CN101053880A - 净成形制品的方法以及用于净成形制品的设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种形成制品如螺旋齿轮的方法和一种形成该制品的设备。所述方法包括向下施加脉动压力以挤压工件，并且当向下施加压力时，注入流体以将所述工件包围在流体中。该方法消除了挤压通常所需的酸洗处理和磷酸盐润滑覆层，从而也消除了去除覆层所需的外部机加工步骤。因此能够挤压出冷净成形制品。还提供了实现上述方法的设备。

Description

净成形制品的方法以及用于净成形制品的设备

技术领域

本发明涉及通过在模具设备中冷挤压而净成形制品如齿轮的方法。

背景技术

冷挤压用于形成在汽车变速器中使用的齿轮。通常，需要磷化处理以在成形齿轮中所使用的工件或坯料外表面上沉积磷酸盐润滑覆层，从而允许挤压期间工件材料在所用模具之中适当的移动。磷化处理产生了在挤压之后必须机加工的氧化层。机加工过程产生应力集中，尤其在螺旋齿轮的齿根区域。如果变速器换档策略需要在齿轮几何形状上施加重负载，那么这限制了将经历过磷化处理步骤的净成形齿轮应用于变速器中的能力。

发明内容

提供了一种形成制品如齿轮的模具设备和方法，其消除了额外的处理骤(例如磷化处理和额外的机加工)，以允许形成具有足够强度从而在重载期间保持完整性的净成形制品，例如螺旋齿轮或其它类型的齿轮。该方法改善了工件材料的晶粒流动，并消除了引起与失效齿轮相关的应力集中的额外机加工步骤。

提供的方法包括将工件定位于上模冲与下模冲之间，其中，上模冲和下模冲可操作地连接到上模和下模上。所述方法包括通过所述上模在所述上模冲上向下施加脉动压力，以便挤压所述工件，优选地，在所述工件的外表面上反向挤压齿轮齿。可通过改变施加到上模的液压，例如通过调节阀，施加所述脉动压力。可选择地，可通过驱动可操作地连接到所述上模的高频单元，并向所述上模施加恒定液压来施加所述脉动压力。高频单元振动以引起上模冲的脉动。

所述方法包括在所述模具之间注入流体以便以流体包围所述工件。这可通过向环绕所述工件并部分地由所述模具形成的腔供应加压流体而实现。上模的脉动允许对所述腔中流体的持续补充。在挤压期间，所述腔中的流体润滑和冷却了所述工件，以允许改善晶粒流动和表面几何形状。

所述方法还通过在所述施加脉动压力步骤之前插入芯棒穿过所述工件的内径，然后通过向上移动所述芯棒挤压所述工件的内表面而提供所述工件的受挤压内表面，从而进一步形成所述制品。优选地，受挤压内表面具有花键。优选地，在外表面的挤压之后进行内表面的挤压。在低于约220华氏度温度执行的挤压被认为冷挤压。通过注入流体步骤，可充分地冷却工件、模冲和模具，使得挤压在甚至更低的温度约130至170华氏度执行。所述方法的特征为没有额外的机加工操作。因此，该制品为冷净成形。与上模冲向下脉动压力联合施加的流体消除了在制品表面上形成磷酸盐覆层及其相关二氧化物的需求。因此，消除了应力集中，延长了制品寿命。

一种用于净成形齿轮的设备，包括模座和其至少部分地由所述模座支撑的模具。所述模具可在所述模座中朝着所述工件移动。所述模座至少部分地形成其中接收所述工件的腔。模冲可操作地与所述模具相连，并可响应于所述模具上的液压而朝着所述腔轴向移动，以挤压所述工件。所述模座至少部分地形成与所述腔流体连通的流体通道。当所述模冲挤压所述工件时，所述工件至少部分地浸入流体中。可使用高频单元，其可驱动以使所述模具作用在所述模冲上的压力脉动。可选择地，可使用在加压流体源与所述模具之间流体连通的调节器，其可操作以改变作用在所述模具上的压力。

