CN102764847A - 一种直/斜齿柱形齿轮精密成形方法 - Google Patents

Abstract

一种直/斜齿柱形齿轮精密成形方法，其特征是通过“增径半隆埂-劈槽”途径，由两个步骤实现：第一步将圆柱形坯料闭式模锻为一端径向尺寸较大、截面面积较大、边缘轴向尺寸较大，另一端截面面积与所需值相等，但径向尺寸稍小，两端之间以斜角过渡，柱面呈“增径半隆埂”状态的预成形件；第二步，按大端至小端的顺序将预成形件穿过各齿槽对应处设有劈楔的终成形凹模，劈楔的劈刃和工作面均呈倾斜状态，使轮缘发生劈挤变形，各槽底加深、各埂顶升高，得到齿廓完整的轮齿。本发明获得的轮齿/齿槽清晰饱满，所需成形力较小，设备动作简单，模具结构不复杂，工件容易脱模，对工艺条件要求低，适应性广。

Description

一种直/斜齿柱形齿轮精密成形方法

技术领域

本发明属于金属塑性成形工艺技术领域，主要应用于机械零件制造，涉及齿轮精密成形方法及其模具，特别适用于轮齿截面形状处处相等的直齿或斜齿柱形（圆柱或非圆柱）齿轮精密成形。

背景技术

柱形齿轮（以下简称齿轮）是一种量大面广的传递力和运动的机械基础件，一般由轮毂、轮辐和带齿的轮缘组成，内齿轮则主要由带齿的轮缘组成。按齿线形状区分，有直齿轮、斜齿轮、人字齿轮等。

除了直齿薄片（轮缘高度明显小于径向尺寸）齿轮可由板料经冲裁获得外，传统齿轮制造过程是，先经过锻造或铸造得到齿槽填满余块的齿轮坯，然后切削加工（插/刨削、铣削、磨削等）去除余块与余量，得到轮齿。为便于切削加工和得到较好的综合性能以及较高的硬度，制造过程中还需要热处理工艺配合。

经过锻造得到的齿轮承载能力较强，是齿轮制造的主流。传统主流方法存在以下缺点：1）锻造组织流线被切断，降低了轮齿的力学性能；2）切削加工占用设备数量及耗费工时多，工件周转次数多，生产周期长，效率低；3）材料利用率低，能耗高，制造成本高。

为了克服这些缺点，1960年代以来，人们就齿轮（主要是直齿轮）精密成形开展了大量卓有成效的研究与探索，但是，除模数较小、径向尺寸较小的齿轴外，齿轮精密成形仍未进入产业化应用阶段。

齿轮精密成形亦称为齿轮精锻，需要解决的主要问题是轮齿精密成形，就是通过精密锻造直接获得齿面不需或仅需少许精加工即可使用的完整轮齿。

按轮齿/齿槽成形途径差异，现有齿轮（以直齿圆柱齿轮为例）轮齿精密成形主要有三种类型。各类成形途径中，坯料轴线一般应与模腔轴线重合，成形时沿轴向施加作用力。

第一类是全隆埂途径。

闭式模锻是被研究较透彻的轮齿精密成形方法。一般选用直径略小于齿根圆的圆柱形坯料，轮齿全部由齿根部隆起获得，故称为全隆埂途径。全隆埂途径又可细分为一步法和两步法。

（1）一步法的变形过程是，坯料被轴向镦压，径向尺寸发生不均匀增大，填充模腔。一步法工步数少，设备动作简单，但下端齿顶部（模腔下角隅）填充困难，即使施加极大的作用力，该部位填充效果仍不理想。同时，模具服役条件恶化，工件脱模困难。主要原因是该部位模腔相对宽度小，金属流动行程长，需克服四面摩擦阻力（其余部位摩擦阻力较小或呈积极摩擦效果）；若为热锻，金属流动到此会降温，流动性变差。一步法难于实际应用。

