CN105414422B - 一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于齿轮成型工艺技术领域，具体涉及一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺，包括：1)齿轮预制坯模具及齿轮模具设计，2)齿轮预制坯轴向闭式辗压成型，3)齿轮轴向闭式辗压成型，4)对步骤3获得的带毛边槽及无连皮的齿轮毛坯进行切边、热处理、表面处理，获得最终的齿轮构件，成型效率高、精度高、生产简单并且能够在低载荷下制造出复杂形状齿轮。

Description

一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺

技术领域

本发明属于齿轮成型工艺技术领域，具体涉及一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺。

背景技术

齿轮是机械中最常用的零部件之一，它广泛应用于机械、电子、纺织、冶金、采矿、汽车、航空、航天及船舶等领域。齿轮设计、制造业向着速度高、承载能力大、重量轻、更精密的方向发展。齿轮一般采用机加工成型、锻造成型或者采用机加工与锻造相结合的方式成型。对于采用机加工制造齿轮而言，其材料利用率高，但是在机加工的过程中，齿轮流线被切断，造成成型后的齿轮的力学性能较差，齿轮的使用寿命短，使用时易损坏；对于采用锻造方法制造齿轮而言，锻造过程中所需的载荷较大，齿轮成型后的精度低，难以满足高精度的使用要求，并且，不管是机加工成型、锻造成型或是机加工与锻造相结合的成型方式，其在齿轮的生产中均需较大的载荷，生产极其复杂，成型的效率低，成型后齿轮的精度低，性能不稳定。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺，成型效率高、精度高、生产简单并且能够在低载荷下制造出复杂形状齿轮。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺，包括：

1)齿轮预制坯模具及齿轮模具设计，设计时，根据齿轮的不同，选择合理的分模面，由于此类成型方式的差异，一般将毛边槽置于下模边缘处。当齿轮的直径为Φ50～Φ260mm时，单边的间隙可取为0.1～0.2mm，随着齿轮的直径增大，间隙也随之增大，齿轮预制坯及齿轮的上模轮廓应和预制坯及齿轮上表面相同，轴向闭式辗压过程是局部加载增量成型过程，其上模带有锥角及特定型腔，所以需要根据其成型温度、形状、目的，选择合理的锥角，对热态成型过程，其锥角一般在2～10°。中间连皮位置，应根据齿轮厚度进行选择，一般齿轮预制坯的连皮位置选择在距预制坯下表面1/3处，带有轴孔齿轮用本工艺成型时，轴孔需要经过模具的轴向闭式辗压成型，辗压成型中不能够依次成型，需要经过几道工序的处理，模具先辗压出上下端相对的盲孔，上下端相对盲孔间的材料体为连皮，连皮能够促使辗压成型中工件整体的稳定性更好。连皮的尺寸应为最小高度方向的1/10，为了便于脱模，模具的上下模对应连皮处均为倾角结构，上模成型连皮位置的倾角应在5～7°，下模成型连皮位置的倾角应在4～8°。模具的顶出孔的位置中心应选择在预制坯及齿轮下表面的中心位置，根据具体的形状进行选择，顶出孔的直径要合理宜大不宜小。对于齿轮下模具的拔模斜度，应保证在0.5～1°，当轴向闭式辗压上摆动模具的外形为180°－2γ倒截锥形时，配合部位的拔模斜度可取为上模倾角的一半。

2)齿轮预制坯轴向闭式辗压成型：

将材料下料成棒材后加热到800℃-1200℃，将加热后的棒材放置在齿轮预制坯模具的型腔中，对棒材进行热态轴向闭式辗压成型，齿轮预制坯为热态轴向闭式辗压成型，在减少载荷的同时，可同时保证其流线分布，辗压成型时控制每转进给量为0.5-3mm/rad，热态轴向闭式辗压成型后得到齿轮预制坯，对得到的齿轮预制坯进行切边、中心连皮机加工处理；

