CN105537479A - 一种齿条冷摆辗精密成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及齿条精密成形领域。一种齿条冷摆辗精密成形方法，其特征在于包括如下步骤：（1）坯料设计成一圆柱形的长杆，其直径和长度分别与齿条直径和长度相等；（2）齿条的齿形由冷摆辗上模摆动成形，齿形背面由下模成形；（3）冷摆辗上模采用直线轨迹，直线轨迹垂直于圆柱形坯料轴线；（4）冷摆辗上模是一个棱锥，其锥角大于等于176^o，棱锥两侧面与齿条径向两侧齿形进行布尔运算获得冷摆辗上模齿形；（5）冷摆辗下模与齿条齿形背面匹配；（6）冷摆辗过程中上模与齿条干涉计算；（7）冷摆辗上模修正；（8）坯料在上模和下模共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形，最终冷摆辗成形高精度齿条。具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率、提高齿条组织和力学性能的效果。

Description

一种齿条冷摆辗精密成形方法

技术领域

本发明涉及齿条精密成形领域，更具体地说，涉及一种齿条冷摆辗精密成形方法。

背景技术

齿条是机械传动中应用广泛的重要基础零件，具有承载力大、行程长、传动精度高等特点，在飞机、汽车转向器、精密机床、升降机等装备中有着广泛应用，其性能直接决定了装备的服役性能和使用寿命。目前，齿条主要采用切削加工进行制造。切削加工周期长、生产效率低、材料利用率低、生产成本高。同时，切削加工会切断金属流线，降低齿条的机械性能和使用寿命，不能制造高性能齿条。

冷摆辗是一种连续局部塑性成形新工艺，具有省力、冲击小、振动小、生产效率高、材料利用率高等优点。更重要的是，冷摆辗可以细化晶粒组织、获得连续合理的金属流线，从而显著提高零件的机械性能和使用寿命。冷摆辗是国际高性能齿轮类零件先进制造技术的发展方向之一。目前，还没有关于齿条冷摆辗精密成形方法的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种齿条冷摆辗精密成形方法，具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率、提高齿条组织和力学性能的效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种齿条冷摆辗精密成形方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)坯料设计成一圆柱形的长杆，其直径和长度分别与齿条直径和长度相等；

(2)齿条的齿形由冷摆辗上模(摆头)摆动成形，齿形背面由下模成形；整个齿条只需冷摆辗成形齿形部分，其余部分不用成形；

(3)冷摆辗上模采用直线轨迹，直线轨迹垂直于圆柱形坯料轴线，即冷摆辗上模沿坯料径向方向摆动；

(4)冷摆辗上模是一个棱锥，其锥角大于等于176°，棱锥两侧面与齿条径向两侧齿形进行布尔运算获得冷摆辗上模齿形；

(5)冷摆辗下模与齿条齿形背面匹配，是一个截面为半圆形的凹槽；

(6)冷摆辗过程中上模与齿条干涉计算：

以平行于齿条轴线并通过摆辗中心的直线为x轴，以通过齿根中点并垂直于齿顶所在平面的直线为z轴，以x轴和z轴相交的点为坐标原点O点，以通过O点并垂直于xOz面的直线为y轴，建立坐标系；定义齿条压力角为α，上模摆角为γ，摆辗中心线与齿条法向面夹角为δ，上模瞬时摆动角度为θ(θ∈[0,2γ])，齿条长度为L；冷摆辗过程中，上模齿廓面上一点(x,y,z)与齿条干涉量Δ的计算方程为：

$\mathrm{\Δ}=2tan\mathrm{\δ}sin\frac{\mathrm{\θ}}{2}\[(\frac{tan\mathrm{\α}}{sin\mathrm{\δ}}cos\frac{\mathrm{\θ}}{2}+sin\frac{\mathrm{\θ}}{2})y+(cos\frac{\mathrm{\θ}}{2}-\frac{tan\mathrm{\α}}{sin\mathrm{\δ}}sin\frac{\mathrm{\θ}}{2})z\]---\left(1\right)$

(7)冷摆辗上模修正：

定义齿条模数为m，齿数为z，螺旋角为β，齿顶高为h_a，齿根高为h_f，齿顶面到齿条轴线的距离为h₁，齿条轴线到摆辗中心的距离为H，上模转动间隔角ε；冷摆辗上模修正区边界点的方程如下：

点N₀(x₁,y₁,z₁)坐标方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{1}{\cos \mathrm{\δ}}(\frac{1}{4}\mathrm{\π}m+h_{a}tan\mathrm{\α})\\ y_1=0\\ z_1=h_1-H\end{array}\right.---\left(2\right)$

