CN104438993A - 一种改善齿形突耳缺陷的齿轮滚轧成形方法 - Google Patents

Abstract

一种改善齿形突耳缺陷的齿轮滚轧成形方法，用至少一个模数和压力角与成形齿轮相同的滚压轮对坯料进行滚轧，各个滚压轮同向旋转并沿坯料径向进给，在滚压轮滚轧的同时，用一个圆柱轮对坯料逐渐成形的齿形齿顶进行碾压，随着齿形齿顶沿径向逐渐长高，圆柱轮逐渐进行径向回退运动，滚圆齿形齿顶滚轧中形成的突耳，获得齿顶相对平整的无突耳或者小突耳的成形齿轮。该方法在原滚轧过程中施加一个圆柱轮来同步碾平齿形齿顶出现的突耳，过程简便，易于实现，成形后质量好，免除或大幅减小额外的切除突耳的机械加工，节省材料，显著提高圆柱齿轮滚轧成形的生产效率，并降低生产成本。

Description

一种改善齿形突耳缺陷的齿轮滚轧成形方法

技术领域

本发明涉及一种滚轧渐开线齿轮成形方法，属于轧制成形技术领域。

背景技术

齿轮是近代机器中最常见的机械元件之一，是机械产品的重要基础零部件。目前齿轮的主要生产工艺是切削加工与精密锻造成形等。

圆柱齿轮的精密锻造成形工艺基本上是采用镦挤方法，这种封闭的成形方法使得金属毛坯在成形接近终了阶段的流动受到极大的限制，材料的变形抗力急剧上升，导致齿廓充填不完满、所需设备吨位大、模具工况恶劣、出模困难等。

轧制成形是一种连续的局部加载局部变形的回转塑性成形工艺，变形力显著降低，连续的回转运动也使得对模具的冲击作用较小，几乎不存在模锻成形出现的出模困难等问题。齿轮滚轧工艺体现了轧制成形方式的优势和齿轮锻造成形技术的优点，目前主要有两种基本成形方法：齿条滚轧成形及滚压轮滚轧成形。其中，滚压轮滚轧成形工艺更具有实用性。

滚压轮滚轧工艺原理如图1所示，一对(或三个或更多)参数相同的滚压轮平行安装在两根主轴上，在传动机构的驱动下做同向和同步旋转。工件以其两端中心孔定位，始终与两个滚压轮处于自由对滚状态。在液压系统提供的滚压力作用下，两个滚压轮径向进给接触并挤压工件。随着挤入量的增加，工件外圆部分的金属在滚压轮间借助范成运动形成齿形，直至滚轧出整个齿轮结构。

齿轮滚轧成形典型的缺陷有如图2所示的齿形突耳、齿腹线不对称及端部鼓形等，其中突耳缺陷是齿轮滚轧成形工艺中最严重的质量缺陷，是在齿形的顶部两侧形成的突起。突耳现象是由于在滚轧过程中与滚压轮接触的表层坯料流动较快而逐渐累积形成的，是齿轮滚轧成形变形方式下固有的变形特征。需要通过机械加工切除突耳。通过工艺参数调配，难以显著改善或消除齿形突耳现象。有报道提出，采用逆向旋转滚压轮来减小凸耳的方法并对其进行了模拟研究，结果对突耳程度改善不大。

发明内容

本发明针对现有齿轮滚轧成形技术中因其模具与坯料之间以啮合方式做范成运动造成的齿形突耳缺陷，提供一种简单方便、成本低、切实有效的改善齿形突耳缺陷的齿轮滚轧成形方法。

本发明的改善齿形突耳缺陷的齿轮滚轧成形方法，是：

用至少一个模数和压力角与成形齿轮相同的滚压轮对坯料进行滚轧，各个滚压轮同向旋转并沿坯料径向进给，在滚压轮滚轧的同时，用一个圆柱轮对坯料逐渐成形的齿形齿顶进行碾压，随着坯料齿形齿顶沿径向逐渐长高，圆柱轮逐渐进行径向回退运动，滚圆齿形齿顶滚轧中形成的突耳，获得齿顶相对平整的无突耳或者小突耳的成形齿轮。

圆柱轮的径向回退运动轨迹根据滚轧成形中滚压轮的径向进给量按照齿形材料体积分配量引起的齿顶圆尺寸变化而获得，该运动轨迹由公式ctgα·h²-bh+aV₀·t+V₀ ²·ctgα·t²＝0确定，其中h为圆柱轮由起始位置径向回退的位移量(也是坯料齿形长高量)，V₀为滚压轮的径向进给速度，t为滚压轮滚轧时间，α为以成形齿轮的齿顶宽a为上底、齿根宽b为下底、齿高H为高度组成的等腰梯形的下底角，由此公式得到滚轧过程中某个时刻圆柱轮的位置。

本发明在原滚轧过程中施加一个圆柱轮来同步碾平齿形齿顶出现的突耳，过程简便，易于实现，成形后质量好，免除或大幅减小额外的切除突耳的机械加工，节省材料，显著提高圆柱齿轮滚轧成形的生产效率，并降低生产成本。

