CN101186013A - 小变形渗碳齿轮的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种制造内齿轮的系统及方法。托架用来运送具有第一预定节圆直径与齿宽比值的齿轮毛坯。成型工具在齿轮毛坯上形成多个齿并对其它齿轮和齿槽提供成型操作。按照预定的温度，炉子对具有多个齿的齿轮加热预定的时间从而形成渗碳齿轮。最后，切割工具沿该齿轮表面预定的位置切割齿轮从而形成至少两个独立的齿轮，这两个单独的齿轮分别具有第二和第三节圆直径与齿宽比。

Description

小变形渗碳齿轮的制造方法
技术领域
本申请涉及一种制造铁齿轮的方法，该方法能减小热处理所产生的变形，该方法特别适合节圆直径与齿宽比值大的齿轮。
背景技术
制造齿轮时，在成形工序后进行热处理是合适的但不是必要的。热处理增加了齿轮的硬度特性，因此增加了齿轮的使用寿命。其中一种热处理方法是渗碳/淬火/回火。在某个温度，典型的温度为850℃-1010℃(1560-1850)，渗碳方法使碳溶解在低碳钢零件的表层而充分减少钢中的奥氏体，随后通过淬火和回火形成马氏体微观组织。通过对高碳表层淬火而形成马氏体增加了零件的硬度。经过这些工序形成的零件具有坚韧的低碳钢型芯和耐磨性、抗疲劳性好的高碳马氏体表层。
渗碳方法包括气体和低压(真空)渗碳。气体渗碳是在一个大体封闭的炉内完成，在该封闭炉内零件被不断补充的含碳气体(也就是气态烃，蒸馏的液态烃)包围，不断补充的含碳气体致使高碳势得以保持。典型地，淬火在油中完成。低压渗碳是在一个大体封闭的炉内利用无氧环境中非持续的成分简单的含碳气体(也就是，丙烷，乙炔)完成。淬火在油或惰性气体介质中完成。在渗碳方法中，淬火后使齿轮重新在150-700℃(300-1300)的温度下加热进行回火，从而获得希望(非易碎的)的回火马氏体微观组织。渗碳(同淬火和回火联合)作为对内齿轮的热处理方法，由于能使齿轮具有高强度和较低的成本，因此是令人满意的。
然而，目前，一些内齿轮由于热处理带来尺寸变化(特别是圆度和扭转度)而不能进行渗碳。这些齿轮典型地都是节圆直径与齿宽比值大的齿轮。因此，这些齿轮由替换材料和热处理方法制造。一些内齿轮由高碳合金钢和感应淬火制造，其它由型芯处理材料和渗氮制造。这两种选择不仅使齿轮的制造成本高(原料成本高和加工成本高)而且得到的齿轮强度比渗碳齿轮的强度低。
传统的制造过程是这样的：首先，得到一个预加工毛坯；然后，完成绿色机械加工(齿轮和键的切削操作)；最后，热处理(在此之后齿轮就被认为是一个完成的零件)。可选择地，在热处理步骤之后可以喷丸硬化或喷砂。这样就提供了一种制造节圆直径与齿宽比值大的多种形状的齿轮的低成本的制造方法。此外，这些齿轮因热处理工序产生的制造缺陷应为最小甚至没有。
发明内容
提供了一个制造内齿轮的系统。该系统包括托架，成型工具，炉子和切割工具。托架用来运送具有第一预定节圆直径与齿宽比值的齿轮毛坯。成型工具在齿轮毛坯上使其形成多个齿并对其它齿轮和齿槽提供成型操作。按照预定的温度，炉子对具有多个齿的齿轮加热预定的时间从而形成渗碳齿轮。切割工具沿该齿轮表面预定的位置切割齿轮从而形成至少两个独立的齿轮，这两个独立的齿轮分别具有第二和第三节圆直径与齿宽比。
本发明的另一方面，齿轮毛坯的第一节圆直径与齿宽比值小于第二和第三节圆直径与齿宽比值。
仍是本发明另一方面，多个齿是在齿轮毛坯的内表面上形成从而形成一个内齿轮。
