CN101905250B - 热挤压齿轮棒与切片齿轮无屑成型法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用合金钢卧式反向挤压机热挤压齿轮棒与切片齿轮无屑成型法，解决现行齿轮切齿加工采用车、铣，钻、插、磨有屑加工存在的工序多、效率低、金属损耗大、加工机床及操作人员多、生产成本高等问题。借鉴合金钢厚壁异型无缝管生产原理，采用内冷却组合式双锥面齿轮挤压模、挤压筒、浮动穿孔针组合芯棒；坯料快速无氧化加热；有润滑温挤压成型；一次完成中心穿孔、轴孔插槽及齿面挤压多道工序，直接产出齿轮棒成品，再经余热退火、线切割切片及热处理，制成齿轮成品。与有屑切齿成型法比较，具有工序简化、用工少、效率高、金属损耗少、齿轮强度高、齿面精度达标、降低生产成本等优点。是直齿和斜齿圆柱齿轮加工工艺的重大技术创新。

Description

热挤压齿轮棒与切片齿轮无屑成型法

技术领域

本发明涉及机械制造齿轮加工技术领域，尤其涉及热挤压齿轮棒与切片齿轮无屑成型技术。 

背景技术

齿轮是机械传动常用基础零部件，应用广，用量大，部分被列入定型标准件产品。现行齿轮加工方法基本有两种：一是有屑切齿加工，经车削、铣齿、钻孔、插槽、磨齿等传统加工方法，工序多、效率低、金属损耗大，需配置大量各类加工机床及操作工人，生产成本高；二是无屑加工，如温热挤压闭塞成型，成品质量高，金属损耗少，但坯料重量及外型尺寸需精确计算，单个生产效率很低，只适宜于有特殊要求齿轮的小批量生产；另如热轧齿轮，虽有高效、省料优点，但齿面精度、光洁度低，需作磨齿处理；而冷拔齿轮仅用于有色金属加工。 

我国是基础零部件生产大国，而非强国，齿轮产品质量水平仍不尽人意。随着汽车制造和装备制造业的快速发展，齿轮需求量大增，大批专业制造齿轮的中小企业承担了主要生产任务，普遍采用有屑切齿加工工艺。由于金属损耗大，多耗费了大量钢材，而钢铁工业是能耗大户，从综合节能和节约资源考虑，存在技术创新的迫切性；由于生产效率低，用工量大，就节约人力资源而言，同样存在企业转型的现实要求。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对齿轮加工工艺现状，研发一种具有高效率、高质量、低损耗、低成本特点的热挤压齿轮棒与切片齿轮无屑成型法。 

本发明的技术思路：借鉴合金钢厚壁异型端面无缝管生产原理，应用合金钢卧式反向挤压机，生产热挤压齿轮棒，经切片、热处理即成成品齿轮，其齿面精度能达8～9级，若有更高要求能增加磨齿或冷挤工序。本发明仅限于直齿和斜齿圆柱齿轮生产。 

本发明的具体技术方案： 

1、主要生产设备采用合金钢卧式反向挤压机，是经转化研发成功的FJH-1000型一次成型卧式反向热挤压机，在机械制造领域齿轮无屑加工工艺的一项实际应用，是本发明人前一项发明的延伸。 

2、关键配套模具齿轮挤压模设计，采用组合式结构。模芯为双锥模，增大轴向挤压力以利齿孔成型，材质选用高强度、高硬度、高耐磨的高速钢，许允单位压力值为2000Mpa，齿孔采用中走丝线切割加工，保证尺寸精度和表面光洁度；模套材质为热强性高的热作模具钢。 

上述齿轮挤压模设计内水冷系统。模芯，模套以锥面配合，结合面近工作带处，内腔设二条环形水冷槽，由过渡槽联通。冷却水由设于空心挤压轴厚壁中的两条φ6mm导水孔道引入或排出，与设在齿轮挤压模底部的引水槽进口与排水槽出口对接，挤压模与空心挤压轴接口处，设耐热金属密封垫，螺口旋接压紧。模芯与模套以锥面紧配合密封。在空心挤压轴挤压行程外的根部，下方设进水口，上方设排水口，配管接头，以压力为0.25Mpa的循环冷却水，实施齿轮挤压模的强制冷却，视回水温度调控冷却强度，模具 控温范围150～300℃. 

