CN102294419B - 用于渐开线齿轮的成形滚轧方法 - Google Patents

Abstract

一种用于渐开线齿轮的成形滚轧方法，包括：工件(10)，所述工件(10)包括具有预定半径的圆筒形外周表面；以及具有渐开线齿廓的圆形模具(20)，所述圆形模具(20)包括齿顶节距(P2)，所述齿顶节距(P2)对应于由所述工件(10)的外圆周的长度除以待制造的所述渐开线齿轮(W)的齿数来限定的节距(P1)。当成形滚轧所述渐开线齿轮(W)时，所述圆形模具(20)在转动的同时被挤压至所述工件(10)，所述圆形模具(20)用于挤压至所述工件(10)直到完成成形滚轧过程。所述工件(10)的节圆(Cp1)与所述圆形模具(20)的节圆(Cp2)彼此相切。

Description

用于渐开线齿轮的成形滚轧方法

技术领域

本公开总体上涉及一种用于渐开线齿轮的成形滚轧方法。

背景技术

根据已知的用于形成齿轮的方法，其上形成预定齿廓的模具被挤压至圆筒形坯料以形成具有预定构形的齿轮。在这些情形下，例如，应用用于成形滚轧的圆形模具，该圆形模具具有能够与待制造的齿轮相接合的齿廓。一般地，两个用于成形滚轧的圆形模具转动以及移动从而靠近工件，以将模具挤压至工件。用于成形滚轧的圆形模具被逐渐挤压，从而移动至最终位置以便形成齿轮。

在通过使用用于成形滚轧的圆形模具形成齿轮的情况中，首先，用于成形滚轧的圆形模具的齿的齿顶部与工件的表面相接触。通过圆形模具的齿的齿顶部的接触，在工件表面上形成间歇挤压凹口。通过将用于成形滚轧的圆形模具逐渐挤压至工件，用于成形滚轧的圆形模具的齿推入到工件中，从而形成齿轮的槽底部。另一方面，在与槽底部相邻的部分处，工件坯料凸起，从而形成齿轮的齿部。当用于成形滚轧的圆形模具相对于工件被挤压至预定位置时，形成了齿轮的期望构形。

图2示出了在已知的渐开线齿轮的制造过程中模具20开始接触工件10的状态(即模具20的接触状态)。模具20通过驱动机构的致动而转动。工件10通过模具20被驱动。一般地，另一个模具20布置于工件10的相对侧，并且工件10由一对模具20、20挤压。在图2所示的状态中，模具20的齿顶部21压入到工件10中，从而形成凹口11。通过在对模具20进行转动的同时将模具20的轴线X2移向工件10的轴线X1，模具20的齿顶部21逐渐并且接续地压入到凹口11中，使得凹口11的尺寸被更宽并且更深地扩大。工件10的定位于凹口11处的基材在凹口11的两侧凸起，从而形成齿轮齿。

图3示出了模具20的齿顶部21以一定程度推入或压入到工件10中的成形滚轧期间的中间状态。模具20在进行转动的同时移动为更靠近工件10、压入到工件10中从而形成凹口11，并且，同时地，模具20的齿顶部21在径向方向上对工件10进行挤压从而在模具20移离工件10时使凹口11形成为更深并且在圆周方向上将凹口11扩展为更宽，使得凹口11的相邻部塑性变形，从而形成齿轮齿。

图4示出了完成了将模具20压入到工件10中的状态。通过成形滚轧而形成的齿轮W的每个齿12与模具20的齿22相接合而不具有间隙。在这些情形下，齿轮W的齿深对应于模具20的齿深。齿轮W包括具有半径rg1的基圆C1，而模具20包括具有半径rg2的基圆C2。每一个齿12包括渐开线齿廓，并且模具20的节圆Cp2与齿轮W的节圆Cp1在节点P处相切。节点P对应于连接齿轮W的中心X1和模具20的中心X2的线与齿轮W的基圆C1和模具20的基圆C2的公切线L的交点。由从齿轮W的中心X1或模具20的中心X2画至公切线L的垂直线与连接齿轮W的中心X1和模具20的中心X2的线形成的角对应于啮合压力角αw。啮合压力角是在将两个渐开线齿轮啮合时限定的，因此，啮合压力角在齿轮的中心之间的距离变化时变化。另一方面，每个齿轮包括压力角，所述压力角是在节点与齿轮的基准圆重合时限定的。对于每个齿轮或每个模具，限定基准圆作为用于确定包括齿数、模数、压力角、螺旋角或齿顶修正系数等的用于设计齿轮或模具的参数的基准。在下文中，“压力角”表示在基准圆上限定的压力角。

