CN109351836B - 一种杯形柔轮的制备方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杯形柔轮的制备方法及其装置；采用尾顶将圆形板坯顶紧在芯模的端部，将脉冲电源的正极导线与芯模连接，负极导线直接与旋轮组件的各个旋轮连接；先用一个旋轮将圆形板坯旋压变形为内外侧壁均为直壁的杯形工件；再用两个旋轮将杯形工件旋压变形为两段不同直壁厚度的变厚杯形工件，并将较厚的平滑段作为齿廓预留段；最后用一个带齿旋轮对齿廓预留段进行旋压，使其外圆周形成一圈齿廓；最终进行少量切削加工，进而完成圆形板坯至杯形柔轮工件的加工过程；本发明的基于塑性成形的杯形柔轮制备工艺，能够完整保留变形过程所形成的流线，有利于提高零件的使用寿命，特别是柔轮这种厚度极薄的零件，优势更为明显。

Description

一种杯形柔轮的制备方法及其装置

技术领域

本发明涉及谐波柔性齿轮(简称柔轮)的加工，尤其涉及一种杯形柔轮的制备方法及其装置。

背景技术

谐波齿轮减速机在航空、航天、机器人等广泛领域得到了应用，而其中的柔性齿轮基本采用棒料进行切削加工获得坯料，再进行切齿加工。由于杯形坯料壁部厚度很薄，无齿部分甚至仅有0.4mm，有齿部分的齿底壁厚也往往只有0.7mm，因此，采用切削工艺加工这种薄壁杯形坯料，再用切削方法切出齿廓，不仅将材料内部纤维切断，从而降低了工件的强度和疲劳寿命，而且因坯料的刚度太低，不容易在机床上装卡牢固，切削过程极易造成零件尺寸超差，导致废品率高，加工成本高。

而在电致塑性旋压成形装置方面，要么是电源两极分别加载于毛坯与尾顶杆，所形成的通电闭环回路无法使旋轮与毛坯点接触区成为强电致塑性区域，更多的则是利用电热效应而不是电致塑性效应进行旋压成形的，因此无法充分发挥对材料塑性的提升作用。要么是电源两极分别加载于芯模(或卡盘)和旋轮臂(或叫手柄)，而旋轮与旋轮臂之间通常都由各种油脂进行润滑，其绝缘作用难免造成电流通道狭窄进而局部接触电阻增加，导致旋轮内部轴承温度升高而寿命急剧缩短，即电热效应未能施加在坯料上而是错误地施加在旋轮的轴承上。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种杯形柔轮的制备方法及其装置。

本发明通过下述技术方案实现：

一种杯形柔轮制备方法，包括如下步骤：将圆形板坯9装夹在旋压机床装置的芯模2与尾顶3之间；首先用一个旋轮将圆形板坯9旋压变形为内外侧壁均为直壁的杯形柔轮工件；再用两个旋轮将杯形柔轮工件旋压变形为两段不同直壁厚度的变厚杯形柔轮工件，即第一平滑段91和第二平滑段92，第二平滑段92的壁厚大于第一平滑段91的壁厚，第二平滑段92作为齿廓预留段；最后再用一个带齿旋轮对齿廓预留段进行旋压，使其外圆周形成一圈齿廓，进而完成圆形板坯9至杯形柔轮工件的变形过程。

所述圆形板坯9的变形过程中，在芯模2和各旋轮之间施加脉冲电流，使杯形柔轮工件的变形区始终处在电磁场中，从而有利于圆形板坯9的塑性变形。

所述圆形板坯9至杯形柔轮工件的变形过程具体如下：

将圆形板坯9装夹在旋压机床装置的芯模2与尾顶3之间，即采用尾顶3将圆形板坯9顶紧在芯模2的端部，将脉冲电源8的正极导线与芯模2连接，负极导线直接与旋轮组件的各个旋轮连接；

