CN102189373B - 一种整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺及制备的齿轮轴 - Google Patents
一种整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺及制备的齿轮轴 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于包括以下步骤：下料、制坯；柄部正挤；预镦粗；挤小齿；球化退火；磷皂化处理；挤大齿。采用了本发明所述技术方案的有益技术效果为：（1）三联齿轮轴整体锻造近终成形；（2）对伞齿轮进行了预镦粗，让齿槽处材料被挤出，这样就不会在后道温锻时压入幅轮处产生折叠缺陷；（3）冷挤大直齿轮，采用定位导向，保证伞齿模与大直齿模具的同轴度与位置度，其利用下压力块,防止了幅板处因挤齿产生变形，消除了齿根弯曲、齿面拉毛、齿模损坏缺陷,齿形没有滚齿加工产生的根切。
Description
技术领域
本发明属于金属材料近终成形领域，尤其涉及三联齿轮轴产品整体锻造近终成形。
背景技术
三联齿轮轴是传动系统中关键低速重载荷零件，主要用于重载卡车承重支脚。目前加工三联齿轮轴的方法有两种：一种是整体铸造方法；另一种是分体加工后焊接或键、销联接组合而成。
采用整体铸造方法生产的三联齿轮轴产品，目前通用材料为ZG270-500(ZG35)，其抗拉强度 σb (MPa) ≥500、屈服强度 σs (MPa) ≥270、伸长率 δ5 (％) ≥%18、断面收缩率 ψ (％) ≥%25。产品缺陷为：存在内部气孔、偏析、夹杂现象；强度无法保证，使用时经常发生断裂事故；齿面硬度低，磨损快，影响传动精度。工艺缺陷为：1、锻造圆角一般大于平均壁厚的1/4,过小会导致圆角处因应力集中开裂。2、容易造成产品内部气孔、偏析、夹杂问题；3、加工过程中，杆部容易发生严重弯曲，致使无法装配，成品率低；4、采用铸造方法生产，导致产品强度低、硬度差，不能满足三联齿轮轴产品性能要求；5、环境污染严重。
先分体加工，再使用键、销联接组合生产三联齿轮轴产品的方法，其缺陷主要是：1、各部分单独加工，导致材料损耗大；2、对键槽、销孔的位置度要求高，对机加工设备要求高，加工成本也相应提高；3、在轴与齿轮上开键槽，会使得零件整体机械强度大幅度下降。4、由于齿形需要机加工，效率非常低，仅为本发明的3%。
采用分体加工后焊接的方法生产三联齿轮轴产品，其缺陷主要是：焊接时的热变形会造成齿轮啮合时跳动加大，影响传动精度；焊接处的虚焊、气孔，会导致整体强度不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供一种结构均匀、密度高、强度和硬度高、尺寸误差小的整体锻造近终成形三联齿轮轴锻造工艺及该工艺制备的齿轮轴。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，包括以下步骤：（1）下料、制坯；（2）柄部正挤：将锻坯加热后，放入正挤下模，上冲头挤压锻坯正向挤压柄部成形，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复正挤下模；（3）预镦粗：将正挤后锻坯放入预镦粗下模，带有凹圆坑的上冲头挤压锻坯，在锻坯上端成形凸台，并在下模中预镦出规定尺寸的球形，同时中间预镦粗到接近下道挤小齿后的外圆尺寸，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复预镦粗下模；（4）挤小齿：加热锻坯，放入带有伞齿轮齿形的下模，上模为带有小直齿轮齿形的冲头，挤压锻坯，下模伞齿轮齿形中成形伞齿轮，锻坯中部预镦出挤大齿所需的齿坯，同时上模小直齿轮齿形中成形出小直齿轮；（5）球化退火；（6）磷皂化处理；（7）挤大齿:将锻坯放入具有大齿轮齿形的下模，上模带有成品伞齿轮齿形及幅板处形状，下模挤齿结束的位置安装具有小直齿轮齿形及幅板处形状的下压力块，锻坯在上模的带动下首先在下模中挤压出大直齿轮，大直齿轮挤压完成后，锻坯在上模及下压力块模腔中进行最终的整形齿挤压，并对幅板进行平整，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复挤大齿下模。