材料下料成棒材后加热到800℃-1200℃，保温一定时间(保温时间根据不同材料的热态系数而定，比如钢为0.4～0.7min/mm计算)，将加热后的棒材置于轴向闭式辗压设备上的齿轮预制坯模具型腔中进行预制坯成型，一般轴向闭式辗压过程中齿轮预制坯成型的变形程度各处最小变形量在20％以上，齿轮预制坯成型过程将齿轮预制坯模具的上模、下模设置为能够转动，并且转动轴成一定夹角，因此能对工件坯料产生类似辗压的动作，通过外力向下模输出扭矩，使得下模绕下模中心线转动，棒材和上下模之间产生的滚动摩擦使得上模发生从动，从动的同时，上模继续下压，使得金属沿径向流动、填充，下模和工件始终局部接触，随着摆动及下压的进行，接触面逐渐扩大，稳态后上模停止下压，下模持续转动，直到齿轮预制坯上表面金属流动均匀，成型后根据齿轮预制坯的工艺要求及材料特性对其进行处理，对齿轮预制坯进行切边、中心连皮机加工，使齿轮预制坯符合要求，促使齿轮成型后的尺寸精度高。

3)齿轮轴向闭式辗压成型：

将机加工处理后的齿轮预制坯放入齿轮模具的型腔中，对齿轮预制坯进行冷态闭式辗压成型，辗压成型时控制每转进给量为0.2-0.7mm/rad，冷态闭式辗压成型后获得带毛边槽及无连皮的齿轮毛坯；

对于齿轮成型，在齿轮模具设计过程中完成齿形体积分配，及齿轮预制坯热态轴向闭式辗压成型后，为保证齿轮齿形的表面粗糙度及精度，齿轮中齿形的成型部分一般采取冷态闭式辗压成型方法进行成型。对于不同的材料，需选取合理的热处理方式，对材料进行软化处理。并且选择合理的每转进给量(上模匀速压下速度/下模角速度)：对于转速及下压速度的关系，可以以每转进给量来表示(mm/rad)，热态轴向闭式辗压过程中，合金钢的每转进给量一般为0.5～1mm/rad，钛合金的每转进给量为1.5～3mm/rad。冷态轴向闭式辗压成型过程中，每转进给量的范围一般为0.2～0.7mm/rad，齿轮成型过程将上、下模设置为能够转动，并且转动轴成一定夹角，因此能对工件坯料产生类似辗压的动作。通过外力向下模输出扭矩，使得下模绕下模中心线转动，坯料和上下模之间产生的滚动摩擦使得上模发生从动，从动的同时，上模继续下压，使得金属沿径向流动、填充，下模和工件始终局部接触，随着摆动及下压的进行，接触面逐渐扩大，达到下死点后停止转动，下模具继续旋转使得预制坯上表面体积均匀分配，最终获得带毛边槽及无连皮的齿轮毛坯。

4)对步骤3)获得的带毛边槽及无连皮的齿轮毛坯进行切边、热处理、表面处理，获得最终的齿轮构件。

进一步的，步骤1齿轮预制坯模具及齿轮模具设计过程中采用有限元软件对轴向闭式辗压过程进行数值模拟分析，确定对应齿轮预制坯的高径比、形状等，根据数值模拟结果及齿轮模具上下模具的型腔设计，可酌情添加预制坯的定位台，防止出现流动缺陷。

进一步的，步骤2中对材料按等体积原则下料成棒材，材料的棒材按锻件的规格、体积进行造型、设计，按等体积原则，将其下料成棒材，促使齿轮预制坯成型精准，提高材料的利用率。

进一步的，齿轮预制坯模具、齿轮模具的材料为5CrNiMo模具钢，保证模具的刚度。

本发明所取得的有益效果是：采用上述方案，先以热态轴向闭式辗压成型齿轮预制坯，再对齿轮预制坯进行冷态轴向闭式辗压成型，成型后齿轮齿形的表面粗糙度好、精度高，齿轮生产操作简单，齿轮成型效率高，精度高，载荷低，材料利用率高、齿轮流线不被切断、力学性能较好。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。

