CN108472775B - 齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮 - Google Patents

齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮，所述齿轮制造方法包括如下步骤：准备材料；切割材料并在材料上形成齿形，从而制造具有多个齿轮齿的齿轮半成品(齿形切割步骤)；对切割形成齿形的齿轮半成品进行热处理(热处理步骤)；对经热处理的齿轮半成品进行滚压成型(滚压成型步骤)，在所述切割形成齿形的齿轮半成品的齿轮齿上，在圆周方向两侧设置有余量部，并且在所述滚压成型步骤中，通过滚压成型模具加压余量部，从而将齿轮半成品制造成齿轮。

Description

齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮
技术领域
本发明涉及一种齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮，更为详细地，涉及一种齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮，就所述齿轮制造方法而言，制造工艺简单，可制造高精度及高质量的齿轮，并且节减制造费用和时间。
背景技术
齿轮通过切割加工、放电加工及塑性加工等方法制造而成。作为切割加工方法，有滚刀切割法、齿轮插刀法、齿条刀法，在切割加工中，通常利用CNC滚齿机。在CNC滚齿机的工作台安装工件之后，利用工作台使得工件旋转的同时对工件进行加工。
通常，在对使用于车辆的减速器等的齿轮进行加工时，以消减噪音为目的，在如成形、滚齿、拉削一样作为齿形加工工艺的展成步骤后，进行修整齿形的剃齿(Shaving)加工，在改善表面粗糙度的同时，进行凸面加工等轮齿修形。
剃齿作为一种去除齿轮齿面上少量的金属并对其进行修整的工艺，可通过剃齿来低廉地生产仅次于磨齿齿轮的高精密度的齿轮。剃齿为了补偿热处理过程中产生的变形，预测变形并进行轮齿修形，在热处理前金属变软的状态下实施。
在要求无燥声或精密度的高级车型或机床中所使用的齿轮要求高精密度，因此在热处理后通过研磨来生产高精密度的齿轮。
因为研磨工艺并非基本上进行轮齿修形的工艺，而且也不是去除大量表面金属的工艺，所以不能代替没有进行热处理的齿轮的剃齿。因此，在HRC40(例如)以下的硬度下进行研磨工艺是没有实际利益的。通过研磨工艺来将经过热处理而变形的齿形维持在热处理前剃齿的程度或使其进一步提高。
图1概略地示出齿轮的一部分，齿轮10沿着圆周方向具有多个齿11。在图1中，附图标号13表示节圆，附图标号15表示齿顶圆，附图标号19表示齿根圆，θ表示压力角，附图标号19表示在渐开式齿形中的基圆。齿轮的标准压力角θ为14°、20°、25°。针对这些的具体说明由于是公知的内容所以省略。
图2示出通过现有的切割加工制造齿轮的步骤，进行冷锻或热锻，并且在加工前进行热处理(退火或正火)，从而准备具有适合切割加工的硬度和组织的材料ST-10。通过车削以使得准备的材料具有所需的外径和内径的形式进行加工ST-20。
并且，通过如滚齿或成形工艺一样的过程进行齿形切割(展成)，从而加工成齿轮形态，并通过剃齿工艺进行修整ST-30，检查经加工的齿形ST-40。在热处理齿轮中，检查被剃齿的齿轮的齿形后ST-40进行热处理ST-50，并且在热处理后，为了使得通过热处理而变形的齿形达到热处理前被剃齿的程度或使其进一步提高，进行研磨加工ST-60，并且经过检查ST-70后出厂。
在所述热处理工艺中，为了使得表面硬度高、使得深部硬度比表面硬度低，根据材料或用途等进行渗碳淬火后回火，或通过进行高频热处理来使得表面硬度高，并使得深部硬度具有比表面硬度低的值。
通常，以如下形式进行热处理：使得表面硬度的范围为HRC 55～63，使得硬化深度的范围为0.8～1.4mm。
如上所述，在齿形切割ST-30后通过热处理工艺ST-50来制造齿轮时，存在通过热处理而产生变形且精密度降低的缺点。另外，研磨工艺(磨齿，Tooth Grinding)的情况，因为在热处理后执行，所以可进行高精密度的齿轮生产，但存在如下问题：由于生产效率的下降导致生产单价升高且难以大量生产，并且由于在研磨工艺中去除齿面的少量金属，所以通过热处理产生的变形大的不良的情况，只能废弃。
