顶圆直径Dy之间以倾斜角度γ1过渡，取γ1为2°~10°；同时，大端（6）齿根圆直径D2与小端（7）齿根圆直径D0之间以γ2过渡，取γ2为1°~7°；在预成形件（2）的子午面上，自内到外渐变增大大端（6）边缘轴向尺寸，所述的边缘是指D1至D？2（ΔR+b）之间的环形区域，D1为大端（6）齿顶圆直径，D？2（ΔR+b）为终成形阶段不变形区域直径，其中，D为终成形齿顶圆直径，ΔR为终成形齿高，b为终成形齿槽底部宽度；并取齿顶部轴向增高量ΔH为（0.4~0.8）ΔR；在大端（6）终成形阶段不变形区域与齿顶之间以曲面f过渡，曲面f为锥面或为以锥面为基准向外凸起幅度为0~ΔH/3的曲面；在轴向投影图上，预成形件（2）小端轴向投影轮廓（9）所包围的面积等于齿廓（8）所包围的面积；预成形件（2）小端轴向投影轮廓（9）凹凸幅度尺寸ΔRy的取值范围为（0.25~0.75）ΔR，ΔR为终成形齿高；预成形件（2）小端轴向投影轮廓（9）为样条曲线或为圆弧过渡，并使相对齿廓（8）齿槽多余面积s2等于相对齿廓（8）齿顶缺少面积s1；大端（6）轴向投影面积大于终成形所需面积；预成形件（2）主体轴向尺寸H1等于终成形件轮缘高度；所述的终成形凹模（12）具有如下结构：终成形凹模（12）与齿槽对应部位劈楔的数量与轮齿数相等；每个劈楔头部为尖劈状，有一条劈刃（16）和两个工作面（17），每条劈刃（16）由两个工作面（17）交会而成，工作面为平面或微凸曲面；工作面（17）的法线相对于轴向、径向、切向三个方向均呈倾斜状态，工作面夹角α0范围为30°~100°，劈刃倾角β范围为20°~75°；劈楔头部有宽度为h的工作带，h取0.5~8.0mm；终成形凹模（12）与终成形凸模（11）之间的间隙取0.1~0.5mm。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张如华，王师，祝岳峰，艾凡荣，熊峰，符辉，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：