[发明专利]一种直/斜齿柱形齿轮精密成形方法

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。

背景技术

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。

（1）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。