3、模具挤压筒采用双层结构，内衬选用热强性高的热作模具钢，外套为耐热合金结构钢，锥面配合，由两端法兰以内六角螺钉压紧。挤压筒外套设感应加热圈，供模具预热。 

上述挤压筒内衬其外壁设梯形螺旋冷却槽，底宽20mm，高5mm，两端为30mm宽环形槽，外套上方两端设导入和排出孔，孔径φ12mm对准环形槽，外接1/2时管接头。冷却介质压缩空气吹送压力为0.4～0.5Mpa强制冷却。外套顶部中央设有热电偶插孔，实施控温，控温范围300～500℃。 

4、模具穿孔芯棒之芯棒头采用组合式浮动穿孔针结构，芯棒材质为热强性高的热作模具钢，芯棒头与穿孔针为高速钢，镶配硬质合金键槽成型模块。 

上述穿孔模具设冷却装置。润滑冷却液自主挤压轴端部引入，以φ8mm通孔贯穿主挤压轴、芯棒至芯棒头部空腔，浮动穿孔针中心钻φ4mm孔，芯棒头厚壁及穿孔针径向分设两排φ2mm及φ1mm溢流孔，在穿孔与挤压阶段，均有润滑冷却液自溢流孔向体外流放，同时起冷却与润滑作用。润滑冷却液输送压力为0.12～0.14Mpa。 

5、采用温挤压成型工艺。齿轮钢坯料的加热温度定为900～950℃，始挤压温度≥850℃，在此温度区间，金属表面氧化层厚＜0.05mm，塑性较高，变形抗力较低，具有较为理想的成型条件。与热挤压工艺相比，具有能耗低、氧化轻、无脱碳，能延长模具寿命等优点。其产品的精度、表面粗糙度和力学性能与冷挤压相近，是一种精密、半精密的成型工艺。 

6、采用中速挤压成型。装料速度200mm/s，穿孔速度60mm/s，挤压速度20mm/s，能增加齿轮内在金属结构密度，提高成品质量，降低模具磨损，延长使用寿命。 

7、实施快速无氧化加热。采用快速感应透热炉，坯料炉内加热时间仅8-10分钟；毛坯入炉前予热至150℃，涂以固体润滑剂，防止表面氧化；或在加热炉的进出料口设置氮封炉门，连锁开闭，阻断空气进入炉膛；控制坯料加热温度900～950℃，使毛坯金属表面氧化层厚度在0.05mm以内。 

8、实施润滑挤压。选用H-4C润滑剂，采用喷涂或刷涂对挤压模具及红热毛坯进行润滑；稀释后能作润滑冷却液，输入芯棒冷却系统，挤压穿孔时经模具溢流孔流放，同时起润滑和冷却作用。 

9、齿轮棒成品作余热退火。齿轮棒挤压成型后余热温度约800℃，成品进缓冷箱进行余热退火，既节能，又能改善加工性能。 

10、成品线切割切片。齿轮棒经余热退火缓冷至室温后，采用快走丝线切割切片机切片，其割缝仅0.20mm，为车床切片的1/10，能减少金属损耗，提高成品收得率，扩大节能效果，齿轮端面光洁度高，能提升产品外观品质。 

本发明配套技术措施： 

热挤压齿轮棒是机械加工半成品。由于齿孔成型工作环境恶劣，模具须经受高温、高压、高磨擦考验，工作带狭窄，形状复杂，金属连续挤压成型，技术难度极大。为了获得理想的产品，各项技术措施必须成套配合使用，缺一不可。 

综合上述技术方案，本发明的核心技术为：坯料无氧化快速感应加热；温挤压成型； 组合式内冷却结构模具强制冷却。 

配套技术措施为：中速挤压；模具润滑；成品缓冷退火；线切割切片。 

配套技术措还包括：模具预热(150～300℃)；挤压比控制4～12，坯料规格φ75、φ100、φ120mm三种，L300mm，成品齿轮规格齿顶圆直径da20～70mm. 