启动机床主轴1带动芯模2、圆形板坯9及尾顶3一起转动，将第一旋轮71以平行于芯模2轴线从尾顶3向芯模2方向移动，并保持第一旋轮71与芯模2母线之间的间隙等于圆形板坯9厚度不变，直至杯形柔轮工件变形结束；

将对称布置于芯模两侧的第二旋轮72和第三旋轮73以分段平行于芯模2轴线从尾顶3向芯模2方向移动，在工件变形的第一平滑段91时，第二旋轮72和第三旋轮73与芯模2母线的间隙按柔轮壁厚尺寸选取，如0.4～0.5mm；当移动至与第二平滑段92过渡处后将第二旋轮72和第三旋轮73与芯模2母线的间隙改为按体积不变计算得到的壁厚值，如0.9～1.0mm，直至杯形柔轮工件的第二平滑段92变形结束，即作为齿廓预留段的第二平滑段92变形结束，进而将圆形板坯9旋压变形为两段不同直壁厚度的变厚杯形柔轮工件；

将带齿的第四旋轮74从芯模2半径方向靠近第二平滑段92，并将机床主轴1转速与第四旋轮74转速按柔轮与第四旋轮的齿数比进行设定，在第四旋轮74移动过程中逐渐在第二平滑段92上成形齿廓，直至在第二平滑段92上旋压变形达到柔轮齿廓外形要求后结束；最后形成杯形柔轮，即杯形谐波柔性齿轮。

将上述已成形杯形谐波柔性齿轮进行少量切削和冲孔加工，以达到最终零件结构及尺寸要求。

一种杯形柔轮制备方法中使用的旋压机床装置，该旋压机床装置包括机床主轴1、芯模2、尾顶3、纵向和横向运动的移动平台、安装在该移动平台上的旋轮组件；

所述移动平台包括位于工位区域下方的纵向移动平台4、由纵向移动平台4搭载的两个结构相同的横向移动平台51、52；该两个横向移动平台51、52以芯模2为中心对称布置并且对称运动；

所述旋轮组件包括(多工位)第一旋轮座61和第二旋轮座62，以及第一旋轮71、第二旋轮72、第三旋轮73、第四旋轮74；

其中，机床主轴1、芯模2和尾顶3位于同一转动轴线上；该两个横向移动平台51、52安装在纵向移动平台4的两端；第一旋轮座61和第二旋轮座62分别安装在横向移动平台51、52上；第一旋轮71、第二旋轮72安装在第一旋轮座61上；第三旋轮73、第四旋轮74安装在第二旋轮座62上。

该旋压机床装置还包括一脉冲电源8；该脉冲电源8的正极导线与芯模2连接，负极导线直接与旋轮组件的各个旋轮连接，以缩短电流回路并使工件变形区位于(脉冲电源8所能输出的)最强电磁场中。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

传统切削工艺制作的杯形柔轮，由于切削加工后内部纤维组织被切断，齿轮零件的强度和疲劳寿命较低。而采用本发明的基于塑性成形的杯形柔轮制备工艺，能够完整保留变形过程所形成的流线，有利于提高零件的使用寿命，特别是柔轮这种厚度极薄的零件，优势更为明显。

传统切削工艺制作的杯形柔轮，由于切削过程中需要将工件装夹在卡盘上，但切削完成之前，工件壁厚越来越薄，刚度逐渐减小，弹性变形逐渐增加，最终导致零件尺寸精度较低。而通过本发明的基于塑性成形的杯形柔轮制备工艺，由于是将薄壁工件套在圆柱芯模上变形，能够较好地保证工件的壁厚均匀性和尺寸精度。

由于直接在芯模和各旋轮上分别连接了脉冲电源的正负极，能让变形区始终处在最高强度的电磁场中，有利于电致塑性效应的发挥，提高材料的塑性指标，使塑性变形过程更加稳定，并且由于电流回路最短，还不会在电流回路上非坯料变形区产生电热效应，有利于提高电流利用率和降低产品成本。

