CN107042273B - 用于非圆锥齿轮的热锻成形模具及热锻成形工艺 - Google Patents

用于非圆锥齿轮的热锻成形模具及热锻成形工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法，设计预制坯模具时包括以下步骤：将非圆锥齿轮按单个齿分割成多个部分，并将多个分割后的部分转化为多个具有扇形截面且等高的扇形柱体；以多个扇形柱体的圆弧中点为基准点，采用样条曲线将所有基准点连接成一闭合曲线即为预制坯的径向截面形状；根据扇形柱体的高度、预制坯的径向截面形状以及预制坯的最大轴向截面为分模面进行预制坯模具的加工。采用本热锻成形模具，可大幅度提高非圆锥齿轮生产效率，降低制造成本。

Description

用于非圆锥齿轮的热锻成形模具及热锻成形工艺
技术领域
本发明涉及非圆锥齿轮塑性成形技术领域，尤其涉及一种用于非圆锥齿轮的热锻成形模具及热锻成形工艺。
背景技术
非圆锥齿轮可以实现两相交轴或交错轴之间变传动比传动，具有许多圆锥齿轮不能实现的特殊功能，例如采用非圆锥齿轮的汽车防滑差速器不仅具有结构紧凑、传动平稳、效率高、寿命长等优点，而且还具有差速防滑功能，在泥泞、湿滑、冰雪等地面的通过性能比传统的圆锥齿轮差速器有大幅度提高。与具有平面圆节曲线的圆锥齿轮相比，非圆锥齿轮具有复杂的空间非圆节曲线，使得其几何形状十分复杂，这给非圆锥齿轮制造带来巨大困难。目前，非圆锥齿轮主要采用五轴联动数控加工中心切削制造，切削加工不能细化齿轮基体晶粒，不能形成沿齿面连续分布的金属流线，难以制造出高性能长寿命非圆锥齿轮。因此，多轴联动数控加工无法满足低成本、高效率、高性能非圆锥齿轮加工制造要求，亟待开发非圆锥齿轮塑性成形工艺，从而实现非圆锥齿轮高效、优质、低耗成形制造。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于非圆锥齿轮的热锻成形模具及热锻成形工艺，旨在大幅度提高非圆锥齿轮生产效率，降低制造成本。
为实现上述目的，本发明提供一种用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法，设计预制坯及预制坯模具时包括以下步骤：
将非圆锥齿轮按单个齿分割成多个部分，并将多个分割后的部分转化为多个具有扇形截面且等高的扇形柱体；
以多个扇形柱体的圆弧中点为基准点，采用样条曲线将所有基准点连接成一闭合曲线即为预制坯的径向截面形状；
以预制坯的最大轴向截面为分模面，并根据扇形柱体的高度和预制坯的径向截面形状进行预制坯模具的加工。
优选地，所述将非圆锥齿轮按单个齿分割成多个部分，并将多个分割后的部分转化为多个具有扇形截面且等高的扇形柱体的步骤具体包括：
以非圆锥齿轮轴线和各齿槽顶点为基准建立多个基准面；
通过多个基准面将非圆锥齿轮锻件分割成多个部分；
将所分割的各部分按照等体积原则转换为具有扇形截面且等高的扇形柱体，各扇形柱体的扇形截面中心角与非圆锥齿轮中两相邻基准面夹角相等。
优选地，进行终锻模的型腔设计时，将非圆半轴锥齿轮大端齿形的齿顶曲线沿径向延伸所得曲面和非圆半轴锥齿轮大端齿形所在球面共同构成的分模面进行终锻模的型腔设计，其中，包含背部轴杆型腔的凹模为上模，包含齿形型腔的齿形模为下模。
优选地，进行预锻模的型腔设计时，预锻模型腔是在终锻模型腔的基础上，齿形型腔沿齿面法向增大0.2mm～0.3mm，背部轴杆型腔沿轴向增大0.8～1.2mm，并以非圆半轴锥齿轮大端齿形的齿顶曲线沿径向延伸所得延伸曲面和非圆半轴锥齿轮大端齿形所在球面共同构成的分模面进行分模设计，其中，包含齿形型腔的齿形模为上模，包含背部轴杆型腔的凹模为下模。
优选地，预锻模下模型腔底部根据预制坯径向截面形状设计用于预制坯定位的定位槽。
