[发明专利]一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法及模具

说明书

技术领域

本发明属于金属塑性成形工艺技术领域，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，能耗高，制造成本高。

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Deform-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℃，模具温度200℃，摩擦因子取0.3，上凸模下行速度100mm/s。

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、轮辐、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。