图5是示出了工件10的构形的改变的解释性视图。图5中的d0表示成形滚轧过程之前的工件10的表面。表示为区域A2的部分通过成形滚轧被挤压，并且从受压区域A2移动的基材将会具有区域A1的体积，从而形成齿顶部。图5中的d1示出了齿顶圆。图5中的d2示出了齿根圆。

通常，基于待制造的齿轮W的构形对模具20的齿轮构形进行设计。例如，形成模具20的技术参数包括齿数、模数、压力角、螺旋角或齿顶修正系数等。一般地，在这些情形下，最有可能会应用齿轮W的模数、压力角和螺旋角，因为它们用于确定模具20的构形，并且，当需要时，对齿顶修正系数进行微调整。因此，减少了用于设计模具20的工时和人力，并且容易获得用于形成具有期望构形的齿轮W的模具20。一般地，模具20的直径与齿轮W的直径不同，并且模具20的齿轮齿的数目将会大于齿轮W的齿轮齿的数目。

为了使渐开线齿轮彼此适当地接合，相应的渐开线齿轮的基节必须彼此一致。基节对应于沿着特定齿的齿廓与和该特定齿相邻的另一个齿的齿廓之间的公垂线测量的节距。即，即使两个齿轮的齿的构形和齿数彼此不同，但是只要齿之间的进给距离相同，则这两个齿轮仍适当地彼此接合。一般地，使用齿轮的模数m和压力角α如下限定基节。

P＝π·m·cosα(等式1)

因此，通常，模具20的模数m和压力角α能够与齿轮W的模数m和压力角α不同。但是，在已知的方法和构造中，并不认为相对于齿轮W的模数和压力角对模具20的模数m和压力角α的程度进行设定是非常重要的。

根据已知的成形滚轧方法，假设当成形滚轧完成时模具与齿轮的啮合状态来对模具的构形进行设计。因此，例如，当通过将模具压入到工件中而形成齿轮的槽底部时，存在对于齿的每个接触、模具的齿与工件的接触位置在工件的圆周方向上变动的缺点。换句话说，在齿轮完全形成的状态下，齿轮与模具在相应的节圆处彼此相切，从而适当地接合。一般地，对于设计模具，考虑模具的基准圆上的节距、以及节圆上的节距，但是，当设计模具时，并不特别地考虑齿顶节距(即相邻齿的齿顶部之间的节距)。因此，在成形滚轧过程的初始阶段在工件上形成的凹口的位置是不稳定的。而且，根据情况，存在每次当模具的齿顶部接触工件时，凹口的位置在圆周方向上偏离的缺点。在这些情形下，除了凹口部的构形以不适当的形状形成之外，由于工件的基材不必要地塑性变形，齿轮的精度下降并且可能会形成具有较差的机械特性的齿轮。

为了解决前述缺点，例如，JPH1-37800U(即，称为专利参考文献1)公开了一种模具，其顺序地设置有加工齿，所述加工齿包括接触部、半成部、完成部以及导出部。利用专利参考文献1中所公开的模具的构造，每个部分的齿顶部的构形、以及齿部之间的距离是改变的。因此，当将模具压入到工件中时，模具的齿顶部能够被挤压至期望位置，从而以适当的构形形成凹口。除了专利参考文献1中的公开，例如，根据已知的方法，响应于模具的轴向中心与工件的轴向中心之间距离的变短，对模具进行更换，从而执行成形滚轧。根据该方法，尽管形成了具有一定程度的精度的齿轮，但是模具的更换操作需要工时和人力。

如上文所解释地，已知的方法在使用圆形模具执行成形滚轧时容许模具的被挤压位置改变，并且构造为在成形滚轧过程期间改变齿的构形，以便补偿模具的被挤压位置的改变。因此，齿轮的制造操作将会是复杂的，并且增加了工时和制造成本。

