一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法及模具技术

一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法及模具，在闭式模锻镦压阶段，圆柱坯料被镦压成下角隅欠规整的中间工序件；中间工序件临近下角隅预留了相对齿廓凸起的体积；在顶出阶段，下凸模上行，利用凹模的侧壁锥面作用，使中间工序件欠规整的下角隅再次发生变形，将凸起体积向下角隅转移，完成下角隅成形。凹模结构为，用底面轮廓较轮齿齿顶轮廓增大的锥面将各个下角隅临近部位凹模腔扩大，使相应部位柱状模腔变为上小下大的棱台状模腔，齿根及远离下角隅部分依然保持柱状模腔。本发明专利技术解决了传统柱形齿轮精密成形存在的轮齿角隅填充欠饱满，成形力大，模具结构复杂而服役条件恶劣，模具寿命不高，对设备动作要求复杂等一系列问题。

【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，涉及齿轮轮齿精密成形方法及其模具，特别适用于齿埂截面形状处处相等的直齿或斜齿柱形(圆柱或非圆柱，以下主要以圆柱齿轮为例)齿轮精密成形。技术背景柱形齿轮(以下简称齿轮)主要用于同一平面内传递力和运动，在各类机械装置中获得广泛应用。典型齿轮一般由轮毂、轮辐和带齿的轮缘构成。按齿线形状区分，有直齿轮、斜齿轮、人字齿轮等。齿轮的传统制造过程是，先经过锻造或铸造得到齿槽填满余块，形状简化的轮坯，然后经切削加工(如插削、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，制造过程中还需要若干次热处理工艺配合。经过锻造得到的齿轮承载能力较强，是齿轮制造的主流。传统主流方法存在若干缺点:其一是锻造组织流线被切断，降低了轮齿的力学性能;其二是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(流程)长，效率低；其三是材料利用率低，能耗尚，制造成本尚。齿轮精密成形或称齿轮精锻，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(以下对“齿轮精密成形”与“轮齿精密成形”不加区分)。实现齿轮精密成形，可望克服传统主流方法存在的缺点，即不仅可大量减少粗切削加工设备及所耗费的工时，减少工件周转次数，缩短生产周期(或流程)，提高生产效率;还可明显降低材料消耗和能源消耗，降低制造成本;更为重要的是，这样的轮齿保留并可望使锻造组织流线合理分布，可以极大限度地提高轮齿的承载能力，满足现代制造业对高性能齿轮的迫切需要。可以推论，一些场合可采用稍小模数的精锻齿轮替代较大模数的切削加工齿轮，从而，实现机械装置轻量化;也可以说，采用不缩小模数的精锻齿轮，可明显提高机械装置的承载能力和安全系数、使用寿命。可见，开发齿轮精密成形存在着积极而宽广的技术经济前景。为了阐述现有齿轮精密成形工艺存在的问题，有必要借助于Def0rm-3D或其它金属塑性变形数值模拟软件，观察正齿轮(材料以35钢为例)闭式模锻精密成形过程。数值模拟初始条件为:坯料温度1000°C，模具温度200°C，摩擦因子取0.3，上凸模下行速度100mm/So需指出，实际应用的齿轮，一般允许轮齿角尖(齿顶圆柱面与两个轮缘平面交汇处，精密成形过程通常称之为角隅)存在一定倒角(模数大，倒角大，反之则小)，一般尺度范围为(0.2?10.0)mm，大多数不大于2.0mm。故轻微(或尺度较小的)欠充满可不视为缺陷。齿轮闭式模锻精密成形用模具的工作部分均为柱状(轴向投影为齿轮状)，但上、下凸模较凹模周边分别缩小一定间隙。工作时，模具轴线呈铅垂状态，上凸模与下模(含凹模及下凸模)的相对运动关系是，下模处于静止状态，上凸模相对下模运动。下凸模兼作顶件块，在上凸模上行后，下凸模受顶出机构驱动上行，将工件顶出凹模(凹模一直保持静止状态)。齿轮闭式模锻精密成形过程为，第一阶段(即镦压阶段，对应于设备滑块一次“下行-上行”动作)，将直径略小于齿根圆的圆柱坯料置于凹模腔内(坯料轴线与凹模腔轴线尽量重合)，上凸模随设备滑块下行，工件被镦压，径向尺寸发生不均匀增大，形成轮齿。镦压初期，变形力较小，镦压中期变形力增大，但增速较缓慢，镦压末期，变形力陡增。工件成形之后，上凸模上行。继而进入第二阶段(即顶出阶段，对应于顶出机构一次“顶出-复位”动作)，下凸模(顶件块)受顶出机构驱动上行，克服“凹模-工件”接触面(主要是齿面)摩擦力，将工件顶出凹模，然后复位。