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺的一种优选方案，其中：所述步骤（2）柄部正挤之前对锻坯进行抛丸、表面涂层、加热；所述步骤（4）挤小齿之前对锻坯进行抛丸、表面涂层、加热。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺的一种优选方案，其中：所述步骤（2）柄部正挤中，控制柄部直径和长度尺寸，直径比下道预镦粗小0.2-0.4mm,长度比下道短1-2mm,以便将柄部完全放入下道模具。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺的一种优选方案，其中：所述步骤（3）中预镦粗中，将伞齿部预镦为规定尺寸的球形：大小端外圆直径均比伞齿小4-8mm，高度比伞齿长高4-8mm，球部半径等于大端外圆直径；控制柄部直径比下道挤小齿小0.1-0.5mm，长度比下道短6-14mm，以便将柄部完全放入下道模具中，且锻坯与模具之间为伞齿部成形预置流料空间。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺的一种优选方案，其中：所述步骤（4）中将锻坯重新抛丸涂层，并加热到800℃-870℃，挤压锻坯，首先预镦的球部，在伞齿下模齿形中向下流动并向四周展开，成形伞齿轮，然后锻坯中间镦粗的部位将继续在上下模腔中流动，预镦出挤大齿所需的齿坯，同时上模小直齿形中成形出小直齿轮，控制柄部直径为成品尺寸，长度比下道减柄短4-8mm，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复挤小齿下模或小直齿上模。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺的一种优选方案，其中：所述步骤（3）预镦粗中，将伞齿部预镦为规定尺寸的球形：大小端外圆直径均比伞齿小6mm，高度比伞齿长高6mm，球部半径等于大端外圆直径；控制柄部直径比下道挤小齿小0.2-0.4mm，长度比下道短10mm，以便将柄部完全放入下道模具中，且锻坯与模具之间为伞齿部成形预置流料空间。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺的一种优选方案，其中：所述步骤（4）中将锻坯重新抛丸涂层，并加热到820℃-850℃，挤压锻坯，首先预镦的球部，在伞齿下模齿形中向下流动并向四周展开，成形伞齿轮，，然后锻坯中间镦粗的部位将继续在上下模腔中流动，预镦出挤大齿所需的齿坯，同时上模小直齿形中成形出小直齿轮，控制柄部直径为成品尺寸，长度比下道减柄短6mm，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复挤小齿下模或小直齿上模。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺的一种优选方案，其中：所述步骤（7）挤大齿之前还包括柄部减径成形，柄部四方成形，随时查看锻坯有无拉毛。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺的一种优选方案，其中：所述步骤（4）中上下模具之间设置有定位导向套。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺的一种优选方案，其中：所述小直齿轮上模采用热锻用高温硬质合金模具材料VDA60。
作为本发明所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺制备的齿轮轴，其中：包括依次邻接的小直齿轮、大直齿轮和齿轮，以及与小直齿轮、大直齿轮和锥齿轮同轴的轴杆；两直齿轮结合面之间为圆角过渡，圆角R1±0.5；大直齿轮的幅板的厚度7-8mm；小直齿轮、大直齿轮和锥齿轮的同轴跳动小于0.2毫米，大直齿轮幅板处无皱折；小直齿轮、大直齿轮、伞齿轮和轴杆为整体锻造近终成形件，其材料为锻钢抗拉强度σb (MPa)：≥1080、屈服强度σs (MPa)：≥835、伸长率δ5 (％)：≥10，断面收缩率ψ (％)：≥45。
