CN104540611A - 螺旋花键成形 - Google Patents

Abstract

一种用于形成具有螺旋花键的成品件的旋压成形机和方法。旋压成形机(10)设置有剥料板(12)和推力轴承(16)，剥料板(12)用于从心轴(14)移除在其中具有螺旋花键的成品件(4)，推力轴承(16)在成品件(4)从心轴(14)剥离期间位于剥料板(12)与成品件(4)之间，以允许剥料板(12)与成品件(4)之间的相对移动，以将成品件(4)从心轴(14)成功地剥离而不损坏且同时保持成品件(4)的螺旋花键的完整性。顶出驱动器(32)和心轴(14)可沿任一方向旋转以有助于将成品件(4)从心轴(14)成功地剥离。

Description

螺旋花键成形

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年7月5日提交的美国临时专利申请序列No.61/668,271的优先权。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及具有内部螺旋花键的零件的成形。更具体地，本公开涉及从心轴移除形成在心轴上并具有至少一个内部螺旋花键的零件。

背景技术

旋压成形的使用有悠久的历史和成熟的知识，用于制造零件的相关加工包括气缸和具有通常沿着气缸的长度并垂直于心轴的基部形成的内部花键的成形缸。这些年来，形成各种包括壳体的这样的物体的成形和加工已经得到了发展和改进。

通常，旋压成形与许多其他金属成形方法相比提供了更高的精度、经济性和灵活性。旋压成形工艺通常涉及可配合在心轴上的被称为“预制件”或“胚料”的圆筒形工件。在旋压成形中，心轴为下述工具：预制件可在该工具上被挤压出以产生该工具的外部形状的内部镜像形状。在机床中，预制件和心轴均被固定并使预制件和心轴在成形工具向预制件的外径施加压缩力时旋转。通常，成形工具可包括三个等间隔的、液压驱动的、CNC控制的辊子或成形器。辊子或成形器相继地应用于预制件以实现辊子每次经过预制件期间壁的预先计算量的减少从而朝向心轴形成材料。预制件的材料被压缩超过其屈服强度，并且塑性变形到心轴上。工件的所需几何形状在预制件的外径和壁被减小并使可用材料体积在心轴上纵向旋压时被实现。

已加工工件(即，成品件)在尺寸上表现精确并且在成品件的内部上表现出一致的几何形状。随后的操作可以提供如所期望的成品件的各种尺寸。由于壳体的内部上的花键保持了在离合器壳体中轴向行进以操作离合器的离合器组件，因此现有的旋压成形加工对设计成在离合器壳体应用中起作用的成品件起很大作用。由于顶出(ejection)轴线与心轴和心轴适配器的行进方向是一致的，因此诸如具有直花键的离合器壳体之类的设计允许成品件相对容易地从心轴移除。通常，已知使用剥料板从心轴顶出包括轴向对准的直花键的成品件。成品件通过使心轴朝向接合成品件的端部的剥料板移动而被顶出，同时心轴被继续从成品件撤出。然而，已经发现这种方法和设计在心轴被设计成在预制件上形成诸如螺旋花键之类的轴向偏移花键时是非常不适用的。在这些设计中，已经尝试使用相同的剥料板并且然后例如通过在剥离过程期间旋转主轴来使心轴旋转以顶出包括螺旋花键的成品件。移除包括螺旋花键的成品件的这种尝试还没有成功。

在一个失败的尝试中，通过考虑成品件的螺旋花键的尺寸精度与传统的成品件顶出技术(或者系统)以及利用中央顶出器逆着主轴旋转的方向的旋转的成品件顶出相结合，零件顶出被认为是可能的。