本发明的优点和效果： 

与齿轮有屑切齿加工方法相比，简化了生产工序，减少加工设备配置，节约车间占地和用工人员，能大幅度提高生产效率、节约原材料消耗、降低生产成本、增加企业利润，提高齿轮强度和耐磨性能，齿面精度达8～9级。最宜应用于直齿和斜齿圆柱齿轮生产。 

与热挤压齿轮闭塞成型法比较，既有优质、低耗相同优点，又具有能实现高效率和大批量生产的特点。 

与热轧齿轮法相比，模孔挤压成型比轧辊轧制成型工艺简单，设备容易维护、调整，而成品精度、齿面光洁度较高。综上所述，本发明是齿轮加工技术的重大创新。 

附图说明

图1是是本发明实施例FJH-1000型一次成型卧式反向热挤压机主体结构示意图； 

图2是本发明实施例热挤压齿轮棒挤压模具组合及成型原理示意图； 

图3是挤压模具组合冷却结构示意图； 

图4是生产工艺流程图。 

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。 

如图1至图4示，本发明实施例，图1为转化的FJH-1000型一次成型卧式反向热挤压机主体结构示意图，是实施本发明关键设备载体。挤压机本体由机座1、前固定横梁2、后固定横梁3、中间活动横梁4、张力柱5、螺母6、主液压缸7、移模缸8、回程缸9等组成；穿孔、挤压自动切换操作系统模具组合由后底板组合10及弹簧闸阀11、前底板12及锥形头13、主挤压轴14及芯棒15与穿孔针16、芯棒支承17及挤压垫18、副轴19及活塞缸20与闸板21、十字横担与导向轴22及拉杆组件23等组成；热挤压操作系统模具组合由挤压筒24、感应加热圈25及挤压模26与空心挤压轴组件27两部分组成；退模、分离、挤余切除操作系统模具组合系空心挤压轴输出端成品出口处的自动弹簧抱闸组件28。 

以下结合附图1、图2，按具体操作程序对实施例齿轮棒成型原理作进一步描述：将齿轮钢坯料锯切分段，逐一加入快速感应透热炉步进式连续加热；挤压筒24由感应加热圈25预热，移模缸8前行将空心挤压轴27倒插入挤压筒24内，预热挤压模26，两者预热温度至300℃，挤压筒退出；坯料加热至900～950℃，加冷料将热料自炉门顶出，由机械手将热料装入挤压筒24，移模缸8再次前行完成装料作业；液压缸主缸7前行，后底板组合10及其中弹簧闸阀11推动主挤压轴14、芯棒15及穿孔针16，开始坯料穿孔；后底板组合10与前底板12合拢，锥形头13将设在后底板组合10中的弹簧闸阀11顶开，主挤压轴14与弹簧闸阀11分离，穿孔动作完成，主挤压轴、芯棒被十字横担22、拉杆组件23拉住、紧锁，芯棒头穿孔针16在挤压模26模孔中心定位；液压缸主缸7继续前行，坯料金属被反向挤入挤压模26模孔，随着挤压的继续，坯料金属源源不断从齿孔与穿孔针之间的环形孔隙压出，齿轮棒成型；成品穿过空心挤压轴27输出端成品出口导路，从自动弹簧抱闸组件28逸出；挤压结束，回程缸9动作，主液压缸回程退出挤压筒时，成品齿轮棒被自动弹簧抱闸抱紧，实现脱模分离，切除挤余残料，完成一次生产过程。