点M₀(x₂,y₂,z₂)坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\frac{1}{\cos \mathrm{\δ}}(\frac{1}{4}\mathrm{\π}m-h_{f}tan\mathrm{\α})\\ y_2=0\\ z_2=h_1-H-h_a-h_f\end{array}\right.---\left(3\right)$

点N₁坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=z_{1}tan2\mathrm{\γ}tan\mathrm{\δ}+x_1\\ y=0\\ z=z_1\end{array}\right.---\left(4\right)$

点N₂坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_1\\ y=z_{1}sin2\mathrm{\γ}\\ z=z_{1}cos2\mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(5\right)$

点M₁坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=\[\frac{tan\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\δ}}(cos2\mathrm{\γ}-1)+sin2\mathrm{\γ}tan\mathrm{\δ}\]z_2+x_2\\ y=0\\ z=z_2\end{array}\right.---\left(6\right)$

点M₂坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_2\\ y=z_{2}sin2\mathrm{\γ}\\ z=z_{2}cos2\mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(7\right)$

点T₀坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{sin\mathrm{\δ}tan\mathrm{\δ}}{tan\mathrm{\α}}{z}_1+x_1\\ y=-\frac{sin\mathrm{\δ}}{\tan \mathrm{\α}}{z}_1\\ z=z_1\end{array}\right.---\left(8\right)$

点T₁坐标方程：其中g₁和g₂无具体含义，仅仅是为了简化方程，

$\left\{\begin{array}{c}x=-\frac{g_2}{g_1}{z}_{1}tan\mathrm{\δ}+x_1\\ y=\frac{g_2}{g_1}{z}_1\cos 2\mathrm{\γ}+z_{1}sin2\mathrm{\γ}\\ z=z_1\cos 2\mathrm{\γ}-\frac{g_2}{g_1}{z}_{1}sin2\mathrm{\γ}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{g}_1=1-cos\mathrm{\ϵ}-\frac{tan\mathrm{\α}}{sin\mathrm{\δ}}sin\mathrm{\ϵ}\\ g_2=\sin \mathrm{\ϵ}+\frac{tan\mathrm{\α}}{s\stackrel{\·}{m}\mathrm{\δ}}(1-cos\mathrm{\ϵ})\end{array}\right.---\left(9\right)$

点L₀坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=-ytan\mathrm{\δ}+x_2\\ y=-\frac{\sin \mathrm{\δ}}{\tan \mathrm{\α}}{z}_2\\ z=z_2\end{array}\right.---\left(10\right)$

点L₁坐标方程：其中a₁、a₂、b₁和b₂无具体含义，仅仅是为了简化方程，

$\left\{\begin{array}{c}x=-(a_1{b}_1+tan\mathrm{\δ})y+a_1{z}_2+x_2\\ y=\frac{(a_1-a_2)z_2}{a_1{b}_1-a_2{b}_2}\\ z=z_2\end{array}\right.$

$a_1=\frac{tan\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\δ}}\[cos(2\mathrm{\γ}-\mathrm{\ϵ})-1\]+tan\mathrm{\δ}sin(2\mathrm{\γ}-\mathrm{\ϵ})$

$a_2=\frac{tan\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\δ}}(cos2\mathrm{\γ}-1)+tan\mathrm{\δ}sin2\mathrm{\γ}$

$b_1=\frac{tan\mathrm{\α}cos(\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2})+sin\mathrm{\δ}sin(\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2})}{\tan \mathrm{\α}\sin (\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2})-sin\mathrm{\δ}cos(\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2})}$

$b_2=\frac{tan\mathrm{\α}cos\mathrm{\γ}+sin\mathrm{\δ}sin\mathrm{\γ}}{\tan \mathrm{\α}sin\mathrm{\γ}-sin\mathrm{\δ}cos\mathrm{\γ}}---\left(11\right)$

通过上述边界点建立修正区实体，然后在上模通过布尔运算去除修正区实体，得到修正后的上模；修正后的上模在摆辗过程中不与齿条发生干涉；

(8)通过锯切或剪切获得步骤(1)尺寸的坯料，坯料经过退火处理后放入冷摆辗下模中，修正后的上模作直线轨迹摆动运动，下模带动坯料作直线进给运动，在上模和下模共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形，最终冷摆辗成形高精度齿条。

实施本发明的齿条冷摆辗精密成形方法，具有以下有益效果：

(1)通过连续局部塑性变形一次整体成形齿条，具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率的效果。

(2)由于对上模进行了修正，所以冷摆辗成形的齿条表面质量好，几何精度高。更重要的是，齿条齿形部分在上模多道次辗压过程中能够实现较大的应变强化，而且获得了细密的晶粒组织和连续的金属流线，显著提高了齿条服役性能和使用寿命。