因此，存在对一种用于渐开线齿轮的成形滚轧方法的需要，该成形滚轧方法用于有效地形成渐开线齿轮，而不对工件施加过度塑性变形。

发明内容

鉴于前述情况，本公开提供一种用于渐开线齿轮的成形滚轧方法，包括：工件，所述工件包括具有预定半径的圆筒形外周表面；以及具有渐开线齿廓的圆形模具，所述圆形模具包括齿顶节距，所述齿顶节距对应于由所述工件的外圆周的长度除以待制造的所述渐开线齿轮的齿数来限定的节距。当成形滚轧所述渐开线齿轮时，所述圆形模具在转动的同时被挤压至所述工件，所述圆形模具用于挤压至所述工件直到完成成形滚轧过程。所述工件的节圆与所述圆形模具的节圆彼此相切。

根据本公开的构造，应用了包括具有预定半径的圆筒形外周表面的工件以及具有渐开线齿廓的圆形模具，圆形模具包括齿顶节距，该齿顶节距对应于通过工件的外圆周的长度除以渐开线齿轮的齿数来限定的节距，并且，在使圆形模具转动的同时，工件与圆形模具挤压至彼此。根据前述构造，圆形模具的齿顶部接触工件的外周表面上的位置，该位置与通过成形滚轧在加工工件的初始阶段形成于工件的外周表面上的期望齿廓的节距一致，并且，凹口在圆形模具的齿顶部接触的位置处逐渐形成为更深。当圆形模具的另一个齿轮齿随后接续地接触工件的外周表面上的另一个位置时，以前述方式形成的凹口用作引导凹槽。因此，就算圆形模具的齿轮齿的另一个齿的齿顶部接触与预期位置略微不同的位置，凹口的构形仍是稳定的。模具在工件上首先形成的凹口的位置是关键的。通过使用此处公开的注重该关键点的方法，使用圆形模具以高操作效率通过成形滚轧形成了具有准确构形的渐开线齿轮。

根据本公开的另一个方面，所述圆形模具的齿廓包括压力角，该压力角大于所述渐开线齿轮的压力角。

为了适当地啮合渐开线齿轮，每个齿轮满足等式1中限定的条件。根据本公开的构形，在满足等式1中规定的条件的同时，所述圆形模具的压力角被确定为大于待通过成形滚轧来形成的渐开线齿轮的压力角。因此，相比于已知模具的齿顶部的构形，圆形模具的齿顶部的构形将会略微更尖。具体而言，根据本公开的构造，齿轮齿的顶部的尺寸减小。

根据本公开的构造，由于待生产的渐开线齿轮的构形是预定的，因此构造为与待形成的渐开线齿轮相接合的圆形模具的齿廓的构形被限制于预定范围内。而且，待形成的渐开线齿轮的齿深与圆形模具的齿深基本相同。因此，具有更大压力角的圆形模具的齿在转动方向上的驱动侧包括齿面并且在转动方向上的从动侧包括齿面，它们布置为更靠近于所述齿的齿顶部，因此，当在沿着转动轴线的方向上观察所生产的齿轮时，齿轮的齿顶部的构形变尖。

通过应用具有成更尖构形的齿顶部的圆形模具，相对于工件的每单位接触尺寸的挤压载荷增加。因此，凹口能够在成形滚轧的初始阶段以推力可靠地形成于工件表面的最佳位置上。因此，当凹口接受第二次挤压成形时，圆形模具的齿容易被导入到凹口中，从而更准确地执行二次挤压。而且，根据本公开的构造，由于整体上模具的挤压载荷减小，因此容易利用尺寸更小并且加工性能稍差的成形滚轧设备生产齿轮，因而减少了制造成本。而且，通过增加圆形模具的压力角，齿根部的厚度将会相对于齿顶部的齿厚更大。根据前述构造，施加于齿顶部的外力易于传递至齿根部，从而减小齿顶部或齿的整个范围处的应力集中。因此，抑制了齿顶部的破裂以及齿根部的疲劳断裂，从而提高了圆形模具的使用寿命。