优选地，最大扇形柱体半径等于非圆锥齿轮锻件背部轴杆的半径。
本发明进一步提出一种基于上述的用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法的热锻成形工艺，包括以下步骤：
将圆棒料进行下料以及少无氧化加热处理；
将经少无氧化加热处理后的圆棒料经过镦粗或者拔长，获得直径满足2Rmin≤D≤2Rmax的圆柱坯料，其中Rmin、Rmax分别为预制坯径向截面的最大内切圆半径和和最小外接圆半径；
将经过镦粗或者拔长后的圆棒料在预制坯模具进行预制坯成形获得预制坯；
将预制坯置入预锻模的下模型腔内，在压力机的作用下完成预锻成形获得预锻件；
将预锻件置入终锻模的下模型腔内，在压力机的作用下完成终锻成形。
本发明提出的用于非圆锥齿轮的预制坯设计方法，能够有效提高非圆锥齿轮成形过程中金属流动的合理性和齿形填充效果，并且有利于提高温度场和塑性变形的均匀性，提高非圆锥齿轮的机械性能。同时，本热锻成形预锻和终锻模具设计方法相比常规的平面分模设计方法能够有效改善模具应力分布，提高模具寿命。
附图说明
图1为本发明用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法在设计预制坯模具时的流程示意图；
图2为非圆锥齿轮的结构示意图；
图3为预制坯的径向截面形状结构示意图；
图4为预制坯的侧面结构示意图；
图5为预制坯模具与圆棒料的结构示意图；
图6为非圆锥齿轮的主视结构示意图；
图7为非圆锥齿轮的俯视结构示意图；
图8为非圆锥齿轮的左视结构示意图；
图9为终锻模和预锻模的齿形模的剖视结构示意图；
图10为终锻模和预锻模的齿形模的俯视结构示意图；
图11为图10所示的A处细节放大结构示意图；
图12为终锻模和预锻模的凹模的剖视结构示意图；
图13为终锻模和预锻模的凹模的俯视结构示意图；
图14为图12所示的B处细节放大结构示意图；
图15为本发明用于非圆半轴锥齿轮的热锻成形工艺优选实施例的流程示意图。
图中，1-齿1，2-齿2，3-齿3，4-齿4，5-齿5，6-基准面，7-预制坯径向截面，8-预制坯上模，9-圆棒料，10-预制坯下模，11-预制坯分模面，12-大端齿形所在球面，13-大端齿形齿顶曲线，14-径向延伸曲面，15-终锻模齿面，16-预锻模齿面，17-定位槽，18-终锻模型腔，19-预锻模型腔。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法。
参照图1至图14(图7中虚线为分模面轮廓线，实线为锻件轮廓线)，本优选实施例中，一种用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法，设计预制坯及预制坯模具时包括以下步骤：
步骤S10，将非圆锥齿轮按单个齿分割成多个部分，并将多个分割后的部分转化为多个具有扇形截面且等高的扇形柱体；
步骤S20，以多个扇形柱体的圆弧中点为基准点，采用样条曲线将所有基准点连接成一闭合曲线即为预制坯的径向截面形状；
步骤S30，以预制坯的最大轴向截面为分模面，并根据扇形柱体的高度和预制坯的径向截面形状进行预制坯模具的加工(如图5所示)。
具体地，步骤S10具体包括：
步骤S101，以非圆锥齿轮轴线和各齿槽顶点为基准建立多个基准面(如图2所示)；
步骤S102，通过多个基准面将非圆锥齿轮锻件分割成多个部分(如图2所示)；
步骤S103，将所分割的各部分按照等体积原则转换为具有扇形截面且等高的扇形柱体，各扇形柱体的扇形截面中心角与非圆锥齿轮中两相邻基准面夹角相等(如图3和图4所示)。