图1为本发明一种实施例的齿轮结构示意图。

图2为本发明一种实施例的齿轮预制坯的截面示意图。

图3为本发明一种实施例应用的轴向闭式辗压设备的剖视图。

其中：1为上模座，2为轴承，3为上模斜板，4为上模，5为工件，6为下模，7为蜗轮，8为主轴，9为蜗杆，10为下模座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种20CrMnTi齿轮的轴向闭式辗压成型方法，所述的成型方法如下步骤：

步骤1：根据图1所示齿轮的外形,对齿轮预制坯模具以及齿轮模具的上、下模进行设计，选取1/2齿轮上表面作为轮廓，锥角6°作为自转轴对上模进行设计,分模面选在齿轮上表面,预制坯中间连皮位置选择在1/3H处，盘件中间连皮位置选择在1/3H处。上模成型连皮位置的倾角选择为7°，下模成型连皮位置的倾角选择为5°。模具材料选择5CrNiMo，顶出孔的位置为下模具下端中心处，大小为φ400mm，预制坯拔模斜度选择为1°，盘件拔模斜度选择为0.5°，采用齿轮下端圆柱作为定位台，通过有限元软件Simulfact对轴向闭式辗压过程进行数值模拟分析，确定如图2所示齿轮预制坯的外形尺寸数值,预制坯中间位置即最大直径处外径980mm，上端面外径875mm，高度为67.5mm，其中预制坯上部对应成型后齿牙处的高度为36mm，该部外周面为锥面，锥面锥角为16°。

步骤2：将材料按锻件的规格、体积进行造型、设计，按等体积原则，将其下料成棒材，棒材的尺寸为φ500×80，再把棒材加热到1130℃，随炉升温，到温后保温95min，将加热后的棒材置于轴向闭式辗压设备中，在步骤1设计好的齿轮预制坯模具的型腔中进行预制坯成型，空冷，每转进给量控制在1mm/rad。齿轮预制坯进行热态轴向闭式辗压，齿轮预制坯的成型能够极大的减少载荷，可同时保证齿轮预制坯的流线分布。预制坯采用轴向闭式辗压成型设备进行成型，轴向闭式辗压设备如图3所示，包括驱动机构、主动机构、从动机构、上模组件、上模座1、下模组件和下模座10，在本实施例中，驱动机构为三相异步电机，主动机构为蜗杆9，从动机构为蜗轮7，当然也可以选择其它类似的装置，其中蜗杆9和蜗轮7相互啮合，三相异步电机控制蜗杆9带动蜗杆9转动，蜗杆9带动蜗轮7转动。预制坯下模组件由下模6和主轴8组成，其中下模6，主轴8和蜗轮7通过螺栓固定相连，主轴8通过轴承2与下模座10转动地相连。于是下模6和主轴8就在蜗轮7的带动下绕轴转动，并且转动轴垂直。盘件预制坯上模组件由固定连接的上模斜板3和上模组成，上模斜板3通过轴承2与上模座1转动地相连，并且上模斜板3和上模4的转动轴与垂直方向成6度的夹角。盘件预制坯下模6上表面为带有1/2连皮的内凹形状。工作时，工件5的坯料可以方便地放入下模6中。然后下压上模座1，使上模4下降压到坯料上。同时，开启三相异步电机，使之带动下模6和坯料发生转动。当上模4与坯料接触后，将在表面摩擦力作用下，被坯料带动自转。整个机构中，只有下模6的自转和上模4的下压力是需要输入转矩和载荷，但是由于这种工作模式使坯料是发生连续局部变形，因此所需的变形力小，所以所需的载荷相应减小。同时由于上模4是间歇性工作，并且载荷减小，因此对模具的性能要求显著降低。成型后根据工艺要求及材料特性对其进行去毛刺、切边，通过中心连皮机处理中心连皮，并进行探伤，并对预制坯进行退火处理。