附图说明

图1是本发明所提及的杯形柔轮，即杯形谐波柔性齿轮结构示意图；

图2是本发明的旋压机床装置俯视结构示意图；

图3是本发明圆形板坯刚被夹紧等待变形加工的状态示意图；

图4是本发明采用第一旋轮进行旋压时的工作状态示意图；

图5是图4中第一旋轮旋压后得到的普通杯形柔轮工件示意图；

图6是本发明采用第二旋轮和第三旋轮对图5中杯形柔轮工件进行旋压的工作状态示意图；

图7是图6旋压后所产生的杯形柔轮工件坯料示意图；

图8是对图7中杯形柔轮工件坯料的齿廓部分旋压成形的工作状态示意图；

图9是本发明杯形柔轮的制备工艺完整原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1-9所示。本发明公开了一种杯形柔轮制备方法中使用的旋压机床装置，该旋压机床装置包括机床主轴1、芯模2、尾顶3、纵向和横向运动的移动平台、安装在该移动平台上的旋轮组件；

所述移动平台包括位于工位区域下方的纵向移动平台4、由纵向移动平台4搭载的两个结构相同的横向移动平台51、52；该两个横向移动平台51、52以芯模2为中心对称布置并且对称运动；

所述旋轮组件包括(多工位)第一旋轮座61和第二旋轮座62，以及第一旋轮71、第二旋轮72、第三旋轮73、第四旋轮74；

其中，机床主轴1、芯模2和尾顶3位于同一转动轴线上；该两个横向移动平台51、52安装在纵向移动平台4的两端；第一旋轮座61和第二旋轮座62分别安装在横向移动平台51、52上；第一旋轮71、第二旋轮72安装在第一旋轮座61上；第三旋轮73、第四旋轮74安装在第二旋轮座62上。

该旋压机床装置还包括一脉冲电源8；该脉冲电源8的正极导线与芯模2连接，负极导线直接与旋轮组件的各个旋轮连接，以缩短电流回路。芯模、尾顶和旋轮均带有彼此相应的绝缘结构，将脉冲电源8的电流回路限定为“电源－电刷－芯模－柔轮工件－旋轮－电刷－电源”。

带齿的第四旋轮和机床主轴、芯模的转动由伺服电机驱动。

本发明杯形柔轮制备方法，可通过如下方案实现：

将圆形板坯9装夹在旋压机床装置的芯模2与尾顶3之间；首先用一个旋轮将圆形板坯9旋压变形为内外侧壁均为直壁的杯形柔轮工件；再用两个旋轮将杯形柔轮工件旋压变形为两段不同直壁厚度的变厚杯形柔轮工件，即第一平滑段91和第二平滑段92，第二平滑段92的壁厚大于第一平滑段91的壁厚，第二平滑段92作为齿廓预留段；最后再用一个带齿旋轮对齿廓预留段进行旋压，使其外圆周形成一圈柔轮的齿廓，进而完成圆形板坯9至杯形柔轮工件的变形过程。

所述圆形板坯9的变形过程中，在芯模2和各旋轮之间施加脉冲电流，使杯形柔轮工件的变形区始终处在(脉冲电源8所能输出的)最强电磁场中，从而有利于圆形板坯9的塑性变形。

所述圆形板坯9至杯形柔轮工件的变形过程具体如下：

将圆形板坯9装夹在旋压机床装置的芯模2与尾顶3之间，即采用尾顶3将圆形板坯9顶紧在芯模2(圆柱形)的端部，将脉冲电源8的正极导线与芯模2连接，负极导线直接与旋轮组件的各个旋轮连接；

启动机床主轴1带动芯模2、圆形板坯9及尾顶3一起转动，将第一旋轮71以预定速度平行于芯模2轴线从尾顶3向芯模2方向移动，并保持第一旋轮71与芯模2母线之间的间隙等于圆形板坯9厚度不变，直至杯形柔轮工件(即一端开口，另一端密封的圆筒形结构)变形结束；

