CN103522024A - 中大模数圆柱齿轮的成形工艺及其专用模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中大模数圆柱齿轮的成形工艺及其专用模具，该工艺为：首先对原材料进行预处理形成空心坯料，然后对空心坯料进行预成形温锻处理形成齿轮初坯，接着对齿轮初坯进行精成形冷挤齿整形处理形成齿轮原始坯，最后对齿轮原始坯进行鼓形齿精加工处理和热处理。该专用模具，包括内模和套设在内模外侧的外模套，在所述内模中间开有齿形模腔，所述内模与外模套采用小锥度过盈配合连接。本发明提高了生产中大模数齿轮时，钢材的利用率，降低了齿轮生产的周期和生产耗能成本，且使得生产出来的齿轮上的齿的抗弯曲强度大大提升。
Description
技术领域
本发明属于齿轮成形技术领域，涉及齿轮冷挤齿工艺，尤其涉及中大模数圆柱齿轮的成形工艺及其专用模具。
背景技术
农业机械产品中大量使用中大模数的圆柱齿轮，以适应工作环境较差，负荷较大，连续工作时间较长，短时超载时间占比例较高的工作要求，这类齿轮长期以来一直是以普通的机械加工为唯一的生产方法。而这类零件又是各种农机产品中的主要传动件。
圆柱齿轮类零件的常规制造方法一般为：下料，热锻，正火，机械加工，热处理，精加工成为成品零件。其中在机械加工中把大量的金属材料经刀具的切削成为铁屑，浪费了大量的钢材材料，同时由于使用各种机床和刀具的加工，使得加工的周期变长，占用了大量的加工时间，消耗了大量的电量，且抗弯强度不够好。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种中大模数圆柱齿轮的成形工艺及其专用模具，在生产中大模数齿轮时，提高了钢材的利用率，降低了齿轮生产的周期和生产耗能成本，且使得生产出来的齿轮上的齿的抗弯曲强度大大提升。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种中大模数圆柱齿轮的成形工艺，首先对原材料进行预处理形成空心坯料，然后对空心坯料进行预成形温锻处理形成齿轮初坯，接着对齿轮初坯进行精成形冷挤齿整形处理形成齿轮原始坯，最后对齿轮原始坯进行鼓形齿精加工处理和热处理。具体步骤如下：
（1）首先根据齿轮实体的大小下料，原材料经抛丸处理，消除表面凸凹面和氧化皮后，将所述的原材料加热至115-125℃，进行冷冲压挤出内孔并切边形成空心坯料，所述空心坯料再经表面涂敷抗氧化剂，加热至800℃-850℃时，在锻模内温锻出并切边形成齿轮初坯；
（2）然后在齿轮初坯表面涂敷一层磷皂化膜，在密闭状态下的冷挤齿整形模具中，分多步进行冷挤齿整形齿轮初坯，最后冷挤齿形成齿轮原始坯，且在每次冷挤齿整形时都在齿轮初坯表面重新涂敷一层磷皂化膜；
（3）最后将齿轮原始坯的齿面定位在立式拉床上，在其齿面进行鼓形齿精加工，所述齿轮原始坯距齿根0.6倍齿高位置沿齿面到齿顶进行逐渐收缩，最大收缩量为0.02倍的齿高，在距离两端面为齿宽的0.2倍处，分别向两端面进行逐渐收缩，最大收缩量为0.01倍齿高，随后进行热处理，完成所有加工工序。
中大模数圆柱齿轮的成形工艺过程中，使得空心坯料在加热至800℃-850℃的温度进行温锻时，且在空心坯料外表面涂敷一层抗氧化剂，使得空心坯料在温锻时，表面不会生成氧化皮，还可以保证齿轮初坯的精度和质量较传统工艺更加精良。在进行齿轮初坯冷挤齿整形工序时，在齿轮初坯外表面涂敷一层磷皂化膜，使得齿轮初坯在冷挤齿变形时与模具间的摩擦系数减小，防止出现边界摩擦，在此基础上，冷挤齿整形齿轮初坯工序分多步完成，形成齿轮原始坯，并且在每次冷冲齿整形时都重新在齿轮初坯表面重新涂敷一层磷皂化膜。分解为若干次的冷挤齿整形，可以让每次冷挤齿的变形量控制在材料的形变范围内，有利于制造出来的成品齿轮的整体强度。最后再对齿轮原始坯进行鼓形齿精加工，可以使齿面多余的材料流向齿根以加固齿的抗弯强度。
更进一步的，所述的抗氧化剂为液化石墨乳。
中大模数圆柱齿轮的成形工艺的专用模具包括内模和套设在内模外侧的外模套，所述内模由硬性材料制成，所述外模套由韧性材料制成，在所述内模中间开有齿形模腔，所述齿形模腔的齿厚为成形圆柱齿轮的齿厚沿齿根到齿顶逐渐增厚后的尺寸，且增厚的齿厚最大值在0.01-0.02倍齿高之间，所述内模与外模套采用小锥度过盈配合连接。