（2）两步法即两次闭式模锻，变形过程是，在同一（或同样的）凹模腔内，先用预成形凸模镦压坯料，获得工序件；再用终成形凸模镦压工序件，完成成形。预、终成形凸模的差别体现在子午面上，轴向投影图没有差别。两步法可降低成形力，改善填充效果和模具服役条件。但是，工件的轮齿部分两次接触同样的凹模腔，不合理；工件脱模困难的问题依然存在，这是全隆埂途径共同的缺点。

还有一种采用两副模具两次闭式模锻的方法。第一步，坯料在侧壁凹凸幅度稍大于目标值一半的预成形模腔内被轴向镦压，获得以齿根圆为基准的“半隆埂”工序件（轴向预留必要尺寸）；第二步，将工序件置于终成形模腔内，轴向被再次镦压，借助于“径向刚性平移流动模式”假设，即期望轮齿充满之前，模腔侧壁的轮齿啮合面与金属不接触，消除或减小外摩擦来实现轮齿的最终成形。因与最小阻力定律不符而未能实现角隅充满。

改善全隆埂途径的措施还有：浮动凹模成形、闭塞模锻、分流成形等。这些方法能在一定范围内改善填充效果，降低成形力；但存在模具结构复杂，所需设备动作复杂等不足，实际应用受到了局限。其中，分流成形还在工件上附加了多余体积，需要后续切削加工去除，既浪费材料，又降低了生产效率，相当程度上抵消了精密成形的优势。

总之，全隆埂途径存在诸多严重的工艺局限性。

第二类是全开槽途径。

正挤压是另一种被研究相当透彻的轮齿精密成形方法。须将直径约等于齿顶圆的圆柱形坯料上位于齿槽空间的金属全部转移出去，才能获得轮齿，故称为全开槽途径。

正挤压可一步完成轮齿成形，但先出来的端面平面度差，后端需留有不能通过模具型孔的台阶；同时，所需成形力大，坯料与模具接触时间长，模具服役条件恶劣。一般认为，正挤压适用于径向尺寸较小、模数较小的柱形齿轮，特别是柱面带齿的长轴（包括花键轴）成形。该方法已经获得了相当范围的应用。

如公开号为CN1868633A的中国专利申请“一种直齿圆柱齿轮的成形方法”属于这种类型。

第三类是“开放隆埂-扩槽”途径。

1990年代以来，一种称为“推过”的轮齿精密成形方法见诸报道。所谓推过是指凸模推动置于凹模上的坯料或中间工序件穿过带齿廓的凹模而成形，其过程与常规开式模锻后的切除飞边类似。“推过”方法有一步法和多步法两种类型。

（1）一步法，即直接将直径大于分度圆、小于齿顶圆的圆柱坯料（一般要求坯料横断面面积等于齿轮轴向投影面积）推过凹模。采用的凹模与齿槽对应处无劈刃，不利于金属朝预定方向流动；采用的凸模无齿形，不能进入凹模终成形段，需要后一个工件推动前一个工件才能完成成形。研究表明，对于较大模数的轮齿，即使在齿槽对应处设置劈刃，变形过程中，齿槽的槽口隆起较高，而齿顶中部隆起较低，结果在齿顶中部形成汇流折叠；同时，起始端边缘塌角严重。

如公开号为CN1544175A的中国专利申请“直齿圆柱齿轮挤压凹模”属于这种类型。

（2）多步法，即先采用闭式模锻“开放成形”（指凹模的齿根圆不变，齿埂腔适当放宽），得到齿顶欠充满、齿宽富余的第一工序件；再经若干次推过整形，逐步使齿槽扩宽或齿宽变窄，齿顶升高。该方法通过“开放隆埂-扩槽”途径获得轮齿。

该方法最少需用4种模具，经三大步骤完成。第一步，温态闭式模锻（齿廓单边放大a，a取0.8~6.0mm，齿形面积约大5%~40%）；第二步，温态推过整形（齿廓单边放大b，b取0.1~3.5mm，齿形面积约大5%~30%）；第三步，冷态推过整形（齿廓单边放大c，c取0.0~2.5mm，齿形面积约大0%~20%）。齿廓单边放大量a＞b＞c。各整形步骤的变形量不能过大，对于模数较大的齿轮，每个步骤需用多级尺寸的模具分多次完成。整形过程中，轮缘高度不再发生改变。