将对称布置于芯模两侧的第二旋轮72和第三旋轮73以预定速度分段平行于芯模2轴线从尾顶3向芯模2方向移动，在工件变形的第一平滑段91时，第二旋轮72和第三旋轮73与芯模2母线的间隙按柔轮壁厚尺寸选取，如0.4～0.5mm；当移动至与第二平滑段92过渡处后将第二旋轮72和第三旋轮73与芯模2母线的间隙改为按体积不变计算得到的壁厚值，如0.9～1.0mm，直至杯形柔轮工件的第二平滑段92变形结束，即作为齿廓预留段的第二平滑段92变形结束，进而将圆形板坯9旋压变形为两段不同直壁厚度的变厚杯形柔轮工件；

将带齿的第四旋轮74从芯模2半径方向靠近第二平滑段92，并将机床主轴1转速与第四旋轮74转速按柔轮与第四旋轮的齿数比进行设定，在第四旋轮74移动过程中逐渐在第二平滑段92上成形齿廓，直至在第二平滑段92上旋压变形达到柔轮齿廓外形要求后结束；最后形成杯形柔轮，即杯形谐波柔性齿轮。

将上述已成形杯形谐波柔性齿轮进行少量切削和冲孔加工，以达到最终零件结构及尺寸要求。

旋压机床装置的操作如下：

如图3所示，杯形柔轮旋压成形之前，先用尾顶3和芯模2将圆形板坯9夹紧。然后将第一旋轮71调整到合适的工位，使其与芯模2的母线之间的间隙等于圆形板坯9的厚度；然后启动机床主轴1带动芯模2和尾顶3一起转动，并平行于芯模2的轴线方向向左移动纵向移动平台4，并带动第一旋轮71移动，变形过程示意图如图4所示，变形结束后得到的(普通)杯形柔轮工件如图5所示。

再将第一旋轮座61和第二旋轮座62进行旋转，把第二旋轮72和第三旋轮73同时转至工作工位，旋压过程示意图如图6所示，其中第二旋轮72和第三旋轮73与芯模2母线的间隙按柔轮坯料的壁厚尺寸确定，即先小后大，其中较小壁厚即等于柔轮零件的实际壁厚，较大壁厚按体积不变原理计算，用于最终成形齿廓外形。变形结束后即得到图7所示的杯形柔轮坯料。

再将第二旋轮座62进行旋转，把带齿的第四旋轮74转至工作工位，如图8所示。使芯模2与第四旋轮74的转速按柔轮与第四旋轮齿数相匹配，并将第四旋轮74向靠近芯模2的方向沿芯模2半径方向移动，至第二平滑段的齿廓完全成形时，将第四旋轮74退回；杯形柔轮的初步加工完成。

最后将初步加工完成的杯形柔轮从旋压机床装置上卸出，进行后续处理，包括用切削方法对其口部及底部进行少量切削，并对底部进行冲孔等，以达到最终零件的结构和尺寸要求。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种杯形柔轮制备方法，其特征在于包括杯形柔轮制备方法中使用的旋压机床装置，该旋压机床装置包括机床主轴（1）、芯模（2）、尾顶（3）、纵向和横向运动的移动平台、安装在该移动平台上的旋轮组件；其特征在于：

所述移动平台包括位于工位区域下方的纵向移动平台（4）、由纵向移动平台（4）搭载的两个结构相同的横向移动平台（51、52）；该两个横向移动平台（51、52）以芯模（2）为中心对称布置并且对称运动；