更进一步的，所述内模的制成材料为65Nb模具钢或者合金工具钢，所述外模套的制成材料为H13模具钢或者9CRWMN模具钢，由于外模套的制作材料是韧性材料，所以具备较好的塑性，可以充分保护内模在冷挤的过程中不会发生开裂之类的破坏。
更进一步的，所述内模与外模套之间的过盈量在1-1.5mm之间，采用加压热套法在外模套温度较高时，压在内模的外部，冷却后，内模与外模套紧密地连接在一起。
有益效果：本发明较现有技术，具有以下优点：（1）通过温锻和冷挤齿整形的工序的结合，使得在确保生产效率和生产成本的基础上，可以大大的减少钢材的浪费；（2）通过对齿轮初坯进行冷挤齿整形和对齿轮原始坯的齿进行鼓形齿精加工，使得生产出来的齿轮上的齿的抗弯曲强度大大提升；（3）本发明不仅适合于普通的小型齿轮的加工，尤其适用于中大模数的齿轮加工。
附图说明
附图1为本发明冷挤齿整形专用模具的俯视图。
附图2为本发明冷挤齿整形专用模具的主视图。
附图3为本发明中齿形模腔的局部放大图。
图4为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1、附图2所示，本发明的专用模具包括内模1和套设在内模1外侧的外模套2，所述内模1由硬性材料制成，所述外模套2由韧性材料制成，在所述内模1中间开有齿形模腔3，所述内模1与外模套2之间的过盈量在1-1.5mm之间，所述内模1与外模套2采用小锥度过盈配合连接采用加压热套法在外模套2温度较高时，把外模套2压在内模1的外部，冷却后，内模1与外模套2紧密地连接在一起。
所述内模1由硬性材料65Nb模具钢或者合金工具钢制成，所述外模套2由韧性材料H13模具钢或者9CRWMN模具钢制成，由于外模套的制作材料是韧性材料，所以具备较好的塑性，可以充分保护内模在冷挤的过程中不会发生开裂之类的破坏，可以完成的锻压次数在300次以上。
本发明中，采用数字化建模构建模腔，数字化建模过程如下：
需要构建的模腔以圆柱齿轮的实体大小为参照。1）首先对齿曲面上各点的坐标值进行计算，一般以端面为基础，对于圆柱渐开线齿轮模型计算出渐开线上的较多点，一般在单齿面上取50点，再在全部齿宽上取50个截面，这样每个齿面可以得到51×51个点坐标，组成一个齿槽的点，坐标数一般为5200个；2）同一个截面的点坐标用样条线连接，形成一个完整的齿形，每个截面所做的样条线全部形成沿截面方向的渐开线集；3）沿齿向取相同位置的点坐标用样条线连接，形成沿齿向完整的样条线，和步骤2）所做的样条线集形成交叉的样条线网络；4）在UG软件中用“交叉网络成曲面”的功能对步骤2）和步骤3）形成的网络做出曲面，由于点取的相当多，故这样的曲面与实际曲面的误差较小；5）完成其他的曲面后，利用软件中的曲面缝合功能，把包围一个齿槽的所有曲面变成一个齿槽的实体；6)在UG软件中根据齿轮齿顶圆的大小及宽度做出一个圆柱体；7)把一个齿槽与圆柱体进行布尔运算的求减，得到有一个齿槽的不完整齿轮，再对这个齿槽进行阵列后得到全部的齿，形成一个高精度的圆柱齿轮一样的模腔，即齿形模腔3。
所述齿形模腔3开设在内模1中间，再将内模1套设在外模套2内，构成用于精成形的冷挤齿整形用的专用模具。
进一步的，如附图3所示，上述的齿形模腔3通过慢走丝线工艺进一步切割加工模腔轮廓，经过加工后的齿形模腔3的齿厚为成形圆柱齿轮的齿厚（齿轮齿面轮廓4）沿齿根到齿顶逐渐增厚（切割加工）后的尺寸，且增加的齿厚最大值在0.01-0.02倍齿高之间，形成齿形模腔3的模腔齿面轮廓5。
以下是采用专用模具，生产中大模数圆柱齿轮的工艺步骤：
如附图4所示，一种中大模数圆柱齿轮的成形工艺，首先对原材料进行预处理形成空心坯料，然后对空心坯料进行预成形温锻处理形成齿轮初坯，接着对齿轮初坯进行精成形冷挤齿整形处理形成齿轮原始坯，最后对齿轮原始坯进行鼓形齿精加工处理和热处理。
具体的工艺流程包括以下步骤：
（1）首先根据齿轮实体的大小下料，原材料经抛丸处理，消除表面凸凹面和氧化皮后，将所述的原材料加热至115℃-125℃，进行冷冲压挤出内孔并切边形成合格的空心坯料，所述空心坯料再经表面涂敷抗氧化剂，所述的抗氧化剂为液化石墨乳，加热至800℃-850℃时，在锻模内温锻出并切边形成齿轮初坯；