用于制造具有螺旋花键的成品件的替代方案确实存在。这种替代方案包括使用传统的拉削方式和滚齿方法的工艺，该工艺是多步骤、昂贵且耗时的工艺。拉削技术和滚齿技术通常需要两部分的预制件，这两部分的预制件首先被成形并机加工，并且然后例如通过焊接而将这两部分结合在一起或一体地结合到成品件中。当前的内齿圈对比所提出的内齿圈。通常已知一个这样的零件，在该零件中，使用两件式构造生产成品件。螺旋环由螺旋拉刀在这两个件中的每一件中进行拉削，并且然后这两个件通过激光焊机焊接成预加工件。这些通常已知的技术在相当长的时间期间被用来在零件中形成花键，并且代替这些技术的旋压成形用于具有直的、轴向对准的花键的零件。但目前使用的用于具有螺旋花键的成品件的这些通常已知的技术或系统显著地增加了最终成本和总成本，并且增加了在制造这样的成品件时的低效率。因此，长期以来需要一种减少成本和与拉削工艺和滚齿工艺相关联的低效的技术或系统(装置和方法)，以及需要在成本和效率更接近使用旋压成形技术的成本和效率的情况下形成具有螺旋花键的成品件。

此外，尽管有许多不同的尝试，但是旋压成形工艺不能保护成品件的完整性，并且特别地，不能保护螺旋花键的尺寸完整性。传统的拉削技术和滚齿技术依然在被使用，但是它们是昂贵且低效的。因此，仍然长期迫切需要一种解决方案来提供一种用于将具有螺旋花键的成品件从心轴脱离并同时保持成品件在各个方面的完整性的装置和方法。

发明内容

本发明涉及一种用于包括螺旋花键的旋压成形的成品件的新的系统技术和装置(工具和方法)，该成品件可在保持成品件的完整性的同时自动地从工具剥离。该技术的基本概念概述了用于形成具有花键的成品件的旋压成形方法，其中，等间隔的凹槽围绕中央轴线形成大致螺旋形形状，该螺旋形形状通常由成品件的轴的中央轴线限定。

螺旋花键的侧面可以是平行的，其中，花键的等间隔的凹槽的侧面沿两个方向(即，径向和轴向)平行，或者可以是渐伸线，其中，花键的等间隔的凹槽的侧面是渐伸线(或者渐开线)，例如，其中，通过将假想的拉紧线附接至给定的曲线并且在其缠绕在例如渐开线齿轮的给定曲线上时跟踪其自由端而从另一给定的曲线获得曲线。

成品件的螺旋花键具有显著的优点，例如在高负载下能够使用于固定接合应用的应力集中最小化。该产品的另一好处是螺旋花键可以允许零件之间的旋转运动和线性运动。螺旋花键可在根本上减小接合部件的损坏和齿轮隙。将螺旋花键旋压成形允许构造具有包括旋压形成的螺旋花键的单件式构造的成品件。

该方法被证明是有成本效益的并是有效的，这是因为当前的制造工艺需要一种比该新系统和方法更昂贵的拉削方法，该新系统和方法独自实现了用于包括螺旋花键的单件式成品件的旋压成形技术。根据本发明的方法由于缺少拉削方法和滚齿方法并且通过实现旋压成形而需要较少的步骤。另外，用于生产根据本发明的产品的单件式设计显著提高了制造的总效率。

此外，本技术将用于获得具有更多种材料属性的最终产品。本技术通过包括相对较低的碳金属(包括例如SAE 1008、SAE 1010、SAE 1012)的许多零件设计和材料已经被证明是成功的，并且已利用渐高的碳钢(包括例如SAE 1026、SAE 1030、SAE 1035)而被发展和证明。本发明已被测试并且被证明对于在从旋压成形工具(心轴)顶出成品件的同时仍保持成品件的螺旋花键的尺寸精度和完整性而言是成功的。

本发明的其他应用领域通过以下提供的详细描述将变得明显。应当理解的是，详细描述和具体示例尽管表明了本发明的优选实施方式，但是仅意在说明性的目的并且不意在限制本发明的范围。