所述旋轮组件包括第一旋轮座（61）和第二旋轮座（62），以及第一旋轮（71）、第二旋轮（72）、第三旋轮（73）、第四旋轮（74）；

其中，机床主轴（1）、芯模（2）和尾顶（3）位于同一转动轴线上；该两个横向移动平台（51、52）安装在纵向移动平台（4）的两端；第一旋轮座（61）和第二旋轮座（62）分别安装在横向移动平台（51、52）上；第一旋轮（71）、第二旋轮（72）安装在第一旋轮座（61）上；第三旋轮（73）、第四旋轮（74）安装在第二旋轮座（62）上；

杯形柔轮制备过程包括如下步骤：将圆形板坯（9）装夹在旋压机床装置的芯模（2）与尾顶（3）之间；首先用一个旋轮将圆形板坯（9）旋压变形为内外侧壁均为直壁的杯形柔轮工件；再用两个旋轮将杯形柔轮工件旋压变形为两段不同直壁厚度的变厚杯形柔轮工件，即第一平滑段（91）和第二平滑段（92），第二平滑段（92）的壁厚大于第一平滑段（91）的壁厚，第二平滑段（92）作为齿廓预留段；最后再用一个带齿旋轮对齿廓预留段进行旋压，使其外圆周形成一圈齿廓，进而完成圆形板坯（9）至杯形柔轮工件的变形过程；

所述圆形板坯（9）的变形过程中，在芯模（2）和各旋轮之间施加脉冲电流，使杯形柔轮工件的变形区始终处在电磁场中，从而有利于圆形板坯（9）的塑性变形；

所述圆形板坯（9）至杯形柔轮工件的变形过程具体是指：

将圆形板坯（9）装夹在旋压机床装置的芯模（2）与尾顶（3）之间，即采用尾顶（3）将圆形板坯（9）顶紧在芯模（2）的端部，将脉冲电源（8）的正极导线与芯模（2）连接，负极导线直接与旋轮组件的各个旋轮连接；

启动机床主轴（1）带动芯模（2）、圆形板坯（9）及尾顶（3）一起转动，将第一旋轮（71）以平行于芯模（2）轴线从尾顶（3）向芯模（2）方向移动，并保持第一旋轮（71）与芯模（2）母线之间的间隙等于圆形板坯（9）厚度不变，直至杯形柔轮工件变形结束；

将对称布置于芯模两侧的第二旋轮（72）和第三旋轮（73）以分段平行于芯模（2）轴线从尾顶（3）向芯模（2）方向移动，在杯形柔轮工件变形的第一平滑段（91）时，第二旋轮（72）和第三旋轮（73）与芯模（2）母线的间隙按柔轮零件实际壁厚选取；当移动至与第二平滑段（92）过渡处后将第二旋轮（72）和第三旋轮（73）与芯模（2）母线的间隙改为按体积不变计算得到的壁厚值，直至杯形柔轮工件的第二平滑段（92）变形结束，即作为齿廓预留段的第二平滑段（92）变形结束，进而将圆形板坯（9）旋压变形为两段不同直壁厚度的变厚杯形柔轮工件；

将带齿的第四旋轮（74）从芯模（2）半径方向靠近第二平滑段（92），并将机床主轴（1）转速与第四旋轮（74）转速按柔轮与第四旋轮的齿数比进行设定，在第四旋轮（74）移动旋压过程中逐渐在第二平滑段（92）上成形齿廓，直至在第二平滑段（92）上旋压变形达到柔轮齿廓外形要求后结束；最后形成杯形柔轮，即杯形谐波柔性齿轮。

2.根据权利要求1所述杯形柔轮制备方法，其特征在于：该旋压机床装置还包括一脉冲电源（8）；该脉冲电源（8）的正极导线与芯模（2）连接，负极导线直接与旋轮组件的各个旋轮连接，以缩短电流回路。

3.根据权利要求2所述杯形柔轮制备方法，其特征在于：所述芯模（2）、尾顶（3）及第一旋轮（71）、第二旋轮（72）、第三旋轮（73）、第四旋轮（74）均彼此电绝缘。

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