结合附图，从下面对实现本发明的最佳模式的详细描述，可容易地理解本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。

附图说明

图1为工件示意性透视图；

图2为由图1的工件形成的净成形螺旋齿轮的示意性透视图；

图3为用于形成图2的螺旋齿轮的模具组件；以及

图4为描述形成图2的螺旋齿轮的流程图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1示出了工件10，本文也称为坯料。优选地，工件10一般为具有内径12和外径14的圆柱形铸铝合金或钢坯料，其中内径12和外径14具有各自的内表面16和外表面18。如本文所述，工件10置于图3的模具设备28之中，并经历图4流程图中所示方法包括的处理步骤，以形成图2的螺旋齿轮10A。螺旋齿轮10A净成形有在新形成的外表面18A上的挤压出的螺旋齿轮齿24和在新形成的内表面16A上的挤压出的花键26。

参考图3，模具设备28包括定位为与下模座32对齐的上模座30。上模座30在中心腔36中支撑上模34以使其可沿着中心轴38移动。上模座30还支撑上模冲40以使其可响应于施加在上模34上的液压而沿着中心轴38移动，下文会进一步描述。下模座32在另外的中心腔44中支撑下模42以使其可沿着中心轴38移动。下模42具有锥形凹槽状的模腔结构46，其在下模42的内径48的周围径向间隔开。模腔结构46设计成使工件10的材料形成图2中所示的螺旋齿轮齿24。应当理解，在本发明的范围内，可利用其它模腔结构形成其它形式的齿轮，或者通常通过冷成形或粉末金属压缩处理而形成的其它制品。下模座32还部分支撑了下模冲50，以使其可沿着中心轴38移动。下模冲50的大小定成使得下模冲的外圆周52与下模42的内径48相配合。下模冲50响应于足够的液压而沿着中心轴38移动。

上模座30具有通过镗孔、钻孔或其它方式设置在其中的流体通道54和58。流体通道54和58与形成在上模座30和下模42之间的腔56相流体连通。

当通过将上模座30沿着中心轴30向上移动足够的距离而打开模具设备28时，工件10可定位成使其支撑在下模冲50上，并对中在中心轴38上。然后，上模座30连同上模冲40和上模34可轴向地下降以固定工件10。一旦固定了工件10，芯棒60就向上穿过下模冲50的内孔、工件10的内径和上模冲40的内孔。图3示出了这样固定在上模冲40与下模冲50之间并具有从中穿过的芯棒60的工件10。

开始挤压过程时，压力源62的液压施加到上模34以将上模冲40向下移动。施加在上模34上的有效压力幅值会振荡，使得当上模冲40向下移动时会轴向地脉动。具有两个可选方案以实现上模冲40的脉动。第一，可在上模34与上模冲40之间设置高频单元66，可电子地控制该高频单元66以在其间振动。这样，通过高频单元66将由液压源62施加在上模34上的恒定液压，例如泵出流体，变成使上模40向下移动的脉动液压。可选择地，取代高频单元66，可电子地控制调节阀64以改变通过液压源62施加到上模34上的压力，从而以脉动的方式改变施加到上模冲34的压力。在这种情形下，上模34与上模冲40直接接触，其间未设有高频单元66。