附图说明

通过详细描述和附图将更充分地理解本发明，在附图中：

图1为根据本发明的示例性系统的局部截面图形视图，其中，预制件部被装载在工具中并在成形在心轴上之前；

图1A为根据本发明的匹配成形特征的正视图；

图2为根据本发明的图1的系统的局部截面图形视图和示意图，其中，辊子已将预制件成形在心轴上以形成成品件；

图3为根据本发明的图1至图2的系统的截面图形视图和示意图，其中，剥料板的推力轴承接合成品件并且移动顶出驱动器以开始从心轴剥离成品件；

图4为根据本发明的图1至图3的系统的截面图形视图和示意图，其中，包括螺旋花键的成品件已被从心轴完全地剥离，而对成品件的花键没有任何损坏；以及

图5为根据本发明的包括通过心轴形成的螺旋花键的成品件的立视图。

具体实施方式

优选实施方式的下列描述实质上仅是示例性的，并且绝不意在限制本发明、本发明的应用或用途。

总体上参照图1至图4，本发明涉及一种用于将工件或预制件2旋压成形为总体上以4示出的成品件的系统(装置和方法)，该成品件包括在旋压成形过程期间通过心轴形成的螺旋花键。对螺旋花键进行旋压成形允许具有包括旋压成形的螺旋花键的单件式构造的成品件4的制造。通常，可自动地从装置剥离包括螺旋花键的旋压成形的成品件4，同时还保持成品件4的完整性。成品件4可具有等间隔的凹槽的花键，以围绕中央轴线形成大致螺旋形形状。

总体上以10示出的旋压成形机设置有剥料板12和推力轴承16，剥料板12用于从心轴14移除其中具有螺旋花键的成品件4，推力轴承16在成品件4从心轴14的剥离期间位于剥料板12与成品件4之间以允许剥料板12与成品件4之间的相对运动以成功地使成品件4从心轴14剥离而没有损坏，并且同时保持成品件4的螺旋花键的完整性。顶出驱动器32能够与工具中的心轴的内部花键成形特征同步地轴向移动和旋转(即，图3中的说明性箭头)。顶出驱动器32和心轴14可沿总体由用于说明的旋转箭头R表示的第一方向旋转，或者沿任一方向旋转以有助于将成品件4成功地从心轴14剥离。

为了旋压成形在其中具有螺旋花键的可用的成品件4，总体上以18示出的多个辊子接合装载在心轴14上的工件或预制件2。最优选地，使用至少三个辊子18。工件2以通常已知且标准的形式装载在心轴14上并且在心轴14和总体上以20示出的尾座组件之间紧固就位。如图1所示，工件2利用工件2的中央部的内径22定位。工件联接至总体上以24示出的顶出驱动器头部，该顶出驱动器头部具有用于接合预制件的匹配成形(例如六边形形状)特征23。心轴14由心轴主适配器26和心轴适配器28支承并且在预制件的成形期间可以可选地旋转。

尾座组件20和所述多个辊子18是可缩回的。尾座组件20提供了对连接至尾座组件20的尾座头部30的支承。当不处于缩回位置时，尾座头部30将工件2接合并紧固就位在心轴12和顶出驱动器头部24(见图1至图2)上并且接触顶出驱动器头部24。

如果预制件或工件2在成形期间进行旋转——这通常是将预制件旋压成形的优选方法，则尾座组件20和心轴适配器28一致地旋转以使心轴14和预制件2同时旋转。所述多个辊子18——旋压成形的可旋转压力辊子18——通过利用极大的预定压力来使预制件2变形以迫使材料抵靠在心轴14上，同时使预制件或工件2朝向成品件4轴向伸长以及径向变薄。如图3最佳地示出，工件的所需的几何形状在预制件的外径和壁减小并且可用材料体积通过辊子18的一次或更多次经过被迫在心轴上流过时被实现(即，成品件4)。图1为了示例的目的描绘了由示出的处于部分缩回位置的辊子18抵靠于心轴14之前的预制件的材料。图2描绘了通过辊子18经过至少一次而成形在心轴14上的预制件2。