该途径存在的不足是：1）“开放成形”削弱了与齿槽对应部位凹模的强度，且脱模困难；2）整形易引起边缘塌角；3）所需工步数量和模具数量较多，效率低。

如公开号为CN1367051A的中国专利申请“齿轮精密塑性成形工艺及其成形模”属于这种类型。

总之，现有的轮齿精密成形技术存在诸多不足，主要表现为以下几点：

1）全隆埂途径轮齿角隅填充困难，工件脱模困难。

2）浮动凹模成形、闭塞模锻、分流成形所需模具结构复杂，所需设备动作复杂。

3）分流成形的轮齿部分需两次进入同样模腔，且存在一定的材料浪费。

4）全开槽途径难于适用于径向尺寸较大、模数较大的齿轮成形。

5）全隆埂途径和全开槽途径所需成形力大，模具服役条件恶劣。

6）用圆柱坯料直接“推过”会在齿顶形成汇流折叠，起始端边缘塌角严重。

7）“开放隆埂-扩槽”途径第一步削弱凹模强度，后续步骤易引起边缘塌角，且所需工步和模具数量多、效率低。

现有技术存在诸多不足的原因主要有：1）成形途径不合理；2）没有预成形或预成形欠合理；3）终成形凹模形状不合理。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出通过“增径半隆埂-劈槽”途径及相应模具，实现直/斜齿齿轮轮齿的精密成形。

本发明是通过以下由两个步骤组成的技术方案实现的（以直齿圆柱齿轮为例）。

第一步，将圆柱形坯料（1）闭式模锻为两端径向尺寸和端面形状存在差异，柱面呈“增径半隆埂”状态的预成形件（2）；第二步，将预成形件（2）穿过各齿槽对应处设有劈刃的终成形凹模（12），使轮缘发生劈挤变形，各槽底加深、各埂顶升高，得到齿廓完整的轮齿。

（1）本发明将闭式模锻作为预成形步骤，预成形件（2）的形状设计考虑了预、终成形的合理分工，具有以下特征。

特征之一是，为弥补终成形起始段齿顶圆尺寸不足，在子午面上（参见附图4），取大端（6）齿顶圆直径D₁为（D-2b）~D（参见附图4之Ⅰ侧、附图5），D为终成形齿顶圆直径，b为终成形齿槽底宽度。大端（6）齿顶圆直径D₁与小端（7）齿顶圆直径D_y之间以倾斜角度γ ₁过渡，取γ ₁为2°~10°。同时，大端（6）齿根圆直径D₂与小端（7）齿根圆直径D₀（即坯料直径）（参见附图4之Ⅱ侧、附图5）之间以γ ₂过渡，取γ ₂为1°~7°。这种形状恰好为预成形件（2）出模提供便利。

特征之二是，为弥补终成形起始端边缘塌角，在子午面上（参见附图4），自内到外渐变增大了大端（6）边缘轴向尺寸（参见附图4之Ⅰ侧）。边缘范围是指D₁至D-2（ΔR+b）之间的环形区域，D₁为大端（6）齿顶圆直径，D-2（ΔR+b）为终成形阶段不变形区域直径（D为终成形齿顶圆直径；ΔR为终成形齿高；b为终成形齿槽底部宽度，参见附图5）。取齿顶部轴向增高量ΔH为（0.4~0.8）ΔR；在大端（6），不变形区域与齿顶之间以曲面f过渡，曲面f为锥面或为以锥面为基准向外凸起幅度为0~ΔH/3的曲面。这种形状恰好便于保证预成形件（2）大端（6）填充良好。