以下结合附图3对挤压模具组合冷却系统实施强制冷却作详细描述：挤压筒24采用双层结构，外套24a与内衬24b锥面配合，由两端面法兰24c和24d以内六角螺钉压紧；上述挤压筒内衬24b，其外壁设有螺旋冷却槽，两端各设30mm宽环形槽，梯形螺旋槽底宽20mm、高5mm；上述挤压筒外套24a上方两端设导入和排出孔，孔径φ12mm，对准内衬环形槽，外接1/2时管接头；冷却介质压缩空气吹送压力为0.4-0.5Mpa。外套顶面有热电偶插温孔实施控温，控温范围300～500℃。 

齿轮挤压模26采用组合结构，由模芯26a与模套26b锥面配合组成。上述模芯为双锥模，齿孔线切割加工，组合后的挤压模内腔结合面两侧，工作带邻近部位设有二条环形水冷槽，由过渡槽联通；冷却水由设于空心挤压轴27轴杆厚壁中的两条φ6mm导水孔道引入或排出，与设在挤压模模套26b底部的引水槽进口与排水槽出口对接；上述齿轮挤压模26与空心挤压轴27轴杆接口处，设耐热金属密封垫，螺口旋接压紧；上述空心挤压轴27轴杆在挤压行程外根部下方设进水口，上方有排水口，配3/8时管接头，以压力为0.25MPa的循环冷却水，实施齿轮挤压模的强制冷却，视回水温度调控冷却强度，模具控温范围150～300℃。 

芯棒15润滑冷却液从主挤压轴14端部引入，以φ8mm通孔贯穿至芯棒头16a空腔内，浮动穿孔针16b中心钻φ4mm孔，芯棒头厚壁处分设两排径向φ2mm溢流孔，浮动穿孔针前后段各设一排径向φ1mm溢流孔，穿孔开始，浮动穿孔针被坯料顶入芯棒头底部，润滑冷却液自浮动穿孔针后排溢流孔经芯棒头内空腔从前排溢流孔及浮动穿孔针前排溢流孔向外流放；穿孔结束挤压开始，金属从齿轮挤压模26内孔挤出时，会将浮动穿孔针16b自芯棒头16a中拉出，润滑冷却液自芯棒头底部空腔经后排溢流孔及浮动穿孔针前排溢流孔向外流放，同时实施润滑和冷却。润滑冷却液输送压力为0.12～0.14Mpa。 

以下再结合附图4对实施例生产工艺流程作具体描述： 

齿轮钢坯料经锯床1′分段，由炉后推料装置2′装入感应快速透热炉3′进行无氧化快速加热；热料经炉前出料装置4′逸出，被装料机械手5′抓至一次成型卧式反向热挤压机6′挤压筒与空心挤压轴之间的装料空间，期间已完成挤压模具与坯料的润滑剂喷涂；挤压作业开始，先后完成装料、穿孔及挤压程序，齿轮棒成品经空心挤压轴输出端导路，从自动弹簧抱闸出口逸出，经退模、分离、切除挤余残料后，被牵引机7′送入输送辊道8′，经砂轮锯9′锯切后，送入集料平台10′；再由排式夹钳11′、电动吊挂葫芦12′装入缓冷箱13′作余热退火；冷却后的齿轮棒成品经线切割切片机14′切片，成品齿轮打包后送热处理车间15′进入热处理程序，完成整个生产工艺过程。 

本发明的优点在于：热挤压齿轮棒切片齿轮无屑成型法与切齿加工齿轮有屑成型法比较，(1)能减少金属材料耗损20～30％。钢铁生产是能耗大户，节约钢材资源具有重大节能意义，符合国家创导的“节能环保，绿色低碳”经济发展方针；(2)能提高生产效 率30～40％。由于简化了工序，减少了生产设备和操作人员，在当今用工成本不断攀升情势下，更有节约人力资源的现实意义；(3)挤压加工能增加金属密度，提高成品齿轮强度10％～20％和耐磨性能，齿面精度±0.05～0.25mm，粗糙度Ra0.8～6.5，达到切齿齿轮的常规标准，总体质量优于切齿齿轮；(4)综合生产成本降低25～35％，利润率能达40％；(5)最适用于需求量巨大的直齿和斜齿圆柱齿轮生产。 