如图3最佳地示出，一旦成品件4完全旋压成形在心轴14上，辊子18就会被清除并移动至安全的缩回位置，使得辊子18远离成品件4，并且尾座组件20和尾座头部30也被缩回并且远离成品件4。成品件保持在心轴14上并且需要从心轴移除或剥离成品件而不损坏由心轴14形成在成品件4中的螺旋花键。

如应该理解的是，工具(即，心轴14)的公差如预期的那样在旋压成形过程期间被转移至成品件4。然而，由于成品件4意在要求包括对于螺旋花键的非常精密的公差，因此成品件4在旋压成形过程期间获得了与心轴14的牢固的过盈配合，并且需要相对较大的力来将成品件4从心轴14移除。由于螺旋花键匹配心轴14的螺旋花键，因此过盈配合由于螺旋花键的复杂的几何形状而更加复杂。通常，需要近似约150bar(2175psi)的力来将成品件4从心轴14顶出。

剥料板12围绕成品件4和心轴适配器(或轴)28设置以在顶出驱动器32被移动或被撤回成使成品件4从心轴14剥脱或移除时形成抵靠成品件4接合的止动件。由于在成品件4中有螺旋花键，因此顶出驱动器32和心轴14沿与螺旋花键的相反的方向旋转，同时成品件4接合剥料板12以使成品件4从心轴14“松脱”。

如图所示，本方法和系统包括定位成接近剥料板12中的开口34的推力轴承16。推力轴承16具有联接至剥料板12的第一侧36以及用于在剥离过程期间接合成品件4的表面——例如，成品件4的终端端部——的第二侧38。用于接合成品件4的第二侧38的外表面具有相对粗糙的设计以用于限制和/或防止成品件4从心轴14的剥离期间第二侧38与成品件4之间的相对移动。推力轴承16允许剥料板12和成品件4在剥离过程期间的相对运动，这起到避免并防止成品件4的、导致螺旋花键损坏的某些运动的作用。此外，已经确定也可使用推力轴承16。

顶出驱动器32具有用于接合预制件和成品件的内径的匹配成形特征23以在移除期间给予除了轴向力之外的旋转力。由于剥料板12装备有推力轴承16以允许工件在从心轴14的移除过程期间自由地旋转，因此避免了花键或轮齿的变形。由于成品件4和心轴14的螺旋花键完全地控制了这两个零件在剥离过程期间的相对移动和旋转，因此避免了损坏。然而，在没有推力轴承16的情况下，尝试通过利用心轴适配器28控制心轴14的旋转来控制这两个件的相对移动。可预期的是，在顶出驱动器32和心轴14不旋转的情况下剥离螺旋花键部是可能的。尽管如此，由于允许剥料板12和成品件4在剥离过程期间的相对移动的推力轴承16，现在由于螺旋花键以及顶出驱动器32的旋转使心轴14经由顶出驱动器32或者沿顺时针方向或者沿逆时针方向旋转以剥离成品件4是可能的。

图1A为示出了能够操作成接合预制件2并且允许转矩输入的具有六边形形状的匹配成形特征23的正视图。该匹配成形特征23可以抵靠接合成品件4并有助于在成品件从心轴的移除期间给予除了轴向力之外的旋转力。此匹配成形特征23可被单独或组合使用，以及与剥料板12和推力轴承16一起使用以用于成品件移除。

图5描绘了具有多个螺旋花键102的示例性成品件100，其中，等间隔的多个凹槽104围绕中央轴线形成大致螺旋形形状，该螺旋形形状通常由零件的轴的中央轴线限定。

螺旋花键102的侧面可以是平行的，其中，花键的等间隔凹槽104的侧面沿两个方向(即，径向和轴向)是平行的，或者可以是渐伸线，其中花键的等间隔凹槽104的侧面是渐伸线(或渐开线)，例如，其中，通过将假想的拉紧线附接至给定的曲线并且在其缠绕在例如渐伸线齿轮的给定曲线上时跟踪其自由端来从另一给定的曲线中获得曲线。

