CN105436390A - 一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法及模具 - Google Patents

Abstract

一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法及模具，在闭式模锻镦压阶段，圆柱坯料被镦压成下角隅欠规整的中间工序件；中间工序件临近下角隅预留了相对齿廓凸起的体积；在顶出阶段，下凸模上行，利用凹模的侧壁锥面作用，使中间工序件欠规整的下角隅再次发生变形，将凸起体积向下角隅转移，完成下角隅成形。凹模结构为，用底面轮廓较轮齿齿顶轮廓增大的锥面将各个下角隅临近部位凹模腔扩大，使相应部位柱状模腔变为上小下大的棱台状模腔，齿根及远离下角隅部分依然保持柱状模腔。本发明解决了传统柱形齿轮精密成形存在的轮齿角隅填充欠饱满，成形力大，模具结构复杂而服役条件恶劣，模具寿命不高，对设备动作要求复杂等一系列问题。

Description

一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法及模具

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，涉及齿轮轮齿精密成形方法及其模具，特别适用于齿埂截面形状处处相等的直齿或斜齿柱形(圆柱或非圆柱，以下主要以圆柱齿轮为例)齿轮精密成形。

技术背景

柱形齿轮(以下简称齿轮)主要用于同一平面内传递力和运动，在各类机械装置中获得广泛应用。典型齿轮一般由轮毂、轮辐和带齿的轮缘构成。按齿线形状区分，有直齿轮、斜齿轮、人字齿轮等。

齿轮的传统制造过程是，先经过锻造或铸造得到齿槽填满余块，形状简化的轮坯，然后经切削加工(如插削、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，制造过程中还需要若干次热处理工艺配合。

经过锻造得到的齿轮承载能力较强，是齿轮制造的主流。传统主流方法存在若干缺点：其一是锻造组织流线被切断，降低了轮齿的力学性能；其二是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(流程)长，效率低；其三是材料利用率低，能耗高，制造成本高。

齿轮精密成形或称齿轮精锻，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(以下对“齿轮精密成形”与“轮齿精密成形”不加区分)。实现齿轮精密成形，可望克服传统主流方法存在的缺点，即不仅可大量减少粗切削加工设备及所耗费的工时，减少工件周转次数，缩短生产周期(或流程)，提高生产效率；还可明显降低材料消耗和能源消耗，降低制造成本；更为重要的是，这样的轮齿保留并可望使锻造组织流线合理分布，可以极大限度地提高轮齿的承载能力，满足现代制造业对高性能齿轮的迫切需要。可以推论，一些场合可采用稍小模数的精锻齿轮替代较大模数的切削加工齿轮，从而，实现机械装置轻量化；也可以说，采用不缩小模数的精锻齿轮，可明显提高机械装置的承载能力和安全系数、使用寿命。可见，开发齿轮精密成形存在着积极而宽广的技术经济前景。

为了阐述现有齿轮精密成形工艺存在的问题，有必要借助于Deform-3D或其它金属塑性变形数值模拟软件，观察正齿轮(材料以35钢为例)闭式模锻精密成形过程。数值模拟初始条件为：坯料温度1000℃，模具温度200℃，摩擦因子取0.3，上凸模下行速度100mm/s。

需指出，实际应用的齿轮，一般允许轮齿角尖(齿顶圆柱面与两个轮缘平面交汇处，精密成形过程通常称之为角隅)存在一定倒角(模数大，倒角大，反之则小)，一般尺度范围为(0.2～10.0)mm，大多数不大于2.0mm。故轻微(或尺度较小的)欠充满可不视为缺陷。

齿轮闭式模锻精密成形用模具的工作部分均为柱状(轴向投影为齿轮状)，但上、下凸模较凹模周边分别缩小一定间隙。工作时，模具轴线呈铅垂状态，上凸模与下模(含凹模及下凸模)的相对运动关系是，下模处于静止状态，上凸模相对下模运动。下凸模兼作顶件块，在上凸模上行后，下凸模受顶出机构驱动上行，将工件顶出凹模(凹模一直保持静止状态)。

齿轮闭式模锻精密成形过程为，第一阶段(即镦压阶段，对应于设备滑块一次“下行-上行”动作)，将直径略小于齿根圆的圆柱坯料置于凹模腔内(坯料轴线与凹模腔轴线尽量重合)，上凸模随设备滑块下行，工件被镦压，径向尺寸发生不均匀增大，形成轮齿。镦压初期，变形力较小，镦压中期变形力增大，但增速较缓慢，镦压末期，变形力陡增。工件成形之后，上凸模上行。继而进入第二阶段(即顶出阶段，对应于顶出机构一次“顶出-复位”动作)，下凸模(顶件块)受顶出机构驱动上行，克服“凹模-工件”接触面(主要是齿面)摩擦力，将工件顶出凹模，然后复位。取出工件，完成一个工作循环。工件的变形几乎全部发生在第一阶段，而第二阶段，工件几乎不发生变形。