本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型，都不会脱离本发明的范围。 

Claims (10)

1.一种热挤压齿轮棒的成型方法，其特征是：主要生产设备采用合金钢卧式反向挤压机，是经转化研发成功的FJH—1000型一次成型卧式反向热挤压机，在机械制造领域齿轮无屑加工的一项实际应用和技术延伸；挤压机本体由机座(1)、前固定横梁(2)、后固定横梁(3)、中间活动横梁(4)、张力柱(5)、螺母(6)、主液压缸(7)、移模缸(8)、回程缸(9)组成；穿孔、挤压自动切换操作系统模具组合由后底板组合(10)及弹簧闸阀(11)、前底板(12)及锥形头(13)、主挤压轴(14)及芯棒(15)与浮动穿孔针(16)、芯棒支承(17)及挤压垫(18)、副轴(19)及活塞缸(20)与闸板(21)、十字横担与导向轴(22)及拉杆组件(23)组成；热挤压操作系统模具组合由挤压筒(24)、感应加热圈(25)及挤压模(26)与空心挤压轴组件(27)两部分组成；退模、分离、挤余切除操作系统模具组合系空心挤压轴输出端成品出口处的自动弹簧抱闸组件(28)；将齿轮钢坯料锯切分段，逐一加入快速感应透热炉步进式连续加热；挤压筒(24)由感应加热圈(25)预热，移模缸(8)前行将空心挤压轴(27)倒插入挤压筒(24)内，预热挤压模(26)，两者预热温度至300℃，挤压筒退出；坯料加热至900～950℃，加冷料将热料自炉门顶出，由机械手将热料装入挤压筒(24)，移模缸(8)再次前行完成装料作业；液压缸主缸(7)前行，后底板组合(10)及其中弹簧闸阀(11)推动主挤压轴(14)、芯棒(15)及浮动穿孔针(16)，开始坯料穿孔；后底板组合(10)与前底板(12)合拢，锥形头(13)将设在后底板组合(10)中的弹簧闸阀(11)顶开，主挤压轴(14)与弹簧闸阀(11)分离，穿孔动作完成，主挤压轴、芯棒被十字横担(22)、拉杆组件(23)拉住、紧锁，浮动穿孔针(16)在挤压模(26)模孔中心定位；液压缸主缸(7)继续前行，坯料金属被反向挤入挤压模(26)模孔，随着挤压的继续，坯料金属源源不断从齿孔与浮动穿孔针之间的环形孔隙压出，齿轮棒成型；成品穿过空心挤压轴(27)输出端成品出口导路，从自动弹簧抱闸组件(28)逸出；挤压结束，回程缸(9)动作，主液压缸回程退出挤压筒时，成品齿轮棒被自动弹簧抱闸抱紧，实现脱模分离，切除挤余残料，完成一次生产过程。

2.根据权利要求1所述的一种热挤压齿轮棒的成型方法，其特征是；关键模具-挤压模(26)设计采用组合结构，模芯(26a)为双锥模，增大轴向挤压力以利齿孔成型，材质选用高硬度、高强度、高耐磨的高速钢，允许单位压力值2000Mpa，齿孔采用中走丝线切割加工，以保证其尺寸精度和表面光洁度；模套(26b)材料为热强性高的热作模具钢；上述挤压模(26)设计内水冷系统；模芯(26a)、模套(26b)以锥面配合，结合面近工作带处，内腔设二条环形水冷槽，由过渡槽联通；冷却水由设于空心挤压轴(27)厚壁中的两条 φ6mm导水孔道引入或排出，与设在挤压模(26)底部的引水槽进口与排水槽出口对接；挤压模(26)与空心挤压轴(27)接口处，设耐热金属密封垫，螺口旋接压紧；模芯(26a)与模套(26b)以锥面紧配合密封；在空心挤压轴(27)挤压行程外的根部，下方设进水口，上方设排水口，配3/8吋管接头；以压力为0.25Mpa的循环冷却水实施挤压模的强制冷却，视回水温度调控冷却强度，模具控温范围150～300℃。