并且，在热处理齿轮中，为了使得表面硬度高、使得深部硬度比表面硬度低，需要进行高频热处理，但是存在如下问题：因为是具有在外径或内径凸出的齿轮齿的形态，所以不易进行沿着齿轮齿表面使得硬度变高的高频热处理。
另外，在滚压成型加工的情况下，存在如下问题：很难以标准压力角的大小制造压力角θ，而是制造成40°左右的大小。
发明内容
本发明是为了解决所述问题而提出的，其目的在于提供一种齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮，就所述齿轮制造方法而言，因为可以降低热处理温度，所以减少通过热处理而产生的变形，即使在没有高频热处理设备的情况下，也可以生产深部硬度低且表面硬度高的齿轮，提高齿轮的精密度，节减齿轮制造时间和费用，并且可以大量生产精密齿轮。
为了如上所述的目的，本发明提供一种齿轮制造方法，其包括如下步骤：准备材料；切割材料并在材料上形成齿形，从而制造具有多个齿轮齿的齿轮半成品(齿形切割步骤)；对切割形成齿形的齿轮半成品进行热处理(热处理步骤)；对经热处理的齿轮半成品进行滚压成型(滚压成型步骤)；在所述切割形成齿形的齿轮半成品的齿轮齿上，在圆周方向两侧设置有余量部，并且在所述滚压成型步骤中，利用滚压成型模具加压余量部，从而将齿轮半成品制造成齿轮。
以上，特征在于，余量部的厚度在节圆上达到最大，越靠近齿顶圆和齿根圆越减少。
以上，特征在于，制成的齿轮为渐开式齿轮，所述余量部设置于从齿顶圆至基圆的范围内，并且所述余量部的厚度在节圆上为最大。
以上，特征在于，所述余量部的厚度在节圆上达到最大，所述余量部在节圆上的厚度形成范围为100～200μm。
以上，特征在于，通过滚压成型步骤中的加压而制造具有齿轮齿的表面硬度比深部硬度高的硬度分布的齿轮。
以上，特征在于，在热处理步骤中，以使得热处理步骤后的齿轮半成品的余量部的表面硬度范围为齿轮最终硬度的70～85％的形式进行热处理。
以上，特征在于，在滚压成型步骤中，向滚压成型模具附加超声波振动。
另外，本发明提供一种齿轮，其通过所述齿轮制造方法来制成，并具有表面硬度高且深部硬度低的硬度梯度。
根据如上所述的本发明的齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮，因为可以降低热处理温度，所以减少通过热处理产生的变形，在热处理工艺中如渗碳淬火或者高频热处理之类的热处理并不是必需的，也可以通过预硬化热处理来制造具有表面硬度高且深部硬度低的硬度梯度的齿轮，提高齿轮的精密度，在与通过切割加工方法进行的热处理齿轮制造相比时，齿轮制造时间和费用减少30％左右。
附图说明
图1是示出一般的齿轮的一部分的主视图，
图2是示出根据现有技术的齿形切割齿轮制造方法的顺序图，
图3是示出根据本发明的齿轮制造方法的顺序图，
图4是示出根据本发明的齿轮制造方法中将要制成齿轮的齿轮半成品的一部分的主视图，
图5是为了说明根据本发明的齿轮制造方法中的滚压成型步骤而概略地示出的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对根据本发明的齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮进行说明。说明中省略了与现有技术重复的部分的记载。
图3是示出根据本发明的齿轮制造方法的顺序图，图4是示出根据本发明的齿轮制造方法中将要制成齿轮的齿轮半成品的一部分的主视图，图5是为了说明构成根据本发明的齿轮制造方法的滚压成型步骤而概略地示出的图。
根据本发明的齿轮制造方法包括如下步骤：准备材料；切割材料在材料上形成齿形，从而制造具有多个齿轮齿21的齿轮半成品20(ST-110，齿形切割步骤)；对切割形成齿形的齿轮半成品进行热处理(ST-120，热处理步骤)；对经热处理的齿轮半成品进行滚压成型(ST-130，滚压成型步骤)。
在所述切割形成齿形的齿轮半成品20的齿轮齿21上，在圆周方向两侧形成有余量部28，在所述滚压成型步骤ST-130中，利用滚压成型模具加压余量部28，从而将齿轮半成品20制造成齿轮。关于滚压成型步骤ST-130中的滚压成型模具等的技术内容由于与现有的技术相对应，所以省略对其的详细说明。