以模数为4，齿宽为30mm的两种正齿轮(无轮辐结构齿轮齿数为12，齿顶圆直径为56mm，齿高为9mm；含轮毂、轮辐、轮缘结构齿轮齿数为32，齿顶圆直径为136mm，齿高为9mm)为例，变形金属填充齿顶腔的规律性次序是，轮齿齿宽中段(略偏上)最先充满，紧接着是填充上角隅(以得到存在不视为缺陷的轻微欠充满工件的变形力为100的话，上角隅充满瞬间的变形力约为50～60)，最后才填充下角隅。一般描述为“变形力陡增”阶段的起点恰恰对应于变形金属充满齿宽中段并继而填充上角隅的时刻，若需下角隅填充良好，变形力是上角隅填充时的一倍以上。

轮齿上角隅充满瞬间，齿宽方向已被镦压到接近或进入上偏差尺寸范围。由于变形金属与模具接触面存在摩擦力，一般可见，轮齿下角隅欠充满部分的轮廓表面呈非规则曲面，其三维(柱面坐标系)尺度为：齿宽方向较大，约为(B/5～B/3)，B为齿宽；与下凸模接触表面(凹模底面)的齿高方向稍小，约为h/3弱，h为齿高；齿厚方向尺度随齿廓而变化，与下凸模接触表面最大。

物理模拟实验过程中，也可观察到这样的填充次序和欠充满情况。这个填充次序与闭式模锻工艺中圆柱坯料成形为圆饼状工件类似，但圆饼状模腔较易填充，同样变形面积的情况下，所需变形力较小。

与普通模锻件成形相比较，齿轮闭式模锻精密成形的难度主要体现在：

其一，沿轴向施加的作用力与变形金属需要的流动方向(径向)正交，金属必须附带足够大的应力球张量(静水压力)才能顺利流动(尤其是变形末期，变形力陡增)。简而言之，所需变形力大，模具服役条件恶劣。

其二，轮齿的“齿厚/齿高”值较小(尤其在齿顶角隅部位)，变形金属填充这样的模腔遇到了极大的摩擦阻力。同时，若为热锻，金属到此会降温，流动性变差。如前所述，凹模静止而上凸模运动，这种静与动的差别，使得变形金属与模具之间的摩擦存在差别，带来的结果是工件上角隅稍容易填充，而工件下角隅极难充满。

其三，由形状所决定，轮齿部分不能设模锻斜度，这就使得成形后的工件必须依靠顶出力才能脱模。由于前述应力球张量大的原因，造成模具发生微量弹性变形，箍住工件，致使需要更大的顶出力才能实现工件脱模。

上述难度，也是齿轮闭式模锻精密成形存在的不足。

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研究与探索，但是，除模数和径向尺寸均较小的齿轴外，齿轮精密成形仍未进入产业化应用阶段。

以正齿轮为例，按成形步骤数差别，现有齿轮精密成形有一步法、两步法和多步法。一步法工步数和工件周转次数最少，占用设备数量最少，生产效率最高；同时，工件周转次数最少对于容易被磕碰损坏的齿轮精密成形意义重大。以下先介绍闭式模锻、正挤压、推过共三种现有的一步法的主要特点。

(1)闭式模锻是被研究较透彻的轮齿精密成形方法，获得的流线分布较合理。齿轮闭式模锻存在的不足前文已述，改善其效果的措施有：

1)浮动凹模成形。浮动凹模成形是在闭式镦压的同时，驱使凹模相对坯料也发生轴向运动，利用“积极摩擦”促使角隅填充。有研究表明，凹模随凸模同速向下，有利于下角隅填充，但上角隅欠饱满；凹模速度等于凸模速度的1/2时，上下角隅均不够饱满。可见，仅依赖于“模腔-工件”接触面的切向摩擦力，效果有限。同时，该方法所需模具结构和设备动作复杂。