仍是本发明另一方面，炉子在高于1560的温度下加热齿轮。
仍是本发明另一方面，炉子在预定的温度下对齿轮加热，并且使齿轮一直保持在预定的温度，从而获得合适的碳含量和碳化深度渗碳表面。
仍是本发明另一方面，加热齿轮进一步包括使齿轮进入渗碳工序。
仍是本发明另一方面，沿齿轮表面预定的位置切割齿轮进一步包括将齿轮切割成相等的两部分，从而形成两个独立的具有相等齿宽的齿轮。
仍是本发明另一方面，沿齿轮表面预定的位置切割齿轮进一步包括将齿轮切割，从而形成两个独立的具有不相等齿宽的齿轮。
仍是本发明另一方面，提供了一种内齿轮的制造方法。该方法包括：选择一个具有第一预定节圆直径与齿宽比值的毛坯，在毛坯上成形多个齿，然后将具有多个齿的齿轮置于炉子中，炉子在预定的温度下对具有多个齿的齿轮加热预定的时间从而形成具有硬化表面的热处理齿轮，和沿该齿轮表面预定的位置切割齿轮从而形成至少两个独立的齿轮，这两个独立的齿轮分别具有第二和第三节圆直径与齿宽比。
本发明的上述特征和优点和其它的特征和优点，从下面结合附图对本发明的优选实施方式的详细说明中容易了解。
附图说明
图1a是按照本发明的系统和方法制造的齿轮的透视图；
图1b是按照本发明，制造图1a中齿轮的齿轮毛坯的透视图；
图2是按照本发明的一个实施例，制造图1a中的齿轮的系统框图的示意图；
图3是按照本发明，制造图1b中齿轮的方法的流程图；
图4是按照本发明，使用图2中的过程和图1b中的齿轮毛坯制造的一对齿轮的透视图。
具体实施方式
附图中相同的标记表示相同的零件，图1a表示内齿轮10。齿轮10具有内齿面12和外齿面14，并且齿轮10基本上为圆柱形。一般地，齿轮10在内齿面12上形成多个齿16。齿轮10上具有特殊用途的齿或其它具体特征可以形成在齿轮的外齿面14上。外齿面14的齿宽在图1a中表示为Fw。齿宽Fw为齿轮10的外齿面14的尺寸宽度。此外，齿轮10的节圆直径在图1a中表示为Pd。节圆直径Pd是齿轮10的内直径。节圆直径与齿宽的比值是决定齿轮10采用合适的制造过程的一个非常重要的需要考虑的物理关系。本领域的技术人员可以从本发明公开的内容制造多种齿宽和节圆直径的内齿轮和外齿轮，但不限于本发明公开的内容。
图1b是一个预成型齿轮毛坯18的透视图。齿轮毛坯18是内齿轮10的原料。齿轮毛坯18具有光滑的内面或表面20和光滑的外面或表面22，其中多个齿16形成在面20上，多个特征形成在面22上。作为选择地，齿轮毛坯18具有光滑的内表面或外表面20、22，单个环槽23、24(图1b示出)形成在内表面或外表面之一或两个表面上，或者多个环槽形成在内表面或外表面20、22上(未示出)。在外表面22上具有环槽的齿轮毛坯被认为是组合齿轮毛坯，因为沿着环槽切割该齿轮就会产生多个齿轮。该齿轮的内直径将为Di，外齿宽将为Wo。更好的是，该齿轮的Di/Wo的比值相对较小。下面将要详细阐述，从Di/Wo比值小的齿轮毛坯18形成节圆直径与齿宽比值相对大的齿轮的过程。
现在参考附图2，根据本发明的一实施方式，将说明一个用来制造齿轮10的系统30。系统30包括该系统包括托架32、成型工具34、；炉子36和切割工具38。举例来说，托架32可以是用来捡起和运送齿轮18的座，夹具，传送装置或机械人或这些装置的任意组合。托架32通过制造系统30传送原料(也就是齿轮毛坯)。成型工具34是金属成型或者是具有金属切割工具的齿轮切割机械。本领域的技术人员可以理解本文中的成型工具34可以是带有多个切割刀片或装置的单个机械或者是带有单个或多个切割刀片或装置的多个机械。成型工具34的主要目的是在齿轮毛坯18的内表面20上形成多个齿或者切割其它齿轮和齿槽。