采用了发明所述技术方案的有益技术效果为：（1）三联齿轮轴整体锻造近终成形；（2）对伞齿轮进行了预镦粗，让齿槽处材料被挤出，这样就不会在后道温锻时压入幅轮处产生折叠缺陷；（3）冷挤大直齿轮，采用定位导向，保证伞齿模与大直齿模具的同轴度与位置度，其利用下压力块,防止了幅板处因挤齿产生变形，消除了齿根弯曲、齿面拉毛、齿模损坏缺陷,齿形没有滚齿加工产生的根切。
附图说明
图1为本发明工序流程示意框图。
图2为本发明整体锻造近终成形三联齿轮轴结构示意图。
图3为幅板有折叠的立体示意图。
图4为幅板正常的立体示意图。
图5为定位套示意图。
图6为温度场模拟分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图作进一步详细说明。
如图所示，其中：1为小直齿轮，2为大直齿轮，3为伞齿轮，4为柄部，5为柄端，6为定位套。
首先根据三维模似成型软件模似冷锻加工过程，设计制模和备料，本实施例伞齿轮轴的原料为20CrMnTi圆钢棒料。参见图1至图5其工艺步骤为：
1、取20CrMnTi圆钢棒料锯切，下料后原料坯重量大于成品锻坯重量的8%。
2、机加工制坯，机加工去除原料坯表面氧化皮，并且保证坯料重量大于成品锻坯重量3%。
3、抛丸的目的是增加锻坯表面对涂层剂的吸附能力，可选用直径0.8mm的钢砂中适量加入1mm的陵角砂，充分打毛锻坯表面形成凹坑，可在表面涂层时吸附更多的涂层剂。
4、表面涂层，锻坯表面吸附涂层剂（一种润滑剂），为锻坯在模腔中挤压流动提供良好的润滑，减少流动阻力并保护模具，防止模具拉毛。涂层时可将锻坯加热到250℃左右，在1：20的石墨乳液中浸泡1分钟后取出。
5、柄部正挤，控制柄部直径和长度尺寸，直径比下道预镦粗小0.2-0.4mm,长度比下道短1-2mm,方便将柄部完全放入下道模具。正挤前需要将锻坯加热到850℃-880℃，再放入正挤下模，上冲头挤压锻坯正向挤压柄部成形。随时查看锻坯有无拉毛，及时修复正挤下模。
6、预镦粗，须将伞齿部预镦为规定尺寸的球形：大小端外圆直径均比伞齿小6mm，高度比伞齿长高6mm，球部半径等于大端外圆直径。并控制柄部直径比下道挤小齿小0.2-0.4mm,长度比下道短10mm，方便将柄部完全放入下道模具，且为伞齿部成形预置流料空间，便于伞齿小端齿形成形充足。将保有余温750℃-800℃的正挤后锻坯，放入预镦粗下模，带有凹圆坑的上冲头挤压锻坯，在锻坯上端成形凸台，并在下模中预镦出规定尺寸的球形，同时中间预镦粗到接近下道挤小齿后的外圆尺寸。随时查看锻坯有无拉毛，及时修复预镦粗下模。
7、挤小齿，需将锻坯重先抛丸涂层，并加热到820℃-850℃,然后放入带有伞齿轮齿形的下模，上模为带有小直齿轮齿形的冲头。锻坯受力后，首先预镦的球部，在伞齿下模齿形中向下流动并向四周展开，然后中间镦粗的部位将继续在上下模腔中流动，预镦出挤大齿所需的齿坯，同时上模小直齿形中成形出小直齿轮。控制柄部直径为成品尺寸，长度比下道减柄短6mm。随时查看锻坯有无拉毛，及时修复挤小齿下模或小直齿上模。
8、球化退火，控制加热温度720℃-740℃，保温3-4小时,随炉冷却到≤500℃后出炉空冷，控制退火硬度70-85HRB。
9、磷皂化处理；具体方法如下：50-60℃液温酸洗5-10分钟，清水漂洗1-2分钟；70-80℃液温磷化10-15分钟，清水漂洗1-2分钟；80-95℃液温皂化8-10分钟。
10、减柄，柄部减径成形，是将锻坯柄部放入减径下模，上冲头挤压锻坯头部，锻坯在柄端减径挤压出成品要求的细柄，长度比成品小6mm。随时查看锻坯有无拉毛，及时修复减柄下模。
11、挤方，柄端四方成形，是将锻坯柄部放入四方挤压下模，上冲头挤压锻坯头部，锻坯在柄端减径挤压出直径长度为成品要求的四方。随时查看锻坯有无拉毛，及时修复挤方下模。
12、挤大齿，大齿轮成形，是将锻坯放入具有大齿轮齿形的下模，上模带有成品伞齿轮齿形及幅板处形状，下模挤齿结束的位置安装具有小直齿轮齿形及幅板处形状的下压力块。锻坯在上模的带动下首先在下模中挤压出大直齿轮，大直齿轮挤压完成后，锻坯在上模及下压力块模腔中进行最终的整形齿挤压，保证三个齿轮的精度和同轴度，同时对幅板进行平整。随时查看锻坯有无拉毛，及时修复挤大齿下模。