附图说明

图1是齿条零件的三维模型。

图2是上模的三维模型。

图3是下模的三维模型。

图4是上模修正区。

图5是修正后的上模。

图6是齿条冷摆辗精密成形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的描述，当然下述实施例不应视为对本发明的限制。

实施例1：

如图1，齿条为左旋，m＝2mm，z＝20，α＝20°，β＝12°，h_a＝1.7mm，h_f＝2.1mm，h₁＝8.59mm，δ＝12°，H＝15mm，d＝25mm，L＝192mm，上模摆角γ＝1°，上模转动间隔角ε＝0.01。

(1)坯料设计成一圆柱形的长杆，其直径和长度分别与齿条直径和长度相等。

(2)齿条的齿形由冷摆辗上模(摆头)摆动成形，齿形背面由下模成形。整个齿条只需冷摆辗成形齿形部分，其余部分不用成形。

(3)冷摆辗上模采用直线轨迹，直线轨迹垂直于圆柱形坯料轴线，即冷摆辗上模沿坯料径向方向摆动。

(4)冷摆辗上模是一个棱锥，其锥角大于等于176°，棱锥两侧面与齿条径向两侧齿形进行布尔运算获得冷摆辗上模齿形，如图2所示。

(5)冷摆辗下模与齿条齿形背面匹配，是一个截面为半圆形的凹槽，如图3所示。

(6)冷摆辗过程中上模与齿条干涉计算

按照公式(1)计算，上模齿廓面与齿条最大干涉量Δ＝-0.07mm。冷摆辗过程中上模与齿条发生干涉，所以需要对冷摆辗上模进行修正。

(7)冷摆辗上模修正：

按照公式(2)-(11)，获得修正区边界点的坐标如下：

N₀(2.239,0,-6.410)，M₀(0.824,0,-10.210)，

N₁(2.191,0,-6.410)，N₂(2.239,-0.224,-6.406)，M₁(0.751,0,-10.210)，

M₂(0.824,-0.356,-10.204)，

T₀(1.460,3.662,-6.410)，T₁(1.460,3.436,-6.534)，L₀(-0.415,5.832,-10.210)，

L₁(-0.320,5.370,-10.210)

通过上述边界点建立修正区实体(如图4所示)，然后在上模通过布尔运算去除修正区实体，得到修正后的上模(如图5所示)。修正后的上模在摆辗过程中不与齿条发生干涉。

(8)通过锯切或剪切获得步骤(1)尺寸的坯料，坯料经过退火处理后放入冷摆辗下模中，修正后的上模作直线轨迹摆动运动，下模带动坯料作直线进给运动，在上下模共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形，最终冷摆辗成形高精度齿条(图6)。冷摆辗成形的齿条表面质量好，几何精度高、组织和力学性能好。

Claims (1)

1.一种齿条冷摆辗精密成形方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)坯料设计成一圆柱形的长杆，其直径和长度分别与齿条直径和长度相等；

(2)齿条的齿形由冷摆辗上模摆动成形，齿形背面由下模成形；

(3)冷摆辗上模采用直线轨迹，直线轨迹垂直于圆柱形坯料轴线，即冷摆辗上模沿坯料径向方向摆动；

(4)冷摆辗上模是一个棱锥，其锥角大于等于176°，棱锥两侧面与齿条径向两侧齿形进行布尔运算获得冷摆辗上模齿形；

(5)冷摆辗下模与齿条齿形背面匹配，是一个截面为半圆形的凹槽；

(6)冷摆辗过程中上模与齿条干涉计算：

以平行于齿条轴线并通过摆辗中心的直线为x轴，以通过齿根中点并垂直于齿顶所在平面的直线为z轴，以x轴和z轴相交的点为坐标原点O点，以通过O点并垂直于xOz面的直线为y轴，建立坐标系；定义齿条压力角为α，上模摆角为γ，摆辗中心线与齿条法向面夹角为δ，上模瞬时摆动角度为θ(θ∈[0,2γ])，齿条长度为L；冷摆辗过程中，上模齿廓面上一点(x,y,z)与齿条干涉量Δ的计算方程为：

$\mathrm{\Δ}=2tan\mathrm{\δ}sin\frac{\mathrm{\θ}}{2}\[(\frac{tan\mathrm{\α}}{sin\mathrm{\δ}}cos\frac{\mathrm{\θ}}{2}+sin\frac{\mathrm{\θ}}{2})y+(cos\frac{\mathrm{\θ}}{2}-\frac{tan\mathrm{\α}}{sin\mathrm{\δ}}sin\frac{\mathrm{\θ}}{2})z\]---\left(1\right)$