当脉动的上模冲40向下移动时，下模冲50通过上模34的力同时向下移动。并且，来自流体源68的润滑液通过流体通道54注入腔56中，以便当工件10反向挤入下模42的模腔结构46中时以流体浸润工件10。另外的流体源70通过流体通道58注入流体以进一步浸润工件10。优选地，供应足够的流体以围绕着工件10并润滑下模42。上模冲40向上的脉动将上模冲40周期性地向上移动，以允许腔56与下模42的模腔结构46之间的流体连通。这允许当工件10在模腔结构46中被拉长时，可使额外的流体持续从腔56流进与工件10相接触。可选择地，可在上模冲40的下表面处工件10的紧上方机加工或形成有径向槽，以便一步利于流体从腔56流出以浸润工件10。在挤压期间，上模冲40的脉动频率和腔56中提供的油压可选择和控制成保证工件有足够的润滑。反向挤压拉长了工件的材料，通过冷加工使粒状结构定向，并且加强了工件10。流体通过在下模42和下模座32形成的排泄通道(未示出)或通过下模冲50排出，以允许通过来自通道54和58的低温流体持续补充腔56。

当上模冲40和下模冲50下降预定量时，完成了在外表面18A上的净成形的螺旋齿轮齿24，并且工件10通过模具32、42保持在下模42的底端附近。然后，芯棒60沿着中心轴38向上移动通过腔74和工件10的内径12。芯棒60外表上具有外花键形外周。因此，芯棒60的向上移动在内表面16A上挤压出匹配的内花键26，如图2中所示。

参考图4，针对图1-3中所示的结构，描述形成制品(例如螺旋齿轮)的方法100的流程图。除非本文有其它的说明，否则方法100的步骤无需以图4中所示的顺序执行。方法100包括将工件10定位于上模冲40与下模冲50之间的步骤110。具体地，定位步骤110包括将工件10固定在上模冲40与下模冲50之间，使得工件10被支撑在上模座30和下模座32之中。其次，方法100包括将芯棒60插入通过工件10内径的步骤120。具体地，插入步骤120包括将芯棒60向上移动通过工件10的内径12。

方法100包括在上模冲40上向下施加脉动压力，以在下模50之中反向挤压工件10的步骤130。如上所述，可以各种可选的方式实现施加脉动压力步骤130。一种方法包括向上模34施加恒定液压，并驱动位于上模34与上模冲40之间的振动高频单元66，以通过上模冲40向工件10传递脉动压力。可选择地，可通过改变施加到上模34的液压实现施加脉动压力步骤130。这可通过设置调节器64达到，例如调节阀，如本领域技术人员所公知的，当调节阀64与恒定压力源62流体连通时，调节阀64传递往复振动的压力水平以作用在上模34上。

方法100还包括在挤压期间于上模34与下模42之间注入流体以浸润工件10，以便润滑和冷却工件10与下模42的步骤140。通过流体通道54和58使腔56中蓄积的流体包围工件10而完成注入流体步骤140。施加脉动压力步骤130允许上模冲40以振动的方式升起，从而在工件10被挤入下模42中时允许额外的流体通向工件10。注入流体步骤140允许改进工件10的材料流动，消除在齿根区域的湍流(turbulence)，即，在图2中形成的螺旋齿24之间外表面18A的内径处的湍流。这种湍流会产生应力集中，通常必须以传统的齿轮生产方式机加工掉。即使这样，齿根区域仍可能具有应力集中，从而增加了齿轮故障的可能性。因而步骤140允许了齿轮10A的净成形，而消除了额外的机加工操作。注入流体步骤140还防止了在模具设备28中产生热量蓄积，因而减少了模具损坏的可能性，延长了模具寿命。另外，在工件10表面提供的流体消除了通常于挤压之前执行的传统磷化表面精整处理。磷化包括酸洗工件的外表面以沉积磷酸盐覆层。方法100期间与工件10的恒定流体接触通过施加脉动压力步骤130和注入流体步骤140使得消除了对覆层的需求，并可省略磷化步骤。由于在挤压之后无需另外的机加工步骤，所以施加脉动压力步骤130和注入流体步骤140允许齿轮10A净成形。

方法100包括向上移动芯棒60以正向挤压内花键齿26的步骤150。在步骤150期间，可继续通过上模34施加脉动压力，并在正向挤压内花键26期间，继续注入流体以浸润工件10的内表面。