步骤3：把探伤合格后的预制坯置于轴向闭式辗压设备中的齿轮模具中，将MoS2涂于预制坯表面，选择每转进给量为0.7mm/rad进行冷态轴向闭式辗压成型，齿轮预制坯热态轴向闭式辗压成型后，齿轮齿形的成型采取冷态闭式辗压成型方法成型，能够保证齿轮齿形的表面粗糙度及精度，轴向闭式辗压设备如图3所示，包括驱动机构、主动机构、从动机构、上模组件、上模座1、下模组件和下模座10，在本实施例中，所述的驱动机构为三相异步电机，主动机构为蜗杆9，从动机构为蜗轮7。当然也可以选择其它类似的装置。其中蜗杆9和蜗轮7相互啮合，三相异步电机控制蜗杆9带动蜗杆9转动，蜗杆9带动蜗轮7转动。盘件预制坯下模组件由下模6和主轴8组成，其中下模6，主轴8和蜗轮7通过螺栓固定相连，主轴8通过轴承2与下模座10转动地相连。于是下模6和主轴8就在蜗轮7的带动下绕轴转动，并且转动轴垂直。盘件预制坯上模组件由固定连接的上模斜板3和上模组成，上模斜板3通过轴承2与上模座1转动地相连，并且上模斜板3和上模4的转动轴与垂直方向成6度的夹角。工作时，工件5的坯料可以方便地放入下模6中。然后下压上模座1，使上模4下降压到坯料上。同时，开启三相异步电机，使之带动下模6和坯料发生转动。当上模4与坯料接触后，将在表面摩擦力作用下，被坯料带动自转。整个机构中，只有下模6的自转和上模4的下压力是需要输入转矩和载荷，但是由于这种工作模式使坯料是发生连续局部变形，因此所需的变形力小，所以所需的载荷相应减小。同时由于上模4是间歇性工作，并且载荷减小，因此对模具的性能要求显著降低。随着上模的下压至下死点，下模继续转动，保压30s，将带有毛边的毛坯取出。

步骤4：对成型后的毛坯进行机加工，热处理制度为：淬火:第一次880℃, 第二次870℃,油冷；回火200℃,水冷、空冷。对齿轮表面进行处理，获得最终的齿轮构件。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺，其特征在于，包括：

1)齿轮预制坯模具及齿轮模具设计；

2)齿轮预制坯轴向闭式辗压成型，

将材料下料成棒材后加热到800℃-1200℃，将加热后的棒材放置在齿轮预制坯模具的型腔中，对棒材进行热态轴向闭式辗压成型，辗压成型时控制每转进给量为0.5-3mm/rad，热态轴向闭式辗压成型后得到齿轮预制坯，对得到的齿轮预制坯进行切边、中心连皮机加工处理；

3)齿轮轴向闭式辗压成型，

将机加工处理后的齿轮预制坯放入齿轮模具的型腔中，对齿轮预制坯进行冷态闭式辗压成型，辗压成型时控制每转进给量为0.2-0.7mm/rad，冷态闭式辗压成型后获得带毛边槽及无连皮的齿轮毛坯；

4)对步骤3)获得的带毛边槽及无连皮的齿轮毛坯进行切边、热处理、表面处理，获得最终的齿轮构件。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺，其特征在于，步骤1)齿轮预制坯模具及齿轮模具设计过程中采用有限元软件对轴向闭式辗压过程进行数值模拟分析。

3.根据权利要求1所述的一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺，其特征在于，步骤2)中对材料按等体积原则下料成棒材。

4.根据权利要求1所述的一种齿轮轴向闭式辗压成型工艺，其特征在于，齿轮预制坯模具、齿轮模具的材料为5CrNiMo模具钢。