成品件100的螺旋花键102具有显著的优点，例如在高负载下能够使用于固定接合应用的应力集中最小化。该产品的另一好处是螺旋花键可以允许零件之间的旋转运动和线性运动。螺旋花键102可在根本上减小接合部件的损坏和齿轮隙，并且使螺旋花键102旋压成形允许构造具有包括旋压形成的螺旋花键102的单件式构造的成品件100。

本发明的描述实质上仅是示例性的，并且因而，不背离本发明的主旨的变型意在在本发明的范围内。这种变型不被认为是背离了本发明的精神和范围的。

Claims (20)

1.一种用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，所述系统包括：

心轴，所述心轴具有外部形状，预制件抵靠所述外部形状旋压成形为具有至少一个螺旋花键的所述成品件；

剥料板，所述剥料板用于从所述工具移除所述成品件；以及

推力轴承，所述推力轴承位于所述剥料板与所述成品件之间以允许所述成品件的移除期间在所述成品件与所述剥料板之间的相对移动。

2.根据权利要求1所述的用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，其中，所述系统包括心轴主适配器，所述心轴主适配器以可旋转的方式选择性地联接至所述成品件并且能够在所述成品件从所述心轴的移除期间使所述成品件旋转。

3.根据权利要求2所述的用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，其中，所述系统还包括能够轴向移动并能够旋转的顶出驱动器，所述顶出驱动器构造成使所述心轴在所述成品件从所述心轴的移除期间或者沿顺时针方向或者沿逆时针方向旋转。

4.根据权利要求3所述的用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，其中，所述顶出驱动器和心轴以可操作的方式构造成在所述成品件以可操作的方式接合所述剥料板的同时沿与所述螺旋花键的相反的方向旋转以使所述成品件从所述心轴松脱。

5.根据权利要求1所述的用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，其中，所述系统还包括多个辊子，所述多个辊子构造成接合装载在所述心轴上的所述预制件，并且构造成施加预定压力以迫使所述预制件抵靠在所述心轴上并形成所述成品件的预定的所需几何形状。

6.根据权利要求1所述的用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，其中，所述系统还包括匹配成形特征，所述匹配成形特征以可操作的方式定形并构造成抵靠所述预制件和所述成品件的内径接合，并且在所述成品件的移除的期间给予除轴向力之外的旋转力。

7.根据权利要求1所述的用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，其中，所述系统还包括顶出驱动器头部和能够缩回的尾座组件，所述能够缩回的尾座组件包括用于在成形期间接合所述预制件和所述顶出驱动器头部并紧固所述预制件的尾座头部。

8.根据权利要求7所述的用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，其中，所述尾座组件还能够旋转并构造成在使所述预制件旋压成形期间与心轴适配器一致地旋转以使所述心轴和所述预制件同时旋转。

9.根据权利要求1所述的用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，其中，所述推力轴承具有定位成接近所述剥料板的开口并联接至所述剥料板的第一侧以及用于在从所述心轴移除期间接合所述成品件的表面的第二侧。

10.根据权利要求1所述的用于从工具移除具有螺旋花键的旋压成形的成品件的系统，其中，所述成品件为单件式成品件，所述单件式成品件包括为等间隔的、旋压形成的内部螺旋花键的多个所述至少一个螺旋花键。

11.一种用于形成并移除包括螺旋花键的成品件的方法，所述方法包括下述步骤：

设置推力轴承，所述推力轴承抵靠剥料板定位以形成用于抵靠成品件的选择性接合的止动件；

将所述预制件装载在具有外部形状的心轴上，预制件抵靠所述外部形状旋压成形为具有多个螺旋花键的所述成品件；

将所述预制件成形到所述心轴上并且将所述多个螺旋花键旋压成形在所述预制件中以获得所述成品件；

利用所述剥料板从所述心轴移除所述成品件，其包括将所述推力轴承定位在所述剥料板与所述成品件之间以允许在施加从所述心轴移除所述成品件的预定的足够的力的同时进行相对移动而不损坏所述成品件的所述多个螺旋花键。