如《热加工工艺》第38卷(2009年)第23期第112至114页，题为《浮动凹模对直齿圆柱齿轮精锻成形影响的研究》的论文所采取的方法属于这种类型。

2)闭塞模锻。闭塞模锻的过程为，在闭式镦压后期，保持上、下镦压凸模的环状部分静止不动，设法驱使挤胀凸模(镦压凸模中央部分)压入已基本成形的工件，迫使局部金属流向轮齿的上、下角隅。该方法的不足之处是，由于坯料镦压后形成了刚性区，应力球张量很大，挤压其中央部位需要施加极大的作用力，轮缘宽度较大的情况下，难于保证角隅填充；同时，模腔分块增多，各分块之间需相对运动，增大了模具结构复杂程度；还有，模具各分块之间需留有一定缝隙，金属在强大的三向压应力作用下会流入这样的缝隙，形成凸起或毛刺。此外，要为镦压合模和上下两个挤胀凸模分别提供驱动力和运动，要求设备动作复杂。

如题为《直齿圆柱齿轮精密塑性成形工艺及关键设备研究》的吉林大学博士学位论文(2010年)所采取的方法属于这种类型。

(2)正挤压是另一种被研究相当透彻的轮齿精密成形方法。其变形过程为，直径约等于齿顶圆的圆柱形坯料置于凹模腔内(坯料轴线与凹模腔轴线亦尽量重合)被轴向推挤，位于齿槽空间的金属被转移(几乎全部沿轴向转移)，形成轮齿。

由于变形金属与模具接触面摩擦的原因，先出来的端面边缘存在大塌角缺陷，使得轮齿组织流线相对齿轮传动平面(与齿轮轴线垂直的平面，或称为运动平面)发生了翘曲(与受力方向非正交)，不利于最充分地发挥组织流线的优势；后端需留有不能通过模具型孔的台阶。先出来的端面边缘大塌角段和后端台阶段通常会在后续加工中被切除，造成材料浪费。同时，所需成形力大(应力球张量大，这是正挤压变形的固有特征)，变形金属与模具接触时间长，模具服役条件恶劣。一般认为，正挤压适用于较小径向尺寸、较小模数的齿轮，特别是柱面带齿的长轴(包括花键轴)成形；一般不适于常见的齿宽尺寸小于齿顶圆直径的齿轮成形。

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。

(3)推过是1990年代出现的一种轮齿精密成形方法。其变形过程为，将直径大于分度圆、小于齿顶圆的圆柱坯料(一般要求坯料横截面面积等于齿轮轴向投影面积，坯料轴线与凹模腔轴线尽量重合)推过凹模。该过程可看作变形区外无径向约束的正挤压，也是将位于齿槽空间的金属转移(主要沿轴向转移，但部分金属沿径向转移到齿顶)，形成轮齿。若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；采用的无齿形凸模直径大于齿根圆，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。对于模数较大的轮齿，即使在齿槽对应处设置劈刃，变形过程中，齿槽槽口隆起较高，而齿顶中部隆起较低，结果在齿顶中部形成走向与齿线相同的汇流折叠。同时，这种方法得到的齿轮起始端边缘塌角严重，也不利于最充分发挥组织流线的优势，还浪费材料。

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。

现有一步法的不足可归纳为：

1)闭式模锻变形只发生在第一阶段，存在轮齿角隅填充困难，所需成形力大，模具服役条件恶劣；

2)浮动凹模成形、闭塞模锻所需模具结构复杂，设备动作复杂；

3)正挤压难于适应径向尺寸和模数较大的齿轮成形，也不适于常见的齿宽尺寸小于齿顶圆直径的齿轮成形，所需成形力大，模具服役条件恶劣；

4)对于模数较大的轮齿，推过会在齿顶形成汇流折叠；

5)正挤压和推过得到工件的起始端面边缘塌角严重，致使组织流线相对齿轮传动平面翘曲，不利于最充分地发挥组织流线的优势，还浪费材料。

现有技术存在诸多不足的原因主要有：其一是对模具结构的认识欠深入，凹模形状设计受工件形状局限；其二是未能有效利用第二阶段顶出动作对工件的再次作用，或者说没有挖掘顶出动作促使角隅填充的潜力。

已有齿轮精密成形方法还有两步法和多步法(如：分流成形、开放成形等，及其组合运用)，虽然存在工序多(自然需要多副模具乃至多台设备)、效率不高、浪费材料等不足，相当程度上抵消了精密成形的优势，但也存在一些合理成分，有必要作简单介绍。

分流成形是针对工件在闭式模锻变形末期存在变形力陡增现象而提出的一种改进措施。所谓分流成形是指坯料在第一副模具的模腔内镦压到轮齿主体基本成形之后，转到适当部位设置了分流空间的第二副模具模腔中再次镦压。分流空间分割了第一副模具中成形末期的整体刚性区，推迟了成形力陡增的到来，可改善角隅填充。1980年代中期开始，分流成形在日本获得应用，后被全球业内人士仿效，发展了约束分流和变换约束分流。变换约束分流虽然不用两副模具，但需变换模具中的局部元件，不便于实际应用。