炉子36更好是能够接收单个齿轮或多个齿轮的工业炉。此外，炉内温度设定高于1700。炉子36的主要目的是按照预定的温度对已经成型的带有多个齿的齿轮加热预定的时间，从而形成热处理或渗碳齿轮。在某个温度时，典型的温度为850℃-1010℃(1560-1850)，渗碳方法使碳溶解在低碳钢零件的表层而充分减少钢的奥氏体，随后通过淬火和回火形成马氏体微观组织。通过淬火高碳表层形成马氏体增加了零件的硬度。经过这些工序形成的零件具有坚韧的低碳钢型芯和耐磨性、抗疲劳性好的高碳马氏体表层。
本发明设想在气体渗碳和低压(真空)渗碳后进行介质淬火。气体渗碳是在一个大体封闭的炉内完成，零件在该封闭炉内被不断补充的含碳气体(也就是气态烃，蒸馏的液态烃)持续包围，这样使高碳势得以保持。典型地，淬火在油中完成。低压渗碳是在一个大体封闭的炉内利用无氧环境中成分简单的非连续的含碳气体(也就是，丙烷，乙炔)完成。淬火是在油或惰性气体介质中完成。在渗碳方法中，淬火后使齿轮重新在150-700℃(300-1300)的温度下加热进行回火，从而获得希望(非易碎的)的回火马氏体微观组织。渗碳(同淬火和回火联合)作为对内齿轮的热处理方法，由于能使齿轮具有高强度和较低的成本，因此是令人满意的。
切割工具38是具有单个或多个金属切割刀片的装置或机械。比如，切割工具38是车床操作件。本领域的技术人员可以理解切割工具可以是成型工具34中的单独机械或装置或者是与成型工具34相同的装置。切割工具38的主要目的是沿该齿轮的表面预定的位置切割齿轮从而形成至少两个独立的齿轮，两个独立的齿轮分别具有第二和第三节圆直径与齿宽比。
现在参照图3，根据本发明的一个实施方式，流程图是用来描述采用图2中描述的系统30制造图1a中内齿轮的制造方法50。方框52表示开始该过程。在方框54中，选择节圆直径与齿宽的比值小于预定临界比值的齿轮毛坯(也就是齿轮毛坯18)。用节圆直径与齿宽的临界比值通过例如渗碳工艺或类似的热处理工艺制造的齿轮具有最小的尺寸变形。下一步，在方框56中，齿轮毛坯被放置在托架或夹具中而使齿轮毛坯被运送到下一个制造工序。在方框58中，对齿轮毛坯进行机加工，即用金属成型机械在齿轮的内表面或外表面上制造规定形状的多个齿。此外，因特殊用途的附加特征根据要求形成在齿轮的内表面或外表面上。表面具有多个齿或其它特征的成型齿轮进入渗碳或热处理工序。举例来说，方框60代表将成型齿轮放置于一个炉内。在美国专利US4152177中描述了能使齿轮或金属工件具有高硬度表面的渗碳工序或任何类似工序。渗碳工序完成后，将被热处理的齿轮移出炉子，并放置于夹具或保持架内从而运送到下一个制造工序。在方框62中，将被热处理的齿轮(从图1b中的齿轮毛坯18形成的齿轮)放置于具有一个或多个刀片的切割装置或机械内从而将被热处理的齿轮切割成如图4所示的两个独立的齿轮10和10′。更特殊的是，在方框62中，沿着被热处理过的齿轮表面的某一位置将其切割成具有预定的齿宽和节圆直径与齿宽比的两个独立的齿轮。当然，本发明也设想沿着齿轮表面的多个位置将被热处理过的齿轮切割成多个具有相同或不同的节圆直径与齿宽比的齿轮。可选地，如果被处理过的齿轮的外表面有环槽，就沿着环槽将齿轮切割成两个或更多独立的齿轮。方框64表示结束该过程。
