CN109695623B - 一种整体式轻量化齿轮轴及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种整体式轻量化齿轮轴,包括中心轴部和齿轮盘部,中心轴部由从左到右依次连接、且同轴设置的第一轴段、第二轴段、第三轴段、第四轴段和第五轴段构成,该中心轴部呈中空结构,第一轴段至第四轴段的内外径依次增大,第五轴段的内外径小于第四轴段的内外径,且第五轴段在其远离第四轴段的一端还设置有球形轴端,该球形轴端上设置有中心通孔。本发明采用轻量化技术,提供一种生产加工方便、材料利用率高,能源消耗少,成品具有一定的流线,且金属致密度高,产品综合性能优异的整体式轻量化齿轮轴及其制造工艺。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域,具体的说是一种整体式轻量化齿轮轴及其制造工艺。
背景技术
节能环保日益成为全社会关注的焦点,用更小的消耗,产生更多的效用成为制造业追求的目标,轻量化技术因此也逐渐受到国内外制造业的重视。近年来,随着工程机械行业的迅速发展,轻量化将成为行业的主要发展技术方向之一。工程机械的轻量化,对于减少钢材消耗以及相应生产、运输等环节的能源消耗,降低作业过程中的能耗与废气排放、降低噪声等都具有直接影响,节能减耗的潜力巨大。国外某大型装载机车架结构、挖掘机箱体等结构选用900~1600MPa高强钢,采用先进成形工艺和模具技术,获得比原先设计厚度减少40%~50%的新型结构件质量减少40%~50%,同时也提高了强度与可靠性,综合效应显著提高;将连杆质量减轻30%,安装在1.2L的汽油机内,可节油5%;2012年中联重科开发的80m碳纤维臂架混凝土泵车,混凝土泵车质量减轻40%,油耗降低15%,可靠性提高,运输和使用方便。所以轻量化技术是我们急需研究和利用的先进技术。
齿轮轴是由于传动轴的直径与齿轮的齿根圆比较接近时,将轴和齿轮合成一个整体,一般用在变速箱高速级传递扭矩,由于齿轮轴主要承受交变载荷、冲击载荷,剪切应力和接触应力大,轴部易产生裂纹,齿部易磨损,因此要求齿轮轴的芯部有一定的强度和韧性,有较高的疲劳极限和抗冲击能力,表面还应具有一定的硬度和耐磨性,根据扭转力学原理可知齿轮轴芯部材料所受扭矩为零,将齿轮轴做成空心轴不影响齿轮轴的功能作用,同时还满足了所需的强度要求。目前现有技术中主要采用传统的机加工进行加工,只能切削钻孔,使得齿形强度不足,生产效率低,材料利用率低。国家知识产局公开的一种新能源汽车减速机齿轮轴及其制造工艺CN108006198A包括以下步骤:①下料;②制坯;③抛丸;④温锻;⑤正火处理;⑥制坯、抛丸、润滑;⑦冷精锻;⑧机加工;⑨热处理。现有技术生产效率低,成本高,金属流线被切断,性能无法保证。
发明内容
本发明的技术目的为,采用轻量化技术,提供一种生产加工方便、材料利用率高,能源消耗少,成品具有一定的流线,且金属致密度高,产品综合性能优异的整体式轻量化齿轮轴及其制造工艺。
本发明为解决上述技术问题,所采用的技术方案是:一种整体式轻量化齿轮轴,包括中心轴部和齿轮盘部,所述的中心轴部由从左到右依次连接、且同轴设置的第一轴段、第二轴段、第三轴段、第四轴段和第五轴段构成,该中心轴部呈中空结构,使第一轴段、第二轴段、第三轴段、第四轴段和第五轴段的内部分别具有孔径不一的第一轴孔、第二轴孔、第三轴孔、第四轴孔和第五轴孔,其中,所述第一轴段至第四轴段的内外径依次增大,第五轴段的内外径小于第四轴段的内外径,且第五轴段在其远离第四轴段的一端还设置有球形轴端,该球形轴端上设置有中心通孔;
所述的齿轮盘部包括齿轮盘以及均匀设置在齿轮盘外圆周上的多个轮齿,所述齿轮盘设置在第四轴段的外侧,且其中轴线与中心轴部的中轴线重合。
进一步的,所述第三轴段的内外径与第五轴段的内外径一致。
进一步的,所述第一轴段、第二轴段、第三轴段、第四轴段和第五轴段的连接处均通过圆角过渡。
进一步的,所述齿轮轴的材质为SCM415。
进一步的,所述的第一轴孔、第二轴孔、第三轴孔、第四轴孔和第五轴孔通过冷挤压直接成形。
进一步的,所述的齿轮盘由内圆环和外圆环构成,其中,内圆环贴合第四轴段的外圆周设置,外圆环贴合于内圆环的外侧设置,且在沿齿轮盘的中轴线方向上,内圆环的长度大于外圆环的长度,轮齿的长度也大于外圆环的长度。
进一步的,所述的内圆环的长度小于第四轴段的长度,且内圆环设置在第四轴段靠近第三轴段的一端外圆周。
一种整体式轻量化齿轮轴的制造工艺,包括以下步骤:
①下料:按照成品齿轮轴齿轮盘部外径的1/3选择标准棒材直径,之后再按照成品齿轮轴齿轮盘部外径的1.1倍截取所需棒材长度,采用冷剪下料,制得棒料;
②喷砂:对步骤①完成后的金属棒料进行喷砂,以去除表面氧化层,消除表面残余应力,提高表面质量,保证坯料的表面粗糙度在6.3μm以下,之后进行倒角;