如《锻压技术》第35卷(2010年)第2期第26至30页，题为《约束分流精锻成形直齿圆柱齿轮》的论文采用了约束分流方法。《锻压技术》第36卷(2011年)第2期第19至22页，题为《芯轴交换对直齿圆柱齿轮精锻成形的影响》的论文研究了变换约束分流。

为改进闭式模锻工艺存在齿顶角隅难于填充的不足，一些研究的做法是，预成形阶段采用开放成形，即用削弱了齿槽对应部位强度(齿根圆不变、齿埂腔适当放宽)的凹模闭式模锻，得到齿高不足、齿宽富余的第一工序件；再经多次推过整形，使齿槽扩宽、齿顶升高。整形凹模呈上下口略大、中段(定径段，或称工作带)略小的束腰状，工件在凸模的推动下穿过凹模工作带；其实质是，轮齿局部受到凹模内侧壁倾斜面作用，浅层金属发生轴向及径向转移，实现轮齿成形。

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。专利号为201210239825.X的中国专利(公开号为CN102764847)中采用的终成形凹模也是依靠倾斜面实现轮齿成形。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法及模具。

本发明是通过以下技术方案实现的(以下主要以圆柱齿轮为例对本发明的技术方案进行描述)。

一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法，其特征是在闭式模锻镦压阶段，圆柱坯料(2)被镦压成下角隅欠规整的中间工序件(3)；中间工序件(3)以凸起的形式预留了所需体积(4)，凸起体积(4)临近下角隅，相对齿廓凸起，而下角隅呈欠充满状态；

在顶出阶段，下凸模(10)上行，利用凹模(11)的扩腔侧壁锥面作用，使中间工序件(3)欠规整的下角隅再次发生变形，将凸起体积(4)向下角隅转移，完成下角隅成形，得到齿轮精锻件(1)。

本发明的技术方案是将从圆柱坯料(2)变形为齿轮精锻件(1)的整个变形过程进行合理分工，对应于设备滑块一次“下行-上行”动作的镦压阶段(第一阶段)完成主体基本成形和上角隅成形(镦压到位)，并为下角隅预留所需体积，得到下角隅形状尚不规整的中间状态工件(3)；对应于顶出机构一次“顶出-复位”动作的顶出阶段(第二阶段)，中间状态工件(3)之欠规整部分被整形，完成下角隅成形，从而实现整个轮齿的精密成形。

本发明采用的凹模腔形状突破了工件形状局限，在下角隅设置了相对于柱状模腔而扩大的扩腔空间(12)，并与设备滑块及顶出机构的动作配合，分阶段实现轮齿下角隅填充目的。为叙述简便，以下论及模具均指模具工作部分，除特别说明外，不论及模具的紧固、连接、支撑等部分；同时，不再重复说明镦压阶段就是第一阶段，顶出阶段就是第二阶段。

本发明的技术特征之一是对整个变形过程进行了分工，镦压阶段下角隅形状未完成成形，但以凸起的形式预留了所需凸起体积(4)。凸起体积(4)临近下角隅，相对齿廓凸起，而下角隅呈欠充满状态，故称之为下角隅形状欠规整。

本发明的技术特征之二是凹模腔不是直通式，而是下角隅临近部位形状突破了工件形状局限，将下角隅临近部位侧壁改为倾斜状态，用底面轮廓较轮齿齿顶轮廓增大的锥面将各个下角隅临近部位凹模腔适当扩大，使相应部位柱状模腔变为上小下大的棱台状模腔。比照常规模锻一般需要在模腔全深度设置正模锻斜度，本发明所用凹模(11)是在下角隅附近模腔的局部深度设置负模锻斜度。齿根及远离下角隅部分不扩大，依然保持柱状模腔。

本发明所述的角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法的模具，包括上凸模、下凸模、凹模，其特征是所述凹模(11)具有如下结构：

其模腔下角隅临近部位为倾斜状态，用底面轮廓较轮齿齿顶轮廓增大的锥面将各个下角隅临近部位凹模腔扩大，使相应部位柱状模腔变为上小下大的棱台状模腔，齿根及远离下角隅部分依然保持柱状模腔；

扩腔空间(12)体积由三个几何参数确定，其一是齿宽方向扩腔范围b，b取值范围为(B/3～B/2)，B为齿宽；其二是扩腔斜角α，α取值范围为(5°～15°)，若扩腔后相邻齿廓之间的距离t＜0.5mm，则齿厚方向扩腔斜角α取值(参见附图15)相对齿高方向稍小；其三是齿高方向扩腔范围h(参见附图14)，h取值范围为(H/4～H/3)，H为齿高。