通过本发明的这些工序生产的齿轮实质上没有尺寸变形。根据本发明，通过选择节圆直径与齿宽的比值小于预定临界比值的齿轮毛坯，可以获得基本不变形的齿轮。更具体地是，预设的节圆直径与齿宽的比值的临界值是能基本消除齿轮因热处理或渗碳工艺产生的尺寸变形和产生像圆度和扭转度这样的形状变形的最大节圆直径与齿宽的比值。本发明设想采用其它热处理工艺和钢，合金钢和其它合适的金属制造齿轮和齿轮毛坯。
虽然详细地说明了本发明的优选实施方式，但熟悉本发明所涉及技术的人知道，在所附权利要求书的范围内，可以有各种其它的实现本发明的实施方式。

Claims (17)

1.一种制造齿轮的系统，该系统包括：
用来运送具有具有第一预定节圆直径与齿宽比的齿轮毛坯的托架；
用来在齿轮毛坯上形成多个齿从而将齿轮毛坯形成齿轮的成型工具；
用来按照预定的温度在预定的时间内对带有多个齿的齿轮加热的炉子；和
用来在沿该齿轮的表面预定的位置切割齿轮从而形成至少两个独立的齿轮的切割工具，该两个独立的齿轮分别具有第二和第三节圆直径与齿宽比。
2.根据权利要求1所述的系统，其中第一节圆直径与齿宽比小于第二和第三节圆直径与齿宽比中的每一个。
3.根据权利要求1所述的系统，其中多个齿是在齿轮毛坯的内表面形成从而形成内齿轮。
4.根据权利要求1所述的系统，其中炉子在高于1560的温度加热齿轮毛坯。
5.根据权利要求1所述的系统，其中炉加热是用来给齿轮的渗碳工序提供渗碳气氛。
6.根据权利要求1所述的系统，其中炉子在预定的温度下对齿轮加热，并且使齿轮足够长时间地保持在预定的温度，从而获得预定的碳含量和碳化深度的渗碳表面。
7.根据权利要求1所述的系统，其中切割工具切割齿轮从而形成具有相等齿宽的至少两个独立的齿轮。
8.根据权利要求1所述的系统，其中切割工具切割齿轮从而形成具有不相等齿宽的至少两个独立的齿轮。
9.一种制造齿轮的方法，该方法包括：
选择具有第一预定节圆直径与齿宽比的齿轮毛坯；
在齿轮毛坯上形成多个齿从而形成齿轮；
将具有多个齿的齿轮置于炉内；
在炉内按照预定的温度在预定的时间内对带有多个齿的齿轮加热而形成齿轮；和
沿该齿轮的表面预定的位置切割齿轮从而形成至少两个单独的齿轮，该两个单独的齿轮分别具有第二和第三节圆直径与齿宽比。
10.根据权利要求9所述的方法，其中第一节圆直径与齿宽比小于第二和第三节圆直径与齿宽比中的每一个。
11.根据权利要求9所述的方法，其中在齿轮毛坯上形成多个齿进一步包括在齿轮毛坯的内表面上切割多个内齿轮齿而形成内齿轮。
12.根据权利要求9所述的方法，其中加热齿轮进一步包括在高于1560的温度下加热齿轮毛坯。
13.根据权利要求9所述的方法，其中加热齿轮进一步包括在预定的温度下对齿轮加热，并且使齿轮足够长时间地保持在预定的温度，从而获得预定的碳含量和碳化深度的渗碳表面。
14.根据权利要求9所述的方法，其中沿齿轮表面的预定位置切割齿轮进一步包括将齿轮切割成两部分而形成两个独立的具有相同齿宽的齿轮。
15.根据权利要求9所述的方法，其中沿齿轮表面的预定位置切割齿轮进一步包括将齿轮切割而形成两个独立的具有不同齿宽的齿轮。
16.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在齿轮毛坯的表面上形成环槽。
17.根据权利要求17所述的方法，进一步包括沿环槽切割被热处理过的齿轮从而形成两个独立的具有相同节圆直径与齿宽比值的齿轮。
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