(7)冷摆辗上模修正：

定义齿条模数为m，齿数为z，螺旋角为β，齿顶高为h_a，齿根高为h_f，齿顶面到齿条轴线的距离为h₁，齿条轴线到摆辗中心的距离为H，上模转动间隔角ε；冷摆辗上模修正区边界点的方程如下：

点N₀(x₁,y₁,z₁)坐标方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{1}{\cos \mathrm{\δ}}(\frac{1}{4}\mathrm{\π}m+h_{a}tan\mathrm{\α})\\ y_1=0\\ z_1=h_1-H\end{array}\right.---\left(2\right)$

点M₀(x₂,y₂,z₂)坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\frac{1}{\cos \mathrm{\δ}}(\frac{1}{4}\mathrm{\π}m-h_{f}tan\mathrm{\α})\\ y_2=0\\ z_2=h_1-H-h_a-h_f\end{array}\right.---\left(3\right)$

点N₁坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=z_{1}tan2\mathrm{\γ}tan\mathrm{\δ}+x_1\\ y=0\\ z=z_1\end{array}\right.---\left(4\right)$

点N₂坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_1\\ y=z_{1}sin2\mathrm{\γ}\\ z=z_1\cos 2\mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(5\right)$

点M₁坐标方程：点坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=\[\frac{tan\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\δ}}(cos2\mathrm{\γ}-1)+sin2\mathrm{\γ}tan\mathrm{\δ}\]z_2+x_2\\ y=0\\ z=z_2\end{array}\right.---\left(6\right)$

点M₂坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_2\\ y=z_{2}sin2\mathrm{\γ}\\ z=z_{2}cos2\mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(7\right)$

点T₀坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{sin\mathrm{\δ}tan\mathrm{\δ}}{tan\mathrm{\α}}{z}_1+x_1\\ y=-\frac{sin\mathrm{\δ}}{tan\mathrm{\α}}{z}_1\\ z=z_1\end{array}\right.---\left(8\right)$

点T₁坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=-\frac{g_2}{g_1}{z}_{1}tan\mathrm{\δ}+x_1\\ y=\frac{g_2}{g_1}{z}_1\cos 2\mathrm{\γ}+z_{1}sin2\mathrm{\γ}\\ z=z_1\cos 2\mathrm{\γ}-\frac{g_2}{g_1}{z}_{1}sin2\mathrm{\γ}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{g}_1=1-cos\mathrm{\ϵ}-\frac{tan\mathrm{\α}}{sin\mathrm{\δ}}sin\mathrm{\ϵ}\\ g_2=\sin \mathrm{\ϵ}+\frac{tan\mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\δ}}(1-\cos \mathrm{\ϵ})\end{array}\right.---\left(9\right)$

点L₀坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=-ytan\mathrm{\δ}+x_2\\ y=-\frac{\sin \mathrm{\δ}}{\tan \mathrm{\α}}{z}_2\\ z=z_2\end{array}\right.---\left(10\right)$

点L₁坐标方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=-(a_1{b}_1+tan\mathrm{\δ})y+a_1{z}_2+x_2\\ y=\frac{(a_1-a_2)z_2}{a_1{b}_1-a_2{b}_2}\\ z=z_2\end{array}\right.$

$a_1=\frac{tan\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\δ}}\[cos(2\mathrm{\γ}-\mathrm{\ϵ})-1\]+tan\mathrm{\δ}sin(2\mathrm{\γ}-\mathrm{\ϵ})$

$a_2=\frac{tan\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\δ}}(cos2\mathrm{\γ}-1)+tan\mathrm{\δ}sin2\mathrm{\γ}$

$b_1=\frac{tan\mathrm{\α}cos(\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2})+sin\mathrm{\δ}sin(\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2})}{tan\mathrm{\α}sin(\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2})-sin\mathrm{\δ}cos(\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2})}$

$b_2=\frac{tan\mathrm{\α}cos\mathrm{\γ}+sin\mathrm{\δ}sin\mathrm{\γ}}{\tan \mathrm{\α}sin\mathrm{\γ}-sin\mathrm{\δ}cos\mathrm{\γ}}---\left(11\right)$

通过上述边界点建立修正区实体，然后在上模通过布尔运算去除修正区实体，得到修正后的上模；修正后的上模在摆辗过程中不与齿条发生干涉；

(8)通过锯切或剪切获得步骤(1)尺寸的坯料，坯料经过退火处理后放入冷摆辗下模中，修正后的上模作直线轨迹摆动运动，下模带动坯料作直线进给运动，在上模和下模共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形，最终冷摆辗成形高精度齿条。