取出工件，完成一个工作循环。工件的变形几乎全部发生在第一阶段，而第二阶段，工件几乎不发生变形。以模数为4，齿宽为30mm的两种正齿轮(无轮辐结构齿轮齿数为12，齿顶圆直径为56mm，齿高为9mm;含轮毂、轮福、轮缘结构齿轮齿数为32，齿顶圆直径为136mm，齿高为9mm)为例，变形金属填充齿顶腔的规律性次序是，轮齿齿宽中段(略偏上)最先充满，紧接着是填充上角隅(以得到存在不视为缺陷的轻微欠充满工件的变形力为100的话，上角隅充满瞬间的变形力约为50?60)，最后才填充下角隅。一般描述为“变形力陡增”阶段的起点恰恰对应于变形金属充满齿宽中段并继而填充上角隅的时刻，若需下角隅填充良好，变形力是上角隅填充时的一倍以上。轮齿上角隅充满瞬间，齿宽方向已被镦压到接近或进入上偏差尺寸范围。由于变形金属与模具接触面存在摩擦力，一般可见，轮齿下角隅欠充满部分的轮廓表面呈非规则曲面，其三维(柱面坐标系)尺度为:齿宽方向较大，约为(B/5?B/3)，B为齿宽；与下凸模接触表面(凹模底面)的齿高方向稍小，约为h/3弱，h为齿高;齿厚方向尺度随齿廓而变化，与下凸模接触表面最大。物理模拟实验过程中，也可观察到这样的填充次序和欠充满情况。这个填充次序与闭式模锻工艺中圆柱坯料成形为圆饼状工件类似，但圆饼状模腔较易填充，同样变形面积的情况下，所需变形力较小。与普通模锻件成形相比较，齿轮闭式模锻精密成形的难度主要体现在:其一，沿轴向施加的作用力与变形金属需要的流动方向(径向)正交，金属必须附带足够大的应力球张量(静水压力)才能顺利流动(尤其是变形末期，变形力陡增)。简而言之，所需变形力大，模具服役条件恶劣。其二，轮齿的“齿厚/齿高”值较小(尤其在齿顶角隅部位)，变形金属填充这样的模腔遇到了极大的摩擦阻力。同时，若为热锻，金属到此会降温，流动性变差。如前所述，凹模静止而上凸模运动，这种静与动的差别，使得变形金属与模具之间的摩擦存在差别，带来的结果是工件上角隅稍容易填充，而工件下角隅极难充满。其三，由形状所决定，轮齿部分不能设模锻斜度，这就使得成形后的工件必须依靠顶出力才能脱模。由于前述应力球张量大的原因，造成模具发生微量弹性变形，箍住工件，致使需要更大的顶出力才能实现工件脱模。上述难度，也是齿轮闭式模锻精密成形存在的不足。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研究与探索，但是，除模数和径向尺寸均较小的齿轴外，齿轮精密成形仍未进入产业化应用阶段。以正齿轮为例，按成形步骤数差别，现有齿轮精密成形有一步法、两步法和多步法。一步法工步数和工件周转次数最少，占用设备数量最少，生产效率最高；同时，工件周转次数最少对于容易被磕碰损坏的齿轮精密成形意义重大。以下先介绍闭式模锻、正挤压、推过共三种现有的一步法的主要特点。(1)闭式模锻是被研究较透彻的轮齿精密成形方法，获得的流线分布较合理。齿轮闭式模锻存在的不足前文已述，改善其效果的措施有:1)浮动凹模成形。浮动凹模成形是在闭式镦压的同时，驱使凹模相对坯料也发生轴向运动，利用“积极摩擦”促使角隅填充。有研究表明，凹模随凸模同速向下，有利于下角隅填充，但上角隅欠饱满；凹模速度等于凸模速度的1/2时，上下角隅均不够饱满。可见，仅依赖于“模腔-工件”接触面的切向摩擦力，效果有限。同时，该方法所需模具结构和设备动作复杂。如《热加工工艺》第38卷(2009年)第23期第112至114页，题为《浮动凹模对直齿圆柱齿轮精锻成形影响的研究》的论文所采取的方法属于这种类型。2)闭塞模锻。闭塞模锻的过程为，在闭式镦压后期，保持上、下镦压凸模的环状部分静止不动，设法驱使挤胀凸模(镦压凸模中央部分)压入已基本成形的工件，迫使局部金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法，其特征是在闭式模锻镦压阶段，圆柱坯料(2)被镦压成下角隅欠规整的中间工序件(3)；中间工序件(3)以凸起的形式预留了所需体积(4)，凸起体积(4)临近下角隅，相对齿廓凸起，而下角隅呈欠充满状态；在顶出阶段，下凸模(10)上行，利用凹模(11)的扩腔侧壁锥面作用，使中间工序件(3)欠规整的下角隅再次发生变形，将凸起体积(4)向下角隅转移，完成下角隅成形，得到齿轮精锻件(1)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张如华，龙启博，陈家，叶亚彬，徐强，郭开元，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36