特征之三是，在轴向投影图上（参见附图5），预成形件小端轴向投影轮廓（9）所包围的面积等于齿廓（8）所包围的面积，但预成形件小端轴向投影轮廓（9）凹凸（或弯折）程度减缓，是一种介于平均直径轮廓（10）和齿廓（8）之间的一种“增径半隆埂”形状。所谓“增径半隆埂”是指相对背景技术中的全隆埂途径两步法原有的以齿根圆为基准的“半隆埂”，预成形齿根圆直径（即坯料直径D₀）明显增大。凹凸幅度尺寸ΔR_y的取值范围为（0.25~0.75）ΔR，ΔR为终成形齿高。预成形件小端轴向投影轮廓（9）为样条曲线，或为圆弧过渡，凹凸变化应使相对齿廓（8）齿槽多余面积s₂等于相对齿廓（8）齿顶缺少面积s₁。这种形状明显缩短了金属在预成形阶段的径向流动行程，既可降低成形力，又可确保预成形件的周边填充良好。更为重要的是，可避免用圆柱坯料直接“推过”成形（较大模数）轮齿存在的齿顶汇流折叠。

特征之四是，大端（6）轴向投影面积大于终成形所需面积，因而增大了预成形件体积，在终成形过程中，这些分布于大端边缘的多余体积会逐步向另一端传递替换，最终成为废料（14），不增加终成形件（齿轮）（13）的体积。这种多余体积恰好发挥了类似开式模锻飞边的工艺补偿作用，适应坯料体积波动、模具磨损、加热损耗等实际生产中必然出现的情况，为稳定大批量生产提供了保障。

预成形件主体轴向尺寸H₁等于终成形件轮缘高度（参见附图4、附图7）。

具备这种特定形状的预成形件，闭式模锻容易充满，所需变形力小，脱模容易。同时，为终成形提供了工艺补偿体积。

预成形凸模（3）的工作部分呈中央凸起状，和预成形凹模（4）的积极摩擦配合，可保证闭式模锻过程中大端（6）填充良好。

预成形所用的模具结构设计与一般闭式模锻相同。为提高承载能力，凹模须采用组合结构，即外围用预应力圈箍住。

（2）本发明将推过作为终成形步骤。终成形凹模（12）与齿槽对应部位称为劈楔，数量与轮齿数相等。终成形凹模（12）具有以下特征。

特征之一是，每个劈楔头部为尖劈状，有一条劈刃（16）和两个工作面（17），每条劈刃（16）由两个工作面（17）交会而成，工作面可以是较容易制造的平面或类似流线型的微凸曲面。相邻劈楔之间需要过渡面（18）（参见附图8、附图10），以避免应力集中，相向两工作面之间倒圆角即获得过渡面（18）。

特征之二是，工作面（17）的法线相对于轴向、径向、切向三个方向均呈倾斜状态，工作面夹角α ₀范围为30°~100°（参见附图9），劈刃倾角β范围为20°~75°（参见附图7）。

特征之三是，劈楔头部有宽度为h的工作带，h取0.5~8.0mm（参见附图7、附图10）。

终成形凹模内这种构造的劈楔既有利于金属向预定方向流动，又降低了成形力。

终成形凹模（12）的轴向投影轮廓就是齿轮的轴向投影轮廓（工作部位参见附图8）。为提高承载能力，凹模须采用组合结构，即外围用预应力圈箍住。

终成形凸模（11）的轴向投影轮廓也是齿轮的轴向投影轮廓，但周向需略减小，做出与终成形凹模（12）之间的间隙，间隙取0.1~0.5mm；子午面轮廓随齿轮是否有轮辐-轮毂而定。终成形过程中，终成形凸模（11）主要起传力作用。

终成形模具在相当程度上与常规开式模锻切边模类似，终成形凸模（11）几乎与切边凸模一样。

相对于预成形方位，终成形须将预成形件（2）倒置，即大端（6）朝下，放在终成形凹模（12）上；终成形凸模（11）下行，推动预成形件（2）穿过终成形凹模（12）。就每个齿槽来说，该步骤发生劈挤变形，可简称为“劈槽”。