实施过程中具体采取的措施有：为防止伞齿面及相应幅板面锻造折叠，须将伞齿部预镦为规定尺寸的球形：大小端外圆直径均比伞齿小6mm，高度比伞齿长高6mm，球部半径等于大端外圆直径。并控制柄部直径比下道挤小齿小0.2-0.4mm,长度比下道短10mm，为伞齿部成形预置流料空间，便于伞齿小端齿形成形充足。瘦而高的预镦球部，挤压受力后，在伞齿下模齿形中向下流动，更加充分的向四周展开。如果预镦球部形状过小会导致伞齿端面不足，靠近幅板处齿项端引起流料折叠；如果预镦球部形状过大会导致近伞齿幅板面上流料折叠。
挤小齿时，小直齿轮成形过程中由于成形压力较大，3Cr2W8V材料的上模小直齿轮端面处圆角会快速磨损，导致锻坯小直齿轮与幅板连接处R1±0.5超出上差，模具寿命仅能达到100件左右。
参见图6，通过温锻时温度场的模拟分析,选用红硬性高抗裂性强的日本温锻硬质合金VDA60作Z11直齿模具材料更合适。采用日本进口热锻用高温硬质合金模具材料VDA60，制作小直齿轮上模，可比普通热锻模具材料提高10倍以上寿命，为批量生产模具提供稳定的寿命保障。
挤小齿时，为保证伞齿及小直齿轮与柄部的同轴度要求，需要下模上面配装图5所示的定位导向套。上下模定位导向套内进行挤小齿镦粗挤压，保证上下模的同轴度，即保证了伞齿轮与小直齿轮的同轴度。本导向套设计为磨损后可更换的独立组件，硬度比模具上下模具略低，起到保护模具且降低更换成本。挤大齿工序的独特之处在于：在大直齿轮挤压完成后，锻坯在图6所示上模及下压力块模腔中进行最终的整形齿挤压，消除齿根弯曲、齿面拉毛及齿模损坏等缺陷。保证三个齿轮的精度和同轴度，同时对幅板进行平整。
依照整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺制备的齿轮轴，它包括依次邻接的小直齿轮、大直齿轮和锥齿轮，以及与小直齿轮、大直齿轮和锥齿轮同轴的轴杆；两直齿轮结合面之间，只允许有圆角过渡，圆角R1±0.5；大直齿轮的幅板的厚度7-8mm，大直齿轮幅板处无皱折；小直齿轮、大直齿轮和锥齿轮的同轴跳动在0.2毫米以内，大直齿轮幅板处无皱折；其特征在于：小直齿轮、大直齿轮、锥齿轮和轴杆为整体锻造近终成形件，其材料为锻钢抗拉强度σb (MPa)：≥1080、屈服强度σs (MPa)：≥835、伸长率δ5 (％)：≥10，断面收缩率ψ (％)：≥45。产品技术指标如下：产品性能：硬度HRC36-47.5，抗拉强度1150-1540N/mm2。产品技术参数：伞齿轮模数4，齿数12，压力角20°， 轴交角90°， 精度等级（GB11365-89/8级），大直径齿轮模数3，齿数37， 压力角20°，跨5齿公法线长度41.4-0.2，精度等级（GB10095-88/8级），小直径齿轮模数3，齿数11，压力角20°，跨2齿公法线长度13.75-0.2，精度等级（GB10095-88/8级）。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于包括以下步骤：(1)下料、制坯；(2)柄部正挤：将锻坯加热后，放入正挤下模，上冲头挤压锻坯正向挤压柄部成形，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复正挤下模；(3)预镦粗：将正挤后锻坯放入预镦粗下模，带有凹圆坑的上冲头挤压锻坯，在锻坯上端成形凸台，并在下模中预镦出规定尺寸的球形，同时中间预镦粗到接近下道挤小齿后的外圆尺寸，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复预镦粗下模；(4)挤小齿：加热锻坯，放入带有伞齿轮齿形的下模，上模为带有小直齿轮齿形的冲头，挤压锻坯，下模伞齿轮齿形中成形伞齿轮，锻坯中部预镦出挤大齿所需的齿坯，同时上模小直齿轮齿形中成形出小直齿轮；(5)球化退火；(6)磷皂化处理；(7)挤大齿:将锻坯放入具有大齿轮齿形的下模，上模带有成品伞齿轮齿形及幅板处形状，下模挤齿结束的位置安装具有小直齿轮齿形及幅板处形状的下压力块，锻坯在上模的带动下首先在下模中挤压出大直齿轮，大直齿轮挤压完成后，锻坯在上模及下压力块模腔中进行最终的整形齿挤压，并对幅板进行平整，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复挤大齿下模。