在所述准备材料步骤中，是准备将要制成齿轮的材料的步骤，作为与现有技术的准备材料步骤相对应的构成，准备具有适合切割的硬度和组织的材料。通过热锻或冷锻制成的材料为了适合于切割而降低硬度，为了使得组织均匀而进行如退火或正火等一样的热处理。由于这是现有公知的技术，所以省略对此的详细说明。
在所述齿形切割步骤ST-110中，在准备材料步骤中所准备的材料的外径或内径上切割而形成齿形，齿形切割方法如现有技术一样通过滚齿或成形等来展成齿轮齿，并可以利用通过剃齿而修整的方法来制造齿轮半成品20。
在本发明的说明中，齿轮半成品20具有在齿形切割步骤ST-110中经过加工而形成的多个齿轮齿21，指的是经过热处理步骤ST-120后经过滚压成型步骤ST-130从而将要制造成齿轮完成品的中间产品，热处理步骤ST-120后的中间产品也作为“齿轮半成品”进行说明。
在所述齿形切割步骤ST-110中加工而成的齿轮半成品20具有多个齿轮齿21，在所述齿轮齿21中，在将要形成为最终齿轮的外面21a的外侧，即在圆周方向两侧设置有余量部28。以上，外面21a是将要形成为最终齿轮的虚拟的外面。
所述余量部28的厚度在节圆23上达到最大，余量部28在节圆23上的厚度t范围以成为100～200μm的形式设置。优选地，所述余量部28的厚度t具有越靠近齿顶圆25和齿根圆越减少的形态。
在热处理步骤ST-120后，利用滚压成型模具加压余量部28的表面，从而齿轮齿21以具有最终的外面21a大小的形式成型时，因为在节圆23上具有最大的厚度t，所以在节圆23上成型变形量最大，越靠近齿顶圆和齿根圆成型变形量越减少。因此，在滚压成型加工后，在节圆23上通过滚压成型加工的硬化深度达到最大，表面硬度也达到最大。
根据本发明的制造方法，使得表面硬度不一定，如上所述，能够制造为具有在节圆23上达到最大，越远离节圆23越减少的梯度。调整余量部28的厚度，例如，可使得在节圆部分的表面硬度比其他部分的表面硬度高。
在制成的齿轮为渐开式齿轮时，所述余量部28设置于从齿顶圆到基圆的范围内。此时，优选地，也使得所述余量部28的厚度t在节圆上成为最大。
在所述热处理步骤ST-120中，以使得热处理步骤ST-120后的齿轮半成品20的余量部28的表面硬度的范围为齿轮表面硬度的70～85％的形式进行热处理。在热处理步骤ST-120中，对齿轮半成品20进行渗碳硬化热处理或者高频热处理，从而仅使得表面层硬化。在进行渗碳硬化热处理时，作为材料可以使用SNCM420、SNCM518H等。因为通常的齿轮的表面硬度为HRC55～63，所以在构成根据本发明的齿轮制造方法的热处理步骤中，以使得表面硬度范围为HRC38～54的形式进行热处理。在渗碳淬火热处理中可以通过降低加热温度的方法来降低表面硬度。
另外，在本发明的齿轮制造方法中，在热处理步骤ST-120中也可进行预硬化热处理。在滚压成型步骤ST-130中，因为通过加工硬化使得表面组织精密，并且使得表面硬度增加，所以即使在热处理步骤ST-120中进行预硬化热处理直至深部，在滚压成型步骤ST-130后也制造出具有表面硬度高且深部硬度低的硬度梯度的齿轮。
以上，余量部28的厚度t和热处理步骤后的硬度也可以以具有反比例关系的形式进行设定并制造。例如，在产品齿轮的表面硬度为HRC60时，若加大余量部28的厚度t，则降低热处理步骤ST-120后的表面硬度，在增加热处理步骤ST-120后的热处理硬度时，可以减小余量部28的厚度t。
所述余量部28的厚度在节圆23上达到最大，余量部28在节圆23上的厚度t范围为100～200μm，在所述热处理步骤ST-120中，以使得热处理步骤ST-120后的齿轮半成品的余量部28的表面硬度范围为齿轮最终硬度的70～85％的形式进行热处理时，经过滚压成型步骤ST-130后加压余量部28，齿轮齿21成型为最终加工齿轮齿的大小，表面硬度范围为HRC55～63。
如图5所示，利用滚压成型模具110、120对作为被滚压成型物的齿轮半成品20进行加压，使得余量部28塑性变形，从而制造完成品齿轮，滚压成型模具110、120具有在隔着齿轮半成品20的状态下在两侧与齿轮半成品20进行啮合并旋转的齿形。图5中的附图标号111和121表示滚压成型模具110、120的旋转轴，附图标号101表示与齿轮半成品20相结合的旋转轴。滚压成型模具110、120的旋转轴中任意一个通过马达等进行旋转驱动。