本发明所述的“劈槽”是指尖头劈楔沿轴向劈入预成形件（2）的齿槽部位，其变形过程为，成形初期，劈刃（16）（参见附图8、附图9、附图10）首先将起始端齿槽底部进行劈分，继而因工作面（17）倾斜和摩擦作用，将起始端（6）恢复为平面（近似），因工作面（17）尚未全面接触坯料，故齿顶隆起不明显；此阶段，由于终成形起始端（原预成形大端）（6）为自由表面，因内部应力作用，会在齿槽底附近形成高度不大的凸起（15）（参见附图7和附图13）。

尔后，逐步进入稳态成形阶段，工作面（17）迫使相对齿廓（8）齿槽多余面积s₂向齿根转移（参见附图5中v₂），齿根向心方向阻力很大，受最小阻力定律支配，驱使半隆埂的齿顶发生离心方向运动，向相对齿廓（8）齿顶缺少面积s₁转移（参见附图5中v₁），实现齿顶增高。从槽的角度看，凹槽底部金属受到切向分力的作用而向槽两侧流动，槽被加深；从埂（轮齿）的角度看，金属受到两侧切向分力的作用而隆起，获得齿廓完整的轮齿。该过程中金属发生连续局部变形。

因工作面（17）倾斜和摩擦作用，“劈槽”过程中，一方面，金属会沿轴向发生不均匀位移，即预成形件特征之四所说的大端边缘多余体积会发生传递替换。因而，预成形件大端径向尺寸在给定范围内增大才能保证起始端（6）终成形效果。另一方面，劈楔前方会出现少量材料堆积。这种位移与堆积，又恰好能弥补闭式模锻小端角隅容易欠充满的不足。

成形后期，一般会有少量前方堆积成为废料（14），在终成形凸模（11）和终成形凹模（12）的剪切作用下，与终成形件（齿轮）（13）分离。变形结束，终成形件（齿轮）（13）已离开终成形凹模（12）。在终成形结束端（原预成形小端）（7），一般会沿齿廓（8）残留毛刺（19）（参见附图14）。

至于工件成形温度，主要按模具强度和成形力大小而定。在现有条件下，钢质件一般宜热态或温态成形。

工件精度由模具制造精度和成形温度变化幅度决定。

生产过程中，模具工作部位可适当涂抹具有冷却和润滑作用的流体物质。

本发明可用于斜齿轮（分度圆柱螺旋角为8°~20°）精密成形（参见附图15和附图16）。凹模与凸模相对轴向运动时，附加相应的绕轴线旋转运动即可。

本发明的有益效果：

就预成形来说，预成形凹模（4）模腔侧壁凹凸（或弯折）程度较缓，预成形凸模（3）中部高、外围低，这种构造使得闭式模锻时金属在模具内容易填充，且所需成形力较小；同时，预成形凹模（4）模腔侧壁相对于预成形凸模（3）的运动方向倾斜，便于预成形件（2）脱模。所需顶出动作在一般锻压设备（如机械压力机、螺旋压力机、锻锤等）上均容易实现。

就终成形来说，终成形凹模（12）上与轮齿对应部位采用了劈刃（16）和倾斜工作面（17），既有利于金属向预定方向流动，又降低了成形力。终成形的变形主要发生在距齿槽底部约与齿槽底部宽度b相当的浅层和轮齿区域，且为连续局部成形，不是整体填充成形，所需成形力较小。轮齿-齿槽的成形不用借助轮辐或轮毂孔成形时的径向力。这就为大模数、较多齿数（齿顶圆直径较大）齿轮的精密成形提供了可能。终成形模具结构简单，一定程度上相当于常规开式模锻的切边模，使用常规设备（如机械压力机等）即可。由于承受变形力小，模具服役条件较好，寿命长。终成形件（齿轮）（13）完成变形即离开模具，不存在脱模问题。

本发明在稍有废料损失的前提下，解决了传统齿轮精密成形存在的轮齿填充欠饱满，脱模困难，模具结构复杂而服役条件恶劣，对设备动作要求复杂等一系列问题。而且，这种废料（多余体积）恰好发挥了类似开式模锻飞边的工艺补偿作用，能适应坯料体积波动、模具磨损、加热损耗等实际生产中必然出现的情况，为稳定大批量生产提供了保障。所谓稍有废料损失是指本发明提出的方法损失的废料量仅约为常规开式模锻飞边的1/3或更少，对经济性影响很小。