2.根据权利要求1所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于：所述步骤（2）柄部正挤之前对锻坯进行抛丸、表面涂层、加热；所述步骤（4）挤小齿之前对锻坯进行抛丸、表面涂层、加热。
3.根据权利要求1所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于：所述步骤（2）柄部正挤中，控制柄部直径和长度尺寸，直径比下道预镦粗小0.2-0.4mm,长度比下道短1-2mm,以便将柄部完全放入下道模具。
4.根据权利要求1所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于：所述步骤（3）中预镦粗中，将伞齿部预镦为规定尺寸的球形：大小端外圆直径均比伞齿小4-8mm，高度比伞齿长高4-8mm，球部半径等于大端外圆直径；控制柄部直径比下道挤小齿小0.1-0.5mm，长度比下道短6-14mm，以便将柄部完全放入下道模具中，且锻坯与模具之间为伞齿部成形预置流料空间。
5.根据权利要求2所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于：所述步骤（4）中将锻坯重新抛丸涂层，并加热到800℃-870℃，挤压锻坯，首先预镦的球部，在伞齿下模齿形中向下流动并向四周展开，成形伞齿轮，然后锻坯中间镦粗的部位将继续在上下模腔中流动，预镦出挤大齿所需的齿坯，同时上模小直齿轮齿形中成形出小直齿轮，控制柄部直径为成品尺寸，长度比下道减柄短4-8mm，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复挤小齿下模或小直齿上模。
6.根据权利要求1所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于：所述步骤（3）预镦粗中，将伞齿部预镦为规定尺寸的球形：大小端外圆直径均比伞齿小6mm，高度比伞齿长高6mm，球部半径等于大端外圆直径；控制柄部直径比下道挤小齿小0.2-0.4mm，长度比下道短10mm，以便将柄部完全放入下道模具中，且锻坯与模具之间为伞齿部成形预置流料空间。
7.根据权利要求2所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于：所述步骤（4）中将锻坯重新抛丸涂层，并加热到820℃-850℃，挤压锻坯，首先预镦的球部，在伞齿下模齿形中向下流动并向四周展开，成形伞齿轮，然后锻坯中间镦粗的部位将继续在上下模腔中流动，预镦出挤大齿所需的齿坯，同时上模小直齿轮齿形中成形出小直齿轮，控制柄部直径为成品尺寸，长度比下道减柄短6mm，随时查看锻坯有无拉毛，及时修复挤小齿下模或小直齿上模。
8.根据权利要求1所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于：所述步骤（7）挤大齿之前还包括柄部减径成形，柄部四方成形，随时查看锻坯有无拉毛。
9.根据权利要求1所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于：所述步骤（4）中上下模具之间设置有定位导向套。
10.根据权利要求1所述的整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺，其特征在于：所述小直齿轮上模采用热锻用高温硬质合金模具材料VDA60。
11.一种根据权利要求1所述整体锻造近终成形三联齿轮轴工艺制备的齿轮轴，其特征在于：包括依次邻接的小直齿轮、大直齿轮和伞齿轮，以及与小直齿轮、大直齿轮和伞齿轮同轴的轴杆；两直齿轮结合面之间为圆角过渡，圆角R1±0.5；大直齿轮的幅板的厚度7-8mm；小直齿轮、大直齿轮和伞齿轮的同轴跳动小于0.2毫米，大直齿轮幅板处无皱折；小直齿轮、大直齿轮、伞齿轮和轴杆为整体锻造近终成形件，其材料为锻钢抗拉强度σb：≥1080MPa、屈服强度σs：≥835MPa、伸长率δ5(％)：≥10，断面收缩率ψ(％)：≥45。
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