[發明專利]一種直/斜齒柱形齒輪精密成形方法

有效

• 申請號: 201210239825.X
• 申請日: 2012-07-12
• 公開（公告）號: CN102764847A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 張如華;王師;祝岳峰;艾凡榮;熊峰;符輝
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: B21K1/30
• 分類號: B21K1/30;B21J5/02;B21D28/02;B21D28/14
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

技術領域

本發明屬于金屬塑性成形工藝技術領域，主要應用于機械零件制造，涉及齒輪精密成形方法及其模具，特別適用于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（輪緣高度明顯小于徑向尺寸）齒輪可由板料經沖裁獲得外，傳統齒輪制造過程是，先經過鍛造或鑄造得到齒槽填滿余塊的齒輪坯，然后切削加工（插/刨削、銑削、磨削等）去除余塊與余量，得到輪齒。為便于切削加工和得到較好的綜合性能以及較高的硬度，制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，是齒輪制造的主流。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）切削加工占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，制造成本高。

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。一般選用直徑略小于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。

（1）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（其余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。一步法難于實際應用。

（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。

還有一種采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于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，將工序件置于終成形模腔內，軸向被再次鐓壓，借助于“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。這些方法能在一定范圍內改善填充效果，降低成形力；但存在模具結構復雜，所需設備動作復雜等不足，實際應用受到了局限。其中，分流成形還在工件上附加了多余體積，需要后續切削加工去除，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。須將直徑約等于齒頂圓的圓柱形坯料上位于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，后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，正擠壓適用于徑向尺寸較小、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范圍的應用。

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”屬于這種類型。

第三類是“開放隆埂-擴槽”途徑。