总之，本发明对工艺条件要求低，适应性广。

可以设想，将本发明提出的成形方法和模具用于连续镦锻机或组织生产线可以获得很高的生产效率。

附图说明

附图1为坯料1的形状。其中，D₀为坯料直径；H₀为坯料高度。

附图2为预成形过程模具闭合状态主剖面图。其中，1为坯料（轮廓）；2为预成形件；3为预成形凸模；4为预成形凹模；5为顶件块。

附图3为预成形凹模4的俯视图（工作部分局部视图）。其中，1为坯料（轮廓）；4为预成形凹模。

附图4为预成形件2的子午面图。其中，Ⅰ为过齿顶的子午面；Ⅱ为过齿槽底的子午面。1为坯料（轮廓）；2为预成形件；6为大端（也是终成形起始端）；7为小端（也是终成形结束端）；D₁为大端齿顶圆直径；D₂为大端齿根圆直径；D-2（ΔR+b）为终成形阶段不变形区域直径（D为终成形齿顶直径；ΔR为终成形齿高；b为终成形齿槽底部宽度）；D_y为小端齿顶圆直径；D₀为小端齿根圆直径（也是坯料直径）；H₁为预成形件主体轴向尺寸（等于终成形轮缘高度）；ΔH为齿顶部增加的轴向尺寸；f为终成形阶段不变形区域端面与齿顶部增加的轴向尺寸ΔH之间的过渡曲面；γ ₁为大端齿顶圆直径D₁与小端齿顶圆直径D_y之间的过渡斜角；γ ₂为大端齿根圆直径D₂与小端齿根圆直径D₀（也是坯料直径）之间的过渡斜角；H₀为坯料高度。B-B剖面的局部放大图即为附图5。

附图5为预成形件2小端的横断面图（附图4中B-B剖面的局部放大）。其中，8为齿廓；9为预成形件小端轴向投影轮廓；10为平均直径轮廓；D为终成形齿顶圆直径；ΔR为终成形齿高；b为终成形齿槽底部宽度；D₀为坯料直径（也是预成形件小端齿根圆直径）；ΔR_y为“增径半隆埂”高度；D_y为预成形件小端齿顶圆直径；s₁为相对齿廓8齿顶缺少的面积；s₂为相对齿廓8齿槽多余的面积；v₁为预成形齿顶金属向终成形齿顶转移方向；v₂为预成形齿槽金属向终成形齿根转移方向。

附图6为预成形模具三维造型图。其中，3为预成形凸模；4为预成形凹模；5为顶件块。

附图7为终成形过程及其模具主剖面图。其中，左侧为起始状态，右侧为结束状态；11为终成形凸模；2为预成形件（已倒置）；7为终成形结束端（也是预成形小端）；12为终成形凹模；13为终成形件（齿轮）；14为废料；15为凸起；β为尖头劈楔的劈刃倾角；h为劈楔头部工作带宽度；H₁为终成形件轮缘高度（等于预成形件主体轴向尺寸）。K向（局部）视图即为附图9。

附图8为终成形凹模12的俯视图（工作部分局部视图）。其中，16为劈刃（数量等于齿轮的齿数）；17为工作面，每个劈楔有两个工作面；18为相向工作面（或相邻劈楔）之间的过渡面。