3.根据权利要求1所述的一种热挤压齿轮棒的成型方法，其特征是：挤压筒(24)采用双层结构，内衬(24a)选用热强性高的热作模具钢，外套(24b)为耐热合金结构钢，锥面配合，由两端法兰(24c、24d)以内六角螺钉压紧；挤压筒外套设感应加热圈(25)，供模具预热；上述挤压筒内衬(24a)其外壁设有梯形螺旋冷却槽，底宽20mm，高5mm，两端为30mm宽环形槽；挤压筒外套(24b)上方两端设导入和排出孔，孔径φ12mm，对准环形槽，外接1/2吋管接头；冷却介质压缩空气吹送压力为0.4～0.5Mpa强制冷却；挤压筒外套顶部中央设有热电偶插孔，实施温控，控温范围300～500℃。

4.根据权利要求1所述的一种热挤压齿轮棒的成型方法，其特征是：穿孔模具-穿孔芯棒(15)之芯棒头采用组合式浮动穿孔针结构；芯棒(15)材质为热强性高的热作模具钢，芯棒头与浮动穿孔针(16)为高速钢，镶配硬质合金键槽成型模块；穿孔模具设冷却装置，润滑冷却液自主挤压轴(14)端部引入，以φ8mm通孔贯穿主挤压轴(14)、芯棒(15)至芯棒头部空腔，浮动穿孔针(16)中心钻φ4mm孔，芯棒头厚壁部及浮动穿孔针径向分设两排φ2mm及φ1mm溢流孔，在穿孔及挤压阶段，均有润滑冷却液自溢流孔向体外流放，同时起冷却与润滑作用；润滑冷却液的输送压力为0.12～0.14Mpa。

5. 根据权利要求1、2、3或4所述的一种热挤压齿轮棒的成型方法，其特征是：采用温挤压成型工艺；齿轮钢坯料的加热温度定为900～950℃，始挤压温度≥850℃，在此温度区间，金属表面氧化层厚＜0.05mm,塑性较高，变形抗力较低，具有较为理想的成型条件。

6.根据权利要求5所述的一种热挤压齿轮棒的成型方法，其特征是：采用中速挤压成型；装料速度200mm/s；穿孔速度60mm/s；挤压速度20mm/s。

7.根据权利要求6所述的一种热挤压齿轮棒的成型方法，其特征是：实施快速无氧化加热；采用快速感应透热炉，坯料炉内加热时间仅8～10分钟；毛坯入炉前预热至150℃，涂以固体润滑剂，防止表面氧化；或在加热炉的进出料口设置氮封炉门，连锁开闭，阻断空气进入炉膛；控制坯料加热温度900～950℃，使毛坯金属表面氧化层厚度在0.05mm以内。

8.根据权利要求7所述的一种热挤压齿轮棒的成型方法，其特征是：实施润滑挤压；选用H-4C型润滑剂，采用喷涂或刷涂对挤压模具及红热毛坯进行润滑；稀释后能作润滑冷却液，输入芯棒冷却系统，挤压穿孔时经模具溢流孔流放，同时起润滑和冷却作用。

9.根据权利要求8所述的一种热挤压齿轮棒的成型方法，其特征是：齿轮棒成品作余热退火；齿轮棒挤压成型后，余热温度约800℃，成品进缓冷箱作余热退火。

10.一种切片齿轮无屑成型法，其特征是：使用如权利要求9所述的一种热挤压齿轮棒的成型方法制备得到的齿轮棒成品，经余热退火缓冷至室温后，采用快走丝线切割切片机切片，其割缝仅0.20mm，得到切片齿轮。

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