齿宽方向扩腔范围b和扩腔斜角α两个参数均应控制在上述范围之内。若b过大，在镦压阶段不利于上角隅充满；在顶出阶段影响范围大，可能引起轮缘内侧发生较大变形。若α过大，在镦压阶段同样不利于上角隅充满；在顶出阶段，工件表面容易形成折叠。同时，α较小，在顶出阶段所需顶出力也较小，于成形有利。当然，b和α过小则不能发挥预期作用。齿高方向扩腔范围h也应合理规定，若h过大，在镦压阶段就会形成毛刺，还不利于保证下凸模(10)与凹模(11)之间的导向；若h过小，为保证体积足够扩大，势必与α过大配合，在顶出阶段容易形成折叠。

为方便模具制造，齿顶扩腔部分与齿根不扩腔部分之间可用圆角半径R过渡(参见附图14)，R取值上限一般不大于齿根厚，下限一般不小于h。

具备这种特定形状的凹模，结构并不复杂，强度基本未被削弱。

本发明所述的扩腔空间(12)主要发挥三项作用。

其一，分流作用。圆柱坯料(2)被镦压后期，也就是对应上角隅尚在充满，下角隅仍未充满的时刻，主要发挥类似于分流成形方法中的分流空间作用，延缓齿宽中、下段齿顶模腔对变形金属的约束，减小应力球张量，在变形力到达陡增高峰之前结束镦压变形。

其二，储备金属作用。圆柱坯料(2)被镦压结束时，部分金属流入扩腔空间(12)，从轴向投影(参见附图6和附图7)和从子午面(参见附图8和附图9)上看，工件齿宽中段偏下位置，也就是下角隅临近位置有相对于齿廓的凸起体积(4)，这是将打算在顶出阶段逐步转移到下角隅的金属暂存于此。显然，理想状态是，流入扩腔空间的金属体积，也就是相对齿廓凸起体积(4)应等于或略小于下角隅欠充满体积[扩腔空间(12)体积应大于所需凸起体积(4)，不得全部填满]。比照闭式模锻已成功应用多年的事实，考虑到允许存在轻微欠充满，实际生产中，通过调节坯料体积，或调节上凸模(13)镦压行程或镦压力(如加装碟形弹簧)，或调节齿宽方向扩腔范围b，可以控制金属凸起体积(4)(即流入扩腔空间的体积)。

其三，使分流体积回流作用。工件被顶出阶段，在扩腔空间(12)侧壁锥面作用下，位于工件下角隅临近的凸起体积(4)再次发生变形，被推移至下角隅，弥补下角隅容易出现的欠充满。

综合以上三项作用可见，采用本发明所提出的齿轮精密成形工艺，镦压阶段含有分流成形成分，顶出阶段含有推过整形成分。本发明在压力机滑块一次“下行-上行”和顶出机构一次“顶出-复位”周期，即一个工作循环之内，吸纳了分流成形与推过整形的优点，并集成到闭式模锻精密成形过程之中。

此外，作为富余空间，使得氧化皮及多余润滑剂可通过凹模(11)与下凸模(10)之间加宽的缝隙排出，不易积存在凹模腔内，有利于工件成形。

本发明的技术特征之三是挖掘了顶出动作潜力。顶出过程中，下凸模(10)上行，不是简单地克服“凹模-工件”接触面的摩擦力，而是利用凹模(11)的扩腔侧壁锥面作用，使工件不规整的下角隅再次发生变形[被推过整形，将凸起体积(4)向下角隅转移]。技术特征之三是由技术特征之二带来的。

由于顶出阶段工件需发生局部变形，故所需顶出力相对于仅需克服“凹模-工件”接触面摩擦力的传统方法有所增大。增大幅度主要取决于凹模扩腔几何参数。针对前述小齿轮(模数为4，齿宽为30mm，齿数为12，齿顶圆直径为56mm，齿高为9mm)，采用某组参数凹模的数值模拟结果为，顶出力约为镦压力的1/18。齿数愈多，齿顶圆直径愈大，该比例愈小。

据针对前述含轮毂、轮辐、轮缘结构的大齿轮(模数为4，齿宽为30mm，齿数为32，齿顶圆直径为136mm，齿高为9mm)数值模拟试验表明，顶出过程中，下角隅临近区域齿顶发生局部变形(浅层变形)，受最小阻力定律支配，对轮缘内径影响甚微。

所需顶出动作在一般锻压设备(如机械压力机、螺旋压力机、液压机等)上均容易实现。

工件精度由模具制造精度、坯料体积精度及坯料形状精度、成形温度及坯料温度均匀性决定。

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。热或温成形实际生产时，模腔尺寸相对于齿轮精锻件(1)尺寸应加放热膨胀率。