附图9为附图7的K向（局部）视图。其中，α ₀为尖头劈楔的工作面夹角。

附图10为终成形凹模12两个劈楔的三维造型图。其中，16为劈刃；17为工作面；18为相邻劈楔之间的过渡面；h为劈楔头部工作带宽度。

附图11为预成形件2的照片，材料为工业纯铅。6为大端（也是终成形起始端），f为终成形阶段不变形区域与齿顶部增加的轴向尺寸ΔH之间的过渡曲面。

附图12为废料14的照片，材料为工业纯铅。

附图13为终成形件（齿轮）13（材料为工业纯铅）的一种视角照片。6为终成形起始端（也是预成形大端），是先离开凹模的端面，15为凸起，位于齿槽底附近。

附图14为终成形件（齿轮）13（材料为工业纯铅）的另一种视角照片。7为终成形结束端（也是预成形小端），是后离开凹模的端面，19为毛刺，沿齿廓8分布。

附图15为按本发明方法成形斜齿圆柱齿轮（齿数Z=12，模数m=4，轮缘高度为30mm，分度圆柱螺旋角为12°）的终成形数值模拟过程中某瞬间的效果图。

附图16为按本发明方法成形斜齿圆柱齿轮（齿数Z=12，模数m=4，轮缘高度为30mm，分度圆柱螺旋角为12°）的终成形数值模拟完成效果图。

具体实施方式

本发明的齿轮精密成形模具有闭式模锻预成形模具、推过终成形模具两种。

（1）预成形模具实施例见附图2、附图3、附图6，预成形模具工作部分由预成形凹模4、预成形凸模3、顶件块5组成。预成形凹模腔侧壁轮廓为“增径半隆埂”状，轴向投影图和子午面尺寸参见附图3、附图4、附图5、附图6，为提高承载能力，凹模须采用组合结构，即外围用预应力圈箍住；预成形凸模3工作端子午面形状按预成形件2大端形状制造，轴向投影亦按预成形件2制造；顶件块5轴向投影轮廓按预成形件小端轴向投影轮廓9制造。

（2）终成形模具实施例见附图7、附图8、附图9、附图10，终成形模具工作部分由终成形凹模12和终成形凸模11组成。终成形凹模腔轴向投影图为齿廓8，上端有数量与齿数相等的劈楔，劈楔头部有劈刃16和工作面17，工作面为平面，工作面夹角α ₀取60°，劈刃倾角β取60°，工作带宽度h取3mm。为提高承载能力，凹模须采用组合结构，即外围采用预应力圈箍住。终成形凸模11轴向投影轮廓按齿廓8制造，但周向略减小，与终成形凹模12之间的间隙取0.2 mm；与工件接触端取平面。

模具材料与热处理要求参见本专业有关手册。

以某直齿圆柱齿轮（齿数Z=12，模数m=4，轮缘高度为30mm）的精密成形过程为例，阐述本发明用于轮齿精密成形的具体实施步骤。

1）坯料规格选择：坯料直径大于终成形齿根圆直径，但应略小于预成形齿根圆直径，以坯料加热后能放入预成形凹模膛中为宜，以便准确定位，若坯料直径偏小，宜增加（闭式）镦粗工步。

2）下料：坯料尺寸（参见附图1）按体积不变原则确定，注意增加废料损失及加热损耗。

3）坯料加热：在感应圈或其它加热设备上将坯料加热到锻造温度。

4）闭式模锻预成形（参见附图2、附图3、附图6）：工作前，需对模具进行合理预热，然后，将已加热的坯料1立置于预成形凹模4的模膛中，预成形凸模3下压，坯料发生变形，轴向高度减小，径向不均匀增大，成为“增径半隆埂”预成形件2（参见附图4、附图5、附图11），预成形凸模3上行后，顶件块5将预成形件2顶出。

5）推过终成形（参见附图7、附图8、附图9、附图10）：将热态（趁余热，若已降温，须另行加热到锻造温度）预成形件2倒置（相对于预成形时的方位，即大端6朝下）于终成形凹模12上，并注意保证同轴度；终成形凸模11下行，推动预成形件2相对于终成形凹模12运动，各劈刃16首先将各齿槽底部进行劈分，继而工作面17迫使相对齿廓8齿槽多余的面积s₂向齿根转移（参见附图5中v₂），齿根向心方向阻力很大，受最小阻力定律支配，驱使半隆埂的齿顶发生离心方向运动，向相对齿廓8齿顶缺少的面积s₁转移（参见附图5中v₁），实现齿顶增高。随着终成形凸模11下行，工件发生连续局部变形，终成形得以逐步完成。除了在终成形起始端6的齿槽底附近会形成高度不大的凸起15外，因工作面17倾斜和摩擦作用，金属会沿轴向发生不均匀位移，劈楔前方会出现少量材料堆积。末了阶段，终成形凸模11推动终成形件（齿轮）13穿过终成形凹模12，在终成形凸模11与终成形凹模12的剪切作用下，废料14与终成形件（齿轮）13分离，终成形件（齿轮）13落下，离开终成形凹模12；废料14留在终成形凹模12上；终成形凸模11上行，取出废料14。若废料14箍在终成形凸模11上，则应采用某种卸料装置。