附图说明

通过下文参照附图进行的详细描述，本公开的前述以及其它的特征和特性将变得更明显，在所述附图中：

图1是示出了此处所公开的成形滚轧期间的工件和圆形模具的构造的解释性视图；

图2是示出了根据已知方法的成形滚轧过程期间工件和模具的初始状态的解释性视图；

图3是示出了根据已知方法的成形滚轧过程期间工件和模具的中期状态的解释性视图；

图4是示出了根据已知方法的成形滚轧过程期间工件和模具的后期状态的解释性视图；以及

图5是示出了根据已知方法的工件的构形的改变的解释性视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图的图示对用于渐开线齿轮的成形滚轧方法的实施方式进行解释。

根据实施方式的用于渐开线齿轮的成形滚轧方法涉及这样一种用于形成齿轮的方法，该方法通过在使用包括圆筒形构形在内的工件来成形滚轧渐开线齿轮(即，下文称为齿轮)时对圆形模具(即，下文称为模具)相对于工件的接触进行优化、并且随后进一步通过将模具适当地压入到工件中，而具有高精度且在机械特性上是优良的。

如图1所示，使用模具20实施工件10的成形滚轧。图1中的下半部分示出了模具20开始对工件10进行挤压的状态。图1中的上半部分示出了成形滚轧过程完成的状态。形成在工件10上的凹口11的节距P1通过以下公式获得：P1＝2π·r0/Z1，其中，将工件10的初始半径限定为初始半径ro并且将齿数限定为齿数Z1。

工件10由成形滚轧设备可转动地支承，从而能够绕轴线X1转动。工件10可以被支承为对自身进行驱动或者可以被支承为自由转动。根据实施方式中所公开的构造，由于凹口11通过模具20形成于工件10的适当位置处、并且模具20的齿顶部21在成形滚轧过程期间并未不必要地使工件10转动，因此工件10被支承为自由转动的构造是足够的。

对于待形成的齿轮W，预定例如第一模数m1、第一压力角α1以及齿轮齿的数目Z1等的各种技术参数。第一模数m1通过以下公式获得：m1＝2r1/Z1，其中，将齿轮W的基准圆的半径限定为半径r1并且将齿轮齿的数目限定为齿轮齿数Z1。

而且，假如将基准圆上的周节限定为周节π·m1并且将压力角限定为压力角α1，则能够基于前述等式1通过以下公式获得齿轮W的基节P0：P0＝π·m1·cosα1(等式11)。

另一方面，基于待形成的齿轮W的技术参数确定模具20的构形。根据实施方式，模具20的齿顶节距(即，相邻齿的齿顶部之间的节距)P2被确定为与凹口11、11之间的节距P1相同。根据前述构造，凹口11通过初始挤压操作形成于最佳位置处。一旦凹口11形成，则在下一个齿顶部与工件10相接触时通过凹口11对齿顶部21进行引导。

在对齿顶节距P2进行了确定之后，对模数m2和第二压力角α2进行确定。模具20的基节P0被确定为满足前述等式11。模具20的基节P0被确定为与齿轮W的基节相同。假如基准圆上的周节被确定为周节π·m2并且第二压力角被确定为第二压力角α2，则模具20的基节P0被如下限定：P0＝π·m2·cosα2(等式12)。

即，建立了以下关系：m1·cosα1＝m2·cosα2。

根据实施方式的构造，凹口11需要通过模具20的齿顶部21可靠地形成在工件10上。因此，齿顶部21可以形成为具有尖顶。通过使齿顶部21形成为具有尖顶，齿顶部21接触工件10的表面时的每单位面积的压力增大。因此，齿顶部21可靠地推入或压入到工件的表面中，从而防止了模具20的齿顶部21的位置相对于工件10的表面偏离。而且，当齿顶部21在转动的同时与工件10的表面相接触时，通常地，在转动方向上位于前侧的、齿顶部21的拐角部首先接触工件10。即，齿顶部21在相对于模具20的齿22的齿厚方向的中心位置沿转动方向偏离至前向侧的位置处接触工件10的表面。当齿顶部21的齿厚更大时，相对于齿22的齿厚方向的中心位置，齿顶部21的接触位置的偏离可能会过度地增加，使得齿顶部21与工件10的表面的与具体而言由齿顶部21在先形成的凹口11不同的部分接触的可能性增加。