为保证预制坯在预锻型腔中的可靠定位，最大扇形柱体半径等于非圆半轴锥齿轮背部轴杆的半径。本实施例中，具有最大体积的扇形柱体的扇形半径R＝25mm。
根据公式计算扇形柱体高度H＝29.60mm。根据各扇形柱体等高的条件，计算出其余扇形半径Ri。各齿形部分的体积Vi、扇形截面半径Ri，扇形截面夹角θi和预制坯高度H如表1所示。
表1预制坯设计参数
齿1 齿2 齿3 齿4 齿5
体积V<sub>i</sub>(mm<sup>3</sup>) 2465.88 2435.27 2472.16 2642.59 2789.05
角度θ<sub>i</sub>(°) 25.23 22.89 19.47 17.75 17.28
高度H(mm) 29.60 29.60 29.60 29.60 29.60
半径R<sub>i</sub>(mm) 19.45 20.30 22.17 24.01 25.00
具体地，结合参照图6至图14，进行终锻模的型腔设计时，将非圆半轴锥齿轮大端齿形的齿顶曲线沿径向延伸所得曲面和非圆半轴锥齿轮大端齿形所在球面共同构成的分模面进行终锻模的型腔设计，其中，包含背部轴杆型腔的凹模为上模，包含齿形型腔的齿形模为下模。
具体地，结合参照图6至图14，进行预锻模的型腔设计时，预锻模型腔是在终锻模型腔的基础上，齿形型腔沿齿面法向增大0.2mm～0.3mm(图11中以0.2mm为例说明)，背部轴杆型腔沿轴向增大0.8～1.2mm(图14中以1mm为例说明)，并以非圆半轴锥齿轮大端齿形的齿顶曲线沿径向延伸所得延伸曲面和非圆半轴锥齿轮大端齿形所在球面共同构成的分模面进行分模设计，其中，包含齿形型腔的齿形模为上模，包含背部轴杆型腔的凹模为下模。
预锻模下模型腔底部根据预制坯径向截面形状设计用于预制坯定位的定位槽。通过设置定位槽，从而对预锻件进行有效定位，保证了加工精度。
本发明提出的用于非圆锥齿轮的预制坯设计方法，能够有效提高非圆锥齿轮成形过程中金属流动的合理性和齿形填充效果，并且有利于提高温度场和塑性变形的均匀性，提高非圆锥齿轮的机械性能。同时，本热锻成形预锻和终锻模具设计方法相比常规的平面分模设计方法能够有效改善模具应力分布，提高模具寿命。
本发明进一步提出一种用于非圆半轴锥齿轮的热锻成形工艺。
参照图15，本优选实施例中，一种基于上述热锻成形模具设计方法的热锻成形工艺，包括以下步骤：
步骤S100，将圆棒料进行下料以及少无氧化加热处理；
步骤S200，将经少无氧化加热处理后的圆棒料经过镦粗或者拔长，获得直径满足2Rmin≤D≤2Rmax的圆柱坯料，其中Rmin、Rmax分别为预制坯径向截面的最大内切圆半径和和最小外接圆半径；
步骤S300，将经过镦粗或者拔长后的圆棒料在预制坯模具进行预制坯成形获得预制坯；
步骤S400，将预制坯置入预锻模的下模型腔内，在压力机的作用下完成预锻成形获得预锻件；
步骤S500，将预锻件置入终锻模的下模型腔内，在压力机的作用下完成终锻成形。
具体地，当圆棒料初始直径大于2Rmax时采用拔长工艺获得圆柱坯料，当圆棒料初始直径小于2Rmin时采用镦粗工艺获得圆柱坯料。
将圆棒料进行少无氧化加热处理时，采用中频感应加热炉进行圆棒料加热，加热温度为950℃±20℃，并在圆棒料表面喷涂水基石墨乳溶液，喷涂石墨层厚度为1mm～2mm。
由于非圆锥齿轮各个齿形几何形状都不相同，预锻件置入下模时，必须严格根据非圆锥齿轮各齿形与终锻模各齿形型腔对应关系进行定位。
本实施例中，圆棒料先镦粗至φ47mm×23.5mm的圆柱坯料后，迅速置入预制坯模腔中，通过压力机加载，完成预制坯成形，获得合格预制坯锻件。其中镦粗圆柱坯料的直径满足38.9mm≤D≤50mm。