生产过程中，模具工作部位可适当涂抹具有冷却兼润滑作用的流体物质。

设备上无法实现下顶出时，上述成形过程之顶出阶段也可按如下方式实现。将下凸模(10)固定，而使凹模(11)上下运动[参见附图21。凹模(11)在镦压阶段不做运动]。

本发明也可用于斜齿柱形齿轮(分度圆柱螺旋角为8°～20°)精密成形(参见附图22、附图23和附图24。模数为4，齿数为12，齿宽为30mm，齿顶圆直径为56mm，齿高为9mm，分度圆柱螺旋角为14°)。上、下凸模相对凹模轴向运动时，附加相应的绕轴线旋转运动即可。当然，斜齿轮成形的模具设计制造复杂程度较高。

本发明拟在不增大应力球张量，也就是不增大成形力(相对于闭式模锻之上角隅基本充满但下角隅仍欠充满的状态)，不需双动、差动、复动、浮动等复杂的设备滑块(或模具)动作配合，基本不增加模具复杂程度和基本不削弱模具强度的前提下，设法明显减小现有齿轮闭式模锻精密成形工艺中固有的下角隅欠充满缺陷，改善成形质量。同时，本发明只用一副模具，一步成形(不含制坯——镦粗或成形镦粗等步骤)，不降低生产效率；除了保持将锻件经切削加工成为零件所必需的余量外，无需额外的余块，无需分流体积，也就是不增加材料消耗量，或者说不降低材料利用率。

本发明将已有的分流成形、推过整形等方法的优点集成到闭式模锻过程中，同时，避免了这些方法的一些主要不足，获得了较好的效果。

其一，镦压阶段降低了金属变形时的应力球张量，也就降低了镦压成形力。可以采用较小吨位的设备，并降低了模具负荷，可望提高模具使用寿命。

其二，工件顶出过程中类似于推过整形，消除或明显减轻传统闭式模锻存在的下角隅欠充满现象。

其三，只需一步即可完成齿轮精密成形，不像分流成形那样，工件需两次接触同样的模腔。

其四，分流体积得以回流，不仅提高了材料利用率，而且免去了后续去除多余体积的工序。

其五，凹模(11)的几何参数选择得当，上凸模(13)镦压行程控制得当，坯料(2)体积精度较高而加热均匀性较好的话，基本不产生废料。

总之，本发明解决了传统柱形齿轮精密成形存在的轮齿角隅填充欠饱满，成形力大，模具结构复杂而服役条件恶劣，模具寿命不高，对设备动作要求复杂等一系列问题。

附图说明

附图1为一种齿轮精锻件1(二维图)，模数为4，齿数为12，齿宽B为30mm，齿高H为9mm，齿顶圆直径D_a为56mm，齿根圆直径D_f为38mm。作为本发明精密成形实施例的目标。

附图2为圆柱坯料。其中，D₀为坯料直径，D₀应略小于齿轮精锻件1之齿根圆D_f；B₀为坯料高度或坯料长度。坯料表面质量、尺寸及体积精度要求按精密级。

附图3为精密成形镦压阶段过程图，其中左侧为圆柱坯料2放入凹模11，上凸模13接触圆柱坯料2，但未施压；右侧为上凸模13压下，迫使圆柱坯料2变形，并填充齿腔，上角隅基本填充，下角隅部分金属流入扩腔空间12，得到下角隅形状欠规整的中间状态工件3，中间状态工件3下角隅临近区域金属形成凸起体积4。10为下凸模，b为齿宽方向扩腔范围，α为扩腔斜角，B为齿宽，B₀为圆柱坯料2高度。

附图4为精密成形顶出阶段过程图，其中，左侧为上凸模13(该图中略)已上行，中间状态工件3位于凹模11(固定状态)的模腔中待顶出时的状态；右侧为下凸模10顶出工件，使得下角隅再次发生变形，得到齿轮精锻件1。b为齿宽方向扩腔范围，α为扩腔斜角。12为扩腔空间。