在构成本发明的齿轮制造方法的滚压成型步骤ST-130中，向滚压成型模具110、120中任意一个以上附加超声波振动。构成本发明的齿轮制造方法的滚压成型步骤ST-130，不是单纯地使得表面光滑的工艺，而是用于在使得表面光滑的同时，通过余量部28的压缩而提高表面硬度，因此在常温下进行滚压成型，并使得滚压成型加工量变多。向滚压成型模具110、120中任意一个以上附加超声波振动，从而在滚压成型工艺中更加容易实现成型。在构成本发明的滚压成型步骤ST-130中，虽然比热处理齿轮的表面硬度低，但是因为在滚压成型步骤ST-130前齿轮半成品20的表面硬度范围为HRC38～54，所以优选地，通过附加超声波振动来使得滚压成型更加容易进行。如图5所示，以能够旋转的形式使得环130插入于滚压成型模具110的旋转轴111，在环130上附着有产生超声波振动的振荡器131，从而可以在滚压成型模具110上产生超声波振动。所述振荡器131可设置于一侧的滚压成型模具110的两侧的旋转轴111，也可设置于另一侧的滚压成型模具120的旋转轴121。
经过如上所述的步骤来制造齿轮，以低温进行热处理，并且热处理后的硬度增加不大，所以几乎不发生通过热处理而产生的变形，节减热处理中所需的费用，另外，可调整制成的齿轮的表面硬度梯度，也可改善表面组织，也可以使得表面粗糙度质量符合高质量的齿轮程度。因为表面硬度根据余量部20厚度的不同而不同，所以将余量部20的厚度以不同的形式形成于齿轮齿21的表面，从而可在想要的部分形成想要的表面硬度。
产业上利用可能性
根据如上所述的发明，就齿轮制造方法及通过该制造方法制造的齿轮而言，因为可以降低热处理温度，所以减少通过热处理而产生的变形，在热处理工艺中如渗碳淬火或者高频热处理之类的热处理并不是必需的，也可以通过预硬化热处理来制造具有表面硬度高且深部硬度低的硬度梯度的齿轮，并且可以制造使得齿轮的精密度提高的齿轮。
此外，在与通过切割加工方法进行的热处理齿轮制造相比时，齿轮制造时间和费用减少30％左右，从而可以增加齿轮生产效率。

Claims (5)

1.一种齿轮制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备材料；
切割材料并在材料上形成齿形，从而制造具有多个齿轮齿(21)的齿轮半成品(ST-110，齿形切割步骤)；
对切割形成齿形的齿轮半成品进行热处理(ST-120，热处理步骤)；
对经热处理的齿轮半成品进行滚压成型(ST-130，滚压成型步骤)；
在所述切割形成齿形的齿轮半成品(20)的齿轮齿(21)上，在圆周方向两侧设置有余量部(28)，并且在所述滚压成型步骤(ST-130)中，通过滚压成型模具加压余量部，从而将齿轮半成品制造成齿轮；
在热处理步骤ST-120中进行预硬化热处理直至深部；
所述余量部(28)的厚度(t)在节圆上达到最大，越靠近齿顶圆和齿根圆越减少；
通过所述滚压成型步骤中的加压而制造成具有齿轮齿(21)的表面硬度比深部硬度高的硬度分布的齿轮；
并具有表面硬度高且深部硬度低的硬度梯度；
余量部(28)的厚度(t)和热处理步骤后的硬度以具有反比例关系的形式进行设定并制造；
利用滚压成型模具(110、120)对作为被滚压成型物的齿轮半成品(20)进行加压，使得余量部(28)塑性变形，从而制造完成品齿轮，滚压成型模具(110、120)具有在隔着齿轮半成品(20)的状态下在两侧与齿轮半成品(20)进行啮合并旋转的齿形；
并且，以能够旋转的形式使得环(130)插入于滚压成型模具(110)的旋转轴(111)，在环(130)上附着有产生超声波振动的振荡器(131)，从而可以在滚压成型模具(110)上产生超声波振动；所述振荡器(131)可设置于一侧的滚压成型模具(110)的两侧的旋转轴(111)。
2.根据权利要求1所述的齿轮制造方法，其特征在于，
制成的齿轮为渐开式齿轮，所述余量部(28)设置于从齿顶圆至基圆的范围内。
3.根据权利要求1所述的齿轮制造方法，其特征在于，
所述余量部(28)在节圆上的厚度(t)形成范围为100～200μm。
4.根据权利要求1所述的齿轮制造方法，其特征在于，
所述热处理步骤(ST-120)中以使得热处理步骤(ST-120)后的齿轮半成品的余量部(28)的表面硬度范围为齿轮最终硬度的70～85％的形式进行热处理。
5.根据权利要求1所述的齿轮制造方法，其特征在于，
在所述滚压成型步骤(ST-130)中，向滚压成型模具附加超声波振动。
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