本实施例提出的非圆锥齿轮的热锻成形工艺，通过热锻的方法成型非圆锥齿轮，能够取代多轴联动数控切削加工工艺，大幅度提高非圆锥齿轮生产效率，降低制造成本，同时显著提高非圆锥齿轮的机械力学性能。另外，将圆棒料在预制坯模具进行预制坯成形获得预制坯，有效提高非圆锥齿轮成形过程中金属流动的合理性和齿形填充效果，并且有利于提高温度场和塑性变形的均匀性，提高非圆锥齿轮的机械性能。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法，其特征在于，设计预制坯及预制坯模具时包括以下步骤：
将非圆锥齿轮按单个齿分割成多个部分，并将多个分割后的部分转化为多个具有扇形截面且等高的扇形柱体；
以多个扇形柱体的圆弧中点为基准点，采用样条曲线将所有基准点连接成一闭合曲线即为预制坯的径向截面形状；
以预制坯的最大轴向截面为分模面，并根据扇形柱体的高度和预制坯的径向截面形状进行预制坯模具的加工。
2.如权利要求1所述的用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法，其特征在于，所述将非圆锥齿轮按单个齿分割成多个部分，并将多个分割后的部分转化为多个具有扇形截面且等高的扇形柱体的步骤具体包括：
以非圆锥齿轮轴线和各齿槽顶点为基准建立多个基准面；
通过多个基准面将非圆锥齿轮锻件分割成多个部分；
将所分割的各部分按照等体积原则转换为具有扇形截面且等高的扇形柱体，各扇形柱体的扇形截面中心角与非圆锥齿轮中两相邻基准面夹角相等。
3.如权利要求1所述的用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法，其特征在于，进行终锻模的型腔设计时，将非圆半轴锥齿轮大端齿形的齿顶曲线沿径向延伸所得曲面和非圆半轴锥齿轮大端齿形所在球面共同构成的分模面进行终锻模的型腔设计，其中，包含背部轴杆型腔的凹模为上模，包含齿形型腔的齿形模为下模。
4.如权利要求1所述的用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法，其特征在于，进行预锻模的型腔设计时，预锻模型腔是在终锻模型腔的基础上，齿形型腔沿齿面法向增大0.2mm～0.3mm，背部轴杆型腔沿轴向增大0.8～1.2mm，并以非圆半轴锥齿轮大端齿形的齿顶曲线沿径向延伸所得延伸曲面和非圆半轴锥齿轮大端齿形所在球面共同构成的分模面进行分模设计，其中，包含齿形型腔的齿形模为上模，包含背部轴杆型腔的凹模为下模。
5.如权利要求4所述的用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法，其特征在于，预锻模下模型腔底部根据预制坯径向截面形状设计用于预制坯定位的定位槽。
6.如权利要求1所述的用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法，其特征在于，最大扇形柱体半径等于非圆锥齿轮锻件背部轴杆的半径。
7.一种基于权利要求1所述的用于非圆锥齿轮的热锻成形模具设计方法的热锻成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将圆棒料进行下料以及少无氧化加热处理；
将经少无氧化加热处理后的圆棒料经过镦粗或者拔长，获得直径满足2Rmin≤D≤2Rmax的圆柱坯料，其中Rmin、Rmax分别为预制坯径向截面的最大内切圆半径和和最小外接圆半径；
将经过镦粗或者拔长后的圆棒料在预制坯模具进行预制坯成形获得预制坯；
将预制坯置入预锻模的下模型腔内，在压力机的作用下完成预锻成形获得预锻件；
将预锻件置入终锻模的下模型腔内，在压力机的作用下完成终锻成形。
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