为了避免前述可能性，根据实施方式的模具20，第二压力角α2的角度被确定为更大，以便减小齿顶部21的厚度。模具20的基节如前所述地被预定。因此，相邻齿之间的距离(间距)得到了大致预定。而且，由于预定了齿轮W的齿深，因此模具20的齿深被确定为预定值。在前述条件下增加第二压力角α2的角度意味着基准圆上的齿的倾斜(偏斜)度减小。因此，越靠近齿顶部21，齿面就越靠近齿厚的中心。换句话说，当第二压力角α2的角度增加时，齿22的梢端的厚度减小。

图1示意性地示出了模具20的第二压力角α2和齿轮W的第一压力角α1，它们分别在基准圆上与滚动齿条30相切。图1还示出了工件10的节圆Cp1和模具20的节圆Cp2。节圆Cp1和节圆Cp2在作用线L上的节点P上彼此相切。将由节点P形成的压力角限定为啮合压力角αw。如图1所示，啮合压力角αw与基准圆上的第一压力角α1和第二压力角α2不同。

在这些情形下，存在对于增加模具20的第二压力角α2的限制。即，当第二压力角α2的角度过度地增加时，设置于转动方向上驱动侧的齿面与设置于转动方向上从动侧的齿面在未保证必要的齿深水平的状态下彼此相交。因此，当设置于转动方向上驱动侧的齿面与设置于转动方向上从动侧的齿面的相交点定位于齿顶圆上时，第二压力角α2的角度被确定为最大。

根据已知的成形滚轧方法，对于设计模具，并未考虑齿顶节距。只要由于成形滚轧方法将大程度的塑性变形施加至工件坯料而获得了最终产品(即齿轮)，就认为制造过程中的缺点得到折中解决。根据实施方式的构造，旨在解决成形滚轧过程的根本问题。根据实施方式的方法，通过成形滚轧以各种构形和尺寸形成的齿轮形成为具有高精度以及优良的机械特性。而且，根据实施方式的构造，由于工件以可自由转动支承的方式被充分地支承并且施加于模具的挤压力减小，因此制造装置的结构得到了简化并且减少了制造成本。

实施方式的成形滚轧方法可应用于包括正齿轮和螺旋齿轮在内的渐开线齿轮。当渐开线齿轮包括螺旋角β时，代替模数m，应用的是端面模数mt，代替压力角α，应用的是端面压力角αt(即，在将螺旋齿轮作为渐开线齿轮应用的情况中)，以便获得与正齿轮作为渐开线齿轮应用的情况类似的效果以及优点。在这些情形下，基节P如下示出。

P＝π·mt·cosαt(等式2)

此处，建立了以下等式：mt＝m/cosβ，tanαt＝tanα/cosβ。

根据实施方式的成形滚轧方法，通过将螺旋角β设定为满足等式2的参数，能够制造螺旋齿轮。

根据实施方式的用于形成渐开线齿轮的成形滚轧方法可应用于这样的制造过程，所述制造过程用于制造可应用于任何部件的渐开线齿轮。

Claims (2)

1.一种用于渐开线齿轮(W)的成形滚轧方法，包括：

工件(10)，所述工件(10)包括具有预定半径的圆筒形外周表面；以及

具有渐开线齿廓的圆形模具(20)，所述圆形模具(20)包括齿顶节距(P2)，所述齿顶节距(P2)对应于由所述工件(10)的外圆周的长度除以待制造的所述渐开线齿轮(W)的齿数来限定的节距(P1)；其中

当成形滚轧所述渐开线齿轮(W)时，所述圆形模具(20)在转动的同时被挤压至所述工件(10)，所述圆形模具(20)用于挤压至所述工件(10)直到完成成形滚轧过程，以及

所述工件(10)的节圆(Cp1)与所述圆形模具(20)的节圆(Cp2)彼此相切。

2.如权利要求1所述的用于渐开线齿轮的成形滚轧方法，其中，所述圆形模具(20)的齿廓包括压力角(α2)，该压力角(α2)大于所述渐开线齿轮(W)的压力角(α1)。