附图5为精密成形数值模拟镦压结束时得到的中间状态工件3效果图。可见齿顶上角隅基本充满，下角隅尚不规整，下角隅临近区域有金属凸起体积4。

附图6为精密成形数值模拟镦压结束得到中间状态工件3(一个轮齿效果图)轴向俯视图(从上向下看)，可见下角隅存在相对于齿廓的凸起体积4。

附图7为精密成形数值模拟镦压结束得到中间状态工件3(一个轮齿效果图)轴向仰视图(从下向上看)，可见下角隅欠充满，且形状不规整。

附图8为精密成形数值模拟镦压结束得到中间状态工件3过齿顶子午面图(半个轮齿效果图)，可见凸起体积4及下角隅欠充满轮廓。

附图9为精密成形数值模拟镦压结束得到中间状态工件3过齿槽子午面图(半个轮齿效果图)，可见凸起体积4及下角隅欠充满轮廓。

附图10为精密成形数值模拟顶出阶段中间状态工件3变形过程中某瞬间状态效果图，可见下角隅在被整形(相对于附图5)。

附图11为精密成形数值模拟顶出阶段结束后得到的齿轮精锻件1的效果图。

附图12为凹模11剖面二维图，左侧为过齿顶子午面，右侧为过齿槽底部子午面。可见下角隅有扩腔空间12，b为齿宽方向扩腔范围，α为扩腔斜角。B为工件齿宽，B₀为圆柱坯料高度。

附图13为附图12所示之凹模11仰视二维图，可见扩腔空间12。I所指扩腔部分局部放大图见附图14；A-A局部剖视图见附图15。

附图14为附图13所示之凹模11仰视二维图中I所指扩腔部分局部放大，12为扩腔空间，D_a为齿顶圆直径，D_f为齿根圆直径，H为齿高，h为齿高方向扩腔范围，R为齿顶扩腔部分与齿根不扩腔部分之间的过渡圆角半径，t为扩腔后相邻齿廓之间的距离。

附图15为附图13所示之凹模11仰视二维图中A-A局部剖视图。12为扩腔空间(齿厚方向)，b为齿宽方向扩腔范围，α为扩腔斜角，B为齿宽。

附图16为向下斜看凹模11的三维造型。

附图17为向上斜看凹模11三维造型。可见扩腔空间12。

附图18为凹模11三维造型沿子午面剖开状态。12为扩腔空间。

附图19为下凸模10三维造型。

附图20为上凸模13三维造型。

附图21为设备上无法实现下顶出时，以另一种方式实现精密成形顶出阶段过程图。其中，左侧为上凸模13(该图中略)已上行，中间状态工件3位于凹模11的模腔中待顶出时的状态；右侧为凹模11下行(下凸模10固定不动)，使得下角隅发生再次变形，得到齿轮精锻件1，并使凹模11上平面相对工件下落足够高度，实现工件从凹模11中脱出。b为齿宽方向扩腔范围，α为扩腔斜角，10为下凸模，12为扩腔空间。

附图22为斜齿柱形齿轮(模数为4，齿数为12，齿宽为30mm，齿顶圆直径为56mm，齿高为9mm，分度圆柱螺旋角为14°)精密成形数值模拟镦压结束效果图。

附图23为斜齿柱形齿轮(模数为4，齿数为12，齿宽为30mm，齿顶圆直径为56mm，齿高为9mm，分度圆柱螺旋角为14°)精密成形数值模拟顶出阶段中间状态件正在变形效果图。

附图24为斜齿柱形齿轮精密成形数值模拟结果，得到斜齿柱形齿轮(模数为4，齿数为12，齿宽为30mm，齿顶圆直径为56mm，齿高为9mm，分度圆柱螺旋角为14°)精锻件。

以上附图中：1为齿轮精锻件，2为圆柱坯料，3为中间状态工件，4为凸起体积；10为下凸模，11为凹模，12为扩腔空间，13为上凸模。

具体的实施方式

本发明将结合附图通过以下实施例作进一步说明。

实施例。

以某圆柱齿轮(齿数z＝12，模数m＝4，齿宽B＝30mm，齿高H＝9mm。参见附图1)精密成形过程为实施例。

先介绍其精密成形模具。模具由下凸模10、凹模11、上凸模13组成(参见附图3、附图4)。

凹模11模腔主体呈贯通状，但侧壁不完全是直通式的，齿顶腔中、下段为扩腔空间12(对应于齿轮下角隅及临近区域，参见附图12、附图13、附图14、附图15、附图17、附图18)，凹模11的子午面尺寸参见附图3、附图4、附图12，凹模11的仰视图参见附图13、附图14、附图17。齿宽方向扩腔范围b取13mm；齿顶方向扩腔斜角α取10°，齿厚方向α(参见附图15)取5°～10°(一般为渐变状态)；齿高方向扩腔范围h取3mm(参见附图14)。凹模11的三维造型参见附图16、附图17、附图18。为提高承载能力，凹模11须用预应力圈箍紧，通常还需与有关连接零件(螺钉、销钉等)、支承零件(模座、垫板等)一道构成下模部分，其结构的设计制造可参照现有模具。