附图说明

图1是现有滚压轮滚轧成形原理示意图。

图2是滚压轮滚轧成形存在的突耳缺陷示意图。

图3是本发明带有圆柱轮的齿轮滚轧成形原理示意图。

图4是本发明在滚轧前的状态示意图。

图5是本发明滚轧四分之一圈的示意图。

图6是本发明滚轧半圈的示意图。

图7是本发明圆柱轮的径向回退运动轨迹的公式推导示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明的改善齿形突耳缺陷的齿轮滚轧成形方法，是用至少一个或多个(图中设置两个)模数和压力角与成形齿轮相同的滚压轮对坯料进行滚轧，滚压轮一边旋转，一边径向进给，各滚压轮的转动方向相同，上述过程与现有的滚压轮滚轧工艺一样。本发明与现有滚压轮滚轧工艺不同之处在于，本发明在通过滚压轮对坯料滚轧的同时，用一个圆柱轮对坯料进行碾压，滚轧成形过程中控制圆柱轮的径向回退运动，对逐渐成形的齿形齿顶进行滚圆，碾平滚轧中形成的齿顶突耳，达到抑制或消除齿形突耳缺陷的目的，获得齿顶相对平整的无突耳或者小突耳的成形齿轮，无需或大幅减小切除突耳的机械加工。圆柱轮绕其中心的回转运动处于自由状态，在坯料带动下被动转动。

滚轧前，如图4所示，圆柱轮与坯料处于接触状态，两侧滚压轮进行径向进给并顺时针旋转，带动坯料逆时针转动转，同时坯料带动圆柱轮进行顺时针旋转。当坯料旋转1/4圈时，如图5，圆柱轮与坯料外圆出现的齿形接触并施压，同时进行径向回退运动，坯料旋转半圈后的齿形如图6所示，经过圆柱轮的碾压，滚轧出现的些许突耳得到了碾平。图3为滚轧期间的齿形状态。圆柱轮在滚压轮滚轧过程中处于自由滚动状态，在坯料旋转1/4圈之后，其径向位置根据滚轧成形中滚压轮的径向进给速度按照齿形材料体积分配量引起的齿顶圆尺寸变化而进行控制。

圆柱轮径向回退运动轨迹如图7所示，其中，图7(a)为一个完整的渐开线齿形，图7(b)为渐开线齿形简化的梯形，图7(c)为滚压轮渐开线齿形简化的梯形。图中齿顶宽a、齿根宽b和齿高H根据齿形参数为已知量，以齿顶宽a为上底、齿根宽b为下底和齿高H为高度组成一个等腰梯形，该梯形的下底角α可由a、b、H计算得到。假设滚压轮的径向进给速度为V₀，图(c)中滚压轮以V₀的速度径向进给，在t时间内滚压轮进给深度为V₀t，同时坯料齿形长高，长高量为h(如图(b))，坯料齿形长高量也是圆柱轮由起始位置径向回退的位移量(圆柱轮径向回退量)。在随后的dt时间滚压轮又进给了V₀dt(如图(c))，坯料齿形相应长高dh(如图(b))。滚压轮在dt时间内挤入坯料的面积为S_轮，坯料齿形长高的面积为S_坯。根据塑性成形体积不变原则，坯料挤入和挤出的材料体积相等，即S_轮＝S_坯。

由图(c)，根据几何关系可得：

由图(b)，根据几何关系可得：

由S_轮＝S_坯，化简并略去高阶无穷小量后，将等式化简为

aV₀·dt+2V₀ ²·ctgα·dt＝b·dh-2h·ctgα·dh；

经积分并带入两个边界条件： $\left\{\begin{array}{c}t=0,h=0\\ t=\frac{H}{V_0},h=H\end{array}\right.$ 得到常量C＝0。

因此得到齿形长高量h(即圆柱轮径向回退量)与滚压轮进给时间t的关系式如下：

ctgα·h²-bh+aV₀·t+V₀ ²·ctgα·t²＝0。

由此公式即可得到某个时刻圆柱轮的位置。

Claims (2)

1.一种改善齿形突耳缺陷的齿轮滚轧成形方法，其特征是：

用至少一个模数和压力角与成形齿轮相同的滚压轮对坯料进行滚轧，各个滚压轮同向旋转并沿坯料径向进给，在滚压轮滚轧的同时，用一个圆柱轮对坯料逐渐成形的齿形齿顶进行碾压，随着齿形齿顶沿径向逐渐长高，圆柱轮逐渐进行径向回退运动，滚圆齿形齿顶滚轧中形成的突耳，获得齿顶相对平整的无突耳或者小突耳的成形齿轮。

2.根据权利要求1所述改善齿形突耳缺陷的齿轮滚轧成形方法，其特征是：所述圆柱轮的径向回退运动轨迹根据滚轧成形中滚压轮的径向进给量按照齿形材料体积分配量引起的齿顶圆尺寸变化而获得，该运动轨迹由公式ctgα·h²-bh+aV₀·t+V₀ ²·ctgα·t²＝0确定，其中h为圆柱轮由起始位置径向回退的位移量(也是坯料齿形长高量)，V₀为滚压轮的径向进给速度，t为滚压轮滚轧时间，α为以成形齿轮的齿顶宽a为上底、齿根宽b为下底、齿高H为高度组成的等腰梯形的下底角，由此公式得到滚轧过程中某个时刻圆柱轮的位置。