（2）然后在齿轮初坯表面涂敷一层磷皂化膜，在密闭状态下的冷挤齿整形模具中，分多步进行冷挤齿整形齿轮初坯，最后冷冲齿形成齿轮原始坯，且在每次冷冲齿整形时都在齿轮初坯表面重新涂敷一层磷皂化膜；
（3）最后将齿轮原始坯的齿面定位在立式拉床上，在其齿面进行鼓形齿精加工，所述齿轮原始坯距齿根0.6倍齿高位置沿齿面到齿顶进行逐渐收缩精加工，最大收缩量为0.02倍的齿高，在距离两端面为齿宽的0.2倍处，分别向两端面进行逐渐收缩精加工，最大收缩量为0.01倍齿高，随后进行热处理，完成所有加工工序。
在成形工艺过程中，首先按照需要加工出的齿轮的实体大小下料，下料得到的块状原材料经过抛丸处理后，加热到115℃-125℃，进行冷冲压挤出内孔的空心坯料，进行冷冲压时，原材料的温度控制在115℃、120℃或125℃时，冷冲压得出的空心坯料均符合要求。接着使得空心坯料在加热至800℃-850℃的温度进行温锻，温锻出切边完成的齿轮粗坯，在进行温锻前，先在空心坯料外表面涂敷一层抗氧化剂，使得空心坯料的表面不会生成氧化皮，且得到的齿轮初坯的精度和质量较传统工艺更加精良，本发明中将空心坯料加热到800℃、825℃或850℃时，均能温锻出合格的齿轮初坯。在进行齿轮初坯冷挤齿整形工序时，在齿轮初坯外表面涂敷一层磷皂化膜，使得齿轮初坯在冷挤齿变形时与模具间的摩擦系数减小，防止出现过大的边界摩擦，在此基础上，冷挤齿整形齿轮初坯工序分多步完成，形成齿轮原始坯，并且在每次冷冲齿整形时都重新在齿轮初坯表面重新涂敷一层磷皂化膜。分解为若干次的冷挤齿整形，可以让每次冷挤齿的变形量控制在材料的形变范围内，有利于制造出来的成品齿轮的整体强度。最后再对齿轮原始坯进行鼓形齿精加工，可以使齿面多余的材料流向齿根，进一步的加固齿的抗弯强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种中大模数圆柱齿轮的成形工艺，其特征在于：首先对原材料进行预处理形成空心坯料，然后对空心坯料进行预成形温锻处理形成齿轮初坯，接着对齿轮初坯进行精成形冷挤齿整形处理形成齿轮原始坯，最后对齿轮原始坯进行鼓形齿精加工处理和热处理。
2.根据权利要求1所述的一种中大模数圆柱齿轮的成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）首先根据齿轮实体的大小下料，原材料经抛丸处理，消除表面凸凹面和氧化皮后，将所述的原材料加热至115℃-125℃，进行冷冲压挤出内孔并切边形成空心坯料，所述空心坯料再经表面涂敷抗氧化剂，加热至800℃-850℃时，在锻模内锻出并切边形成齿轮初坯；
（2）然后在齿轮初坯表面涂敷一层磷皂化膜，在密闭状态下的冷挤齿整形模具中，分多步进行冷挤齿整形齿轮初坯，最后冷挤齿形成齿轮原始坯，且在每次冷挤齿整形时都在齿轮初坯表面重新涂敷一层磷皂化膜；
（3）最后将齿轮原始坯的齿面定位在立式拉床上，在其齿面进行鼓形齿精加工，所述齿轮原始坯距齿根0.6倍齿高位置沿齿面到齿顶进行逐渐收缩，最大收缩量为0.02倍的齿高，在距离两端面为齿宽的0.2倍处，分别向两端面进行逐渐收缩，最大收缩量为0.01倍齿高，随后进行热处理，完成所有加工工序。
3.根据权利要求2所述的一种中大模数圆柱齿轮的成形工艺，其特征在于：所述的抗氧化剂为液化石墨乳。
4.中大模数圆柱齿轮的成形工艺的专用模具，其特征在于：包括内模（1）和套设在内模（1）外侧的外模套（2），所述内模（1）由硬性材料制成，所述外模套（2）由韧性材料制成，在所述内模（1）中间开有齿形模腔（3），所述齿形模腔（3）的齿厚为成形圆柱齿轮的齿厚沿齿根到齿顶逐渐增厚后的尺寸，且增厚的齿厚最大值在0.01-0.02倍齿高之间，所述内模（1）与外模套（2）采用小锥度过盈配合连接。
5.根据权利要求4所述的中大模数圆柱齿轮的成形工艺的专用模具，其特征在于：所述内模（1）的制成材料为65Nb模具钢或者合金工具钢，所述外模套（2）的制成材料为H13模具钢或者9CRWMN模具钢。
6.根据权利要求4所述的中大模数圆柱齿轮的成形工艺的专用模具，其特征在于：所述内模（1）与外模套（2）之间的过盈量在1-1.5mm之间。
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