下凸模10的三维造型参见附图19，下凸模10工作端轴向投影轮廓按齿廓制造，但周向略减小，与凹模齿廓部分之间的间隙取(0.05～0.15)mm；下凸模10工作端子午面形状视有无辐板、轮毂而定。注意，下凸模10工作端轴向投影轮廓不能随扩腔空间12增大。下凸模10在顶出机构(含自重力)的驱动下应能上下运动(参见附图4)，其顶出行程以能将已成形的齿轮精锻件1取出为度。

上凸模13的三维造型参见附图20，上凸模13工作端轴向投影轮廓也按齿廓制造，周向也需与凹模齿廓部分保持适当间隙，间隙取值范围可参照上凸模；上凸模13工作端子午面形状视有无辐板、轮毂而定。上凸模13通常需要通过垫板、连接零件与设备滑块连接，亦参照现有模具结构设计制造。

模具选材与热处理，模具表面粗糙度及模具制造的有关要求参见本专业有关手册。

模具工作时，上模部分与设备滑块连接，下模部分应紧固于设备工作台上。同一般金属体积成形加工模具一样，在无固定行程的设备(如螺旋压力机或液压机)上使用时，应设置限程块，以控制模具闭合高度。限程块最好能在不太大的范围(如5mm以内)实现微调。

考虑到塑性金属热变形速度既不能过慢，也不能过快，成形设备可选用配备顶出机构的螺旋压力机、曲柄压力机或液压机，顶出机构应能提供足够大的顶出力。这些种类的设备在金属成形加工行业属于常见设备。

以下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2直径D₀应略小于齿轮精锻件1齿根圆直径D_f，以坯料加热后能放入凹模11的模膛中为宜，以便准确定位，若坯料直径偏小，宜增加制坯(镦粗或成形镦粗等)工步。

2)下料：坯料尺寸(参见附图2)按体积(包含加热损耗)不变原则确定。表面质量、尺寸及体积精度按精密级要求。

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。若能尽量减少氧化皮则更好。

4)镦压(参见附图3和附图4左侧)：工作前，需对模具进行合理预热；再将已加热的圆柱坯料2立置于凹模11的模膛中(下凸模10之上)，设备滑块带动上凸模13下行，上凸模13对圆柱坯料2进行镦压，圆柱坯料2轴向高度减小，径向尺寸增大；圆柱坯料2被镦压到预定高度(本实施例为30mm)，得到中间状态工件3，其形状特征是，上角隅基本充满，下角隅欠规整(欠充满，但临近区域略有凸起体积4)；此后，设备滑块带动上凸模13上行，停留在上极点。

5)顶出(参见附图4右侧)：下凸模10在顶出机构的驱动下上行，将中间状态工件3顶出，顶出过程中，由于扩腔斜角α的存在，使得下角隅临近区域发生再次变形(被整形)，凸起体积4被逐步转移至下角隅，实现下角隅填充，成为齿轮精锻件1。

6)下凸模复位：齿轮精锻件1被取走，下凸模10在驱动机构或自重力作用下复位，即回落到下极点位置。

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。并及时清除残留氧化皮等。

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、去毛刺乃至精整等与一般精密锻件生产工序类似。

Claims (2)

1.一种角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法，其特征是在闭式模锻镦压阶段，圆柱坯料(2)被镦压成下角隅欠规整的中间工序件(3)；中间工序件(3)以凸起的形式预留了所需体积(4)，凸起体积(4)临近下角隅，相对齿廓凸起，而下角隅呈欠充满状态；

在顶出阶段，下凸模(10)上行，利用凹模(11)的扩腔侧壁锥面作用，使中间工序件(3)欠规整的下角隅再次发生变形，将凸起体积(4)向下角隅转移，完成下角隅成形，得到齿轮精锻件(1)。

2.权利要求1所述的角隅易充满的直/斜齿柱形齿轮精密成形方法的模具，包括上凸模、下凸模、凹模，其特征是所述凹模(11)具有如下结构：

其模腔下角隅临近部位为倾斜状态，用底面轮廓较轮齿齿顶轮廓增大的锥面将各个下角隅临近部位凹模腔扩大，使相应部位柱状模腔变为上小下大的棱台状模腔，齿根及远离下角隅部分依然保持柱状模腔；

扩腔空间(12)体积由以下几何参数确定：1)齿宽方向扩腔范围b取值范围为B/3～B/2，B为齿宽；2)扩腔斜角α取值范围为5°～15°，若扩腔后相邻齿廓之间的距离t＜0.5mm，则齿厚方向扩腔斜角α取值相对齿高方向稍小；3)齿高方向扩腔范围h取值范围为H/4～H/3，H为齿高。