在步骤160中，从模具34、42弹出净成形制品(例如，螺旋齿轮10A)。依赖于最终制品的复杂性，可能还需要在一个或多个模具设备中另外挤压。如果有必要使制品中获得适当的材料流动，那么可在将其置于另外的模具设备之前退火并润滑。另外的模具设备可布置成一列上，或布置在模具转动传递冲床中。然后，可在另外的模具设备中，在制品上执行步骤110、120、130、140、150(步骤150可选)，以进一步冷净成形制品，直到获得制品最终所需的结构。除了下模42会具有稍微不同的模腔结构以及芯棒会具有稍微不同成形的花键外，另外的模具设备与图2的模具设备28相类似。

图3的模具设备28和图4的方法100通过改善金属流动和表面微精整，提供了用于成形制品(例如，图2的螺旋齿轮10A)的改进的净成形冷挤压处理，并使处理步骤的数量最小。

尽管已经详细描述了实现本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员会认识到落入所附权利要求范围内实现本发明的各种可选设计和实施方式。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

将工件定位于上模冲与下模冲之间，其中，上模冲和下模冲可操作地连接到上模和下模上；

通过所述上模在所述上模冲上向下施加脉动压力，从而挤压所述工件；以及

在所述施加压力步骤期间，在所述上模与下模之间注入流体，以将所述工件包围在流体中，从而从所述工件形成制品。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述向下施加脉动压力引起所述工件的外表面的反向挤压。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

在所述向下施加脉动压力之前，插入芯棒通过所述工件的内径；以及

通过向上移动所述芯棒挤压所述工件的内表面，从而进一步形成所述制品。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述制品为齿轮；其中所述向下施加脉动压力以挤压所述工件包括在所述工件的外表面上挤压出齿轮齿；以及

其中挤压所述工件的内表面包括挤压出花键。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述挤压为冷挤压。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述施加脉动压力是通过改变施加到所述上模的液压。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述施加脉动压力包括驱动可操作地连接到所述上模的高频单元，并向所述上模施加恒定液压。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述模具由模座支撑，并且其中所述在模具之间注入流体包括向环绕所述工件并且部分地由所述模座形成的腔供应加压流体。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述施加脉动压力使得补充所述腔中的流体。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述方法的特征为没有额外的机加工操作，使得所述制品净成形。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述挤压制品为螺旋齿轮。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述方法的特征为没有在所述工件上沉积磷酸盐润滑覆层。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述上模冲、下模冲和所述上模在第一模具设备上，并且还包括：

从所述第一模具设备弹出所述制品；以及

在不同的模具设备中于所述制品上重复所述定位、所述施加脉动压力和所述注入流体，以进一步形成所述制品。

14.一种用于从工件净成形齿轮的设备，该设备包括：

模座，其至少部分地形成其中可容纳所述工件的腔；

模具，其至少部分地由所述模座支撑，并可在所述模座中朝着所述工件移动；

模冲，其可响应于所述模具上的液压而朝着所述腔移动，以挤压所述工件；其中所述模座至少部分地形成与所述腔流体连通的流体通道，使得当所述模冲挤压所述工件时，所述工件至少部分地浸没在流体中。

15.如权利要求14所述的设备，还包括：

高频单元，其可驱动以使所述模具作用在所述模冲上的压力脉动。

16.如权利要求14所述的设备，还包括：

调节器，其在加压流体源与所述模具之间流体连通，并可操作以改变作用在所述模具上的压力。

17.一种净成形齿轮的方法，包括：

在工件上施加脉动压力，以沿第一方向挤压所述工件；以及

沿第二相反的方向进一步挤压所述工件；所述施加脉动压力和进一步挤压由此形成所述齿轮。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：

在所述施加脉动压力和所述进一步挤压所述工件期间，将所述工件包围在流体中。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述挤压为冷挤压。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述方法的特征为没有在所述工件上沉积磷酸盐润滑覆层。

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