12.根据权利要求11所述的用于形成并移除包括螺旋花键的成品件的方法，还包括设置顶出驱动器头部和包括尾座头部的能够轴向缩回并能够旋转的尾座组件，所述尾座头部在成形期间接合所述预制件和顶出驱动器头部并紧固所述预制件。

13.根据权利要求12所述的用于形成并移除包括螺旋花键的成品件的方法，还包括设置心轴适配器，所述心轴适配器能够旋转并且在使所述预制件旋压成形期间选择性地使所述尾座组件和所述心轴适配器一致地旋转以使所述心轴和所述预制件同时旋转。

14.根据权利要求13所述的用于形成并移除包括螺旋花键的成品件的方法，还包括设置多个辊子，所述多个辊子为能够缩回并且能够旋转的压力辊子，在形成所述成品件中，所述多个辊子施加预定量的压力以迫使所述预制件抵靠所述心轴，并且同时轴向和径向地形成所述预制件的预定的所需几何形状。

15.根据权利要求14所述的用于形成并移除包括螺旋花键的成品件的方法，还包括在将所述成品件在移除之前保持在所述心轴上的同时将所述多个辊子和所述尾座组件移动至缩回位置。

16.根据权利要求11所述的用于形成并移除包括螺旋花键的成品件的方法，其中，所述多个螺旋花键匹配所述心轴的螺旋花键从而产生过盈配合，并且用于从所述心轴移除所述成品件的所述预定的足够的力约为2175psi。

17.根据权利要求11所述的用于形成并移除包括螺旋花键的成品件的方法，还包括设置顶出驱动器，所述顶出驱动器能够轴向移动并构造成在所述成品件的成形和/或移除期间使所述心轴或者沿顺时针方向或者沿逆时针方向旋转；以及在所述成品件以可操作的方式接合所述剥料板的同时沿与所述多个螺旋花键相反的方向旋转所述顶出驱动器以使所述成品件从所述心轴松脱。

18.根据权利要求11所述的用于形成并移除包括螺旋花键的成品件的方法，还包括设置匹配成形特征，所述匹配成形特征构造成与所述成品件接合并在所述成品件从所述心轴的移除期间给予除轴向力之外的旋转力。

19.根据权利要求11所述的用于形成并移除包括螺旋花键的成品件的方法，其中，未使用拉削方法或滚齿方法。

20.一种用于形成并剥离包括螺旋花键的成品件的方法，所述方法包括下述步骤：

设置多个辊子；

设置心轴，所述心轴具有外部形状，预制件抵靠所述外部形状旋压成形为包括多个螺旋花键的成品件；

将所述预制件装载在心轴上；

设置顶出驱动器头部和能够轴向缩回且能够旋转的尾座组件，所述尾座组件包括尾座头部，所述尾座头部在成形期间接合所述预制件和所述顶出驱动器并且紧固所述预制件；

设置顶出驱动器，所述顶出驱动器能够轴向移动并构造成使所述心轴在所述成品件的成形和移除期间或者沿顺时针方向或者沿逆时针方向旋转；

将所述预制件成形在所述心轴上并且将所述多个螺旋花键旋压成形在所述预制件中以获得所述成品件；

在所述成品件以可操作的方式接合所述剥料板的同时使所述顶出驱动器沿与所述多个螺旋花键相反的方向旋转以使所述成品件从所述心轴松脱；以及

利用所述剥料板从所述心轴移除所述成品件，其包括将所述推力轴承定位在所述剥料板与所述成品件之间以允许在施加从所述心轴移除所述成品件的预定的足够的力的同时进行相对移动而不损坏所述成品件的所述多个螺旋花键。