需要说明的是，上段所描述的是“劈槽”中后期（稳态变形）的状况。因工作面17倾斜和摩擦作用，“劈槽”过程中，金属会沿轴向发生不均匀位移，即预成形件大端边缘多余体积会发生传递替换，因而，预成形件大端径向尺寸在给定范围内增大才能保证起始端终成形效果。

生产过程中，模具工作部位可适当涂抹具有冷却和润滑作用的流体物质。

以上描述的是一个工作循环，完成一件齿轮的精密成形。

后续工序如锻件冷却、热处理、表面清理、去毛刺等与一般锻件生产工序类似。

Claims (1)

1.一种直/斜齿柱形齿轮精密成形方法，其特征是由两个步骤实现：第一步，将圆柱形坯料（1）闭式模锻为预成形件（2）；第二步，按大端至小端的顺序将预成形件（2）穿过终成形凹模（12），使轮缘发生劈挤变形，各槽底加深、各埂顶升高，得到齿廓完整的轮齿；

预成形模具按预成形件（2）形状制造，所述的预成形件（2）具有如下结构：

在预成形件（2）的子午面上，取大端（6）齿顶圆直径D₁为（D-2b）~D，D为终成形齿顶圆直径，b为终成形齿槽底部宽度；大端（6）齿顶圆直径D₁与小端（7）齿顶圆直径D_y之间以倾斜角度γ ₁过渡，取γ ₁为2°~10°；同时，大端（6）齿根圆直径D₂与小端（7）齿根圆直径D₀之间以γ ₂过渡，取γ ₂为1°~7°；

在预成形件（2）的子午面上，自内到外渐变增大大端（6）边缘轴向尺寸，所述的边缘是指D₁至D-2（ΔR+b）之间的环形区域，D₁为大端（6）齿顶圆直径，D-2（ΔR+b）为终成形阶段不变形区域直径，其中，D为终成形齿顶圆直径，ΔR为终成形齿高，b为终成形齿槽底部宽度；并取齿顶部轴向增高量ΔH为（0.4~0.8）ΔR；在大端（6）终成形阶段不变形区域与齿顶之间以曲面f过渡，曲面f为锥面或为以锥面为基准向外凸起幅度为0~ΔH/3的曲面；

在轴向投影图上，预成形件（2）小端轴向投影轮廓（9）所包围的面积等于齿廓（8）所包围的面积；预成形件（2）小端轴向投影轮廓（9）凹凸幅度尺寸ΔR_y的取值范围为（0.25~0.75）ΔR，ΔR为终成形齿高；预成形件（2）小端轴向投影轮廓（9）为样条曲线或为圆弧过渡，并使相对齿廓（8）齿槽多余面积s₂等于相对齿廓（8）齿顶缺少面积s₁；

大端（6）轴向投影面积大于终成形所需面积；

预成形件（2）主体轴向尺寸H₁等于终成形件轮缘高度；

所述的终成形凹模（12）具有如下结构：

终成形凹模（12）与齿槽对应部位劈楔的数量与轮齿数相等；

每个劈楔头部为尖劈状，有一条劈刃（16）和两个工作面（17），每条劈刃（16）由两个工作面（17）交会而成，工作面为平面或微凸曲面；

工作面（17）的法线相对于轴向、径向、切向三个方向均呈倾斜状态，工作面夹角α ₀范围为30°~100°，劈刃倾角β范围为20°~75°；

劈楔头部有宽度为h的工作带，h取0.5~8.0mm；

终成形凹模（12）与终成形凸模（11）之间的间隙取0.1~0.5mm。

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