③镦粗:对步骤②制得的棒料进行镦粗,使棒料的截面积增大至原棒料截面积的3倍,制得毛坯;
④反挤:通过模具对步骤③制得的毛坯进行内外部协同反挤,使毛坯预成型成齿轮盘部和中心轴部的中空结构;
⑤挤压冲通孔:将步骤④预成型后中心轴部中空结构内的连皮冲掉;
⑥逐步挤压成形:依靠模具以及压力机的作用,在步骤⑤的基础上预成型出第三轴段、第四轴段和第五轴段;
⑦缩径:通过凸凹模的作用,将预成型的第三轴段进行两级缩径,形成第一轴段和第二轴段;
⑧成形轮齿结构:依靠模具,在齿轮盘部的外圆周挤压成型多个轮齿;
⑨收口及钻端面中心通孔:依靠模具在第五轴段的端部进行收口,形成球形轴端,之后,利用机床在成型的球形轴端上钻孔,形成中心通孔;
⑩调质:对步骤⑨制成的工件进行后续淬火加高温回火双重热处理,即得成品整体式轻量化齿轮轴。
本发明的有益效果:
1、本发明的一种整体式轻量化齿轮轴,将轴和齿轮合成一个整体,解决了传动轴的直径与齿轮的齿根圆比较接近时分开制造齿轮强度不足的问题,同时据扭转力学原理可知齿轮轴芯部材料所受扭矩为零,将齿轮轴进行轻量化设计做成空心轴,在满足所需的强度要求下,降低了齿轮轴的质量,大大提高了材料的利用率,同时,由于质量较轻,与相同作用齿轮轴相比,在传递扭矩时可以降低油耗,在变速箱里啮合传动时振动较小,降低了工作噪音,顺应国家能源发展战略,提高了工作效率,降低了能源消耗。将齿轮轴设计成具有不同直径的五段,可以将做回转运动的零件安装在各轴段,攻克了轴段太长不利于上滚齿机加工难点,解决了支撑太长导致轴要加粗而增加机械强度问题。
2、本发明的制备工艺,采用冷挤压的方式成形所需形状,成形方法集中,均是在高速多工位压力机上瞬间高速完成,取代了传统的切削加工,生产效率高,大大的缩短了生产周期。
3、本发明的制备工艺通过模具挤压的方式成型所需的结构,在能够保证齿轮轴结构和功能性作用的前提下,采用了轻量化技术,整个过程基本不存在材料磨削损耗,提高了材料利用率,降低了原料和能源的消耗,降低了生产成本。
4、本发明通过冷挤压轻量化工艺制备得到的成品齿轮轴具有一定的流线,挤压成型技术还使得金属材料的晶粒组织更为致密,从而提高了成品齿轮轴的抗冲击性能,提高了其硬度、强度和韧性,使其具有优异的力学性能,产品的使用寿命也得到大大提高,成品齿轮轴精度较高,质量好。
附图说明
图1为本发明的纵向剖开结构示意图;
图2为本发明的立体结构示意图;
图3为本发明的工艺流程结构示意图;
图中标记:1、第一轴段,11、第一轴孔,2、第二轴段,21、第二轴孔,3、第三轴段,31、第三轴孔,4、第四轴段,41、第四轴孔,5、轮齿,6、齿轮盘,601、内圆环,602、外圆环,7、第五轴段,71、第五轴孔,8、球形轴端,9、中心通孔。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明:
如图1、图2所示,一种整体式轻量化齿轮轴,齿轮轴包括中心轴部和齿轮盘部,中心轴部包括第一轴段1、第二轴段2、第三轴段3、第四轴段4和第五轴段7,齿轮盘部包括齿轮盘6和均匀设置在齿轮盘6外圆周上的多个轮齿5,齿轮盘部对称设置在第四轴段4的外侧,中心轴部的中心线与齿轮盘部的中心线重合,齿轮盘6由内圆环601和外圆环602构成,其中,内圆环601贴合第四轴段4的外圆周设置,外圆环602贴合于内圆环601的外侧设置,且在沿齿轮盘6的中轴线方向上,内圆环601的长度大于外圆环602的长度,轮齿5的长度也大于外圆环602的长度,所述的内圆环601的长度小于第四轴段4的长度,且内圆环601设置在第四轴段4靠近第三轴段3的一端外圆周。所述第四轴段4的一端设置第三轴段3,第三轴段3一端设置第二轴段2,第二轴段2一端设置第一轴段1,第四轴段4的另一端设置第五轴段7,轴部为中空结构,第一轴段1内设置有第一轴孔11,第二轴段2内设置有第二轴孔21,第三轴段3内设置有第三轴孔31,第四轴段4内设置有第四轴孔41,第五轴段7内设置有第五轴孔71,第一轴段1、第二轴段2、第三轴段3、第四轴段4、第五轴段7之间均以圆角过渡, 所述第五轴段7的末端设置有球形轴端8,球形轴端上设置有中心通孔9。所述第四轴段4的内外径大于所述第五轴段7的内外径,所述第三轴段3的内外径与所述第五轴段7的内外径一样大,所述第二轴段2的内外径小于所述第三轴段3的内外径,所述第一轴段1的内外径小于所述第二轴段2的内外径。
进一步的,所述齿轮轴的材质为SCM415。
如图3所示,其制造工艺包括以下步骤:①下料:根据零件盘部直径的1/3选择标准棒材直径,之后按照零件盘部直径的1.1倍截取所需棒材长度,采用冷剪下料,制得棒料;②喷砂:对步骤①完成后的金属棒料进行喷砂,以去除表面氧化层,消除表面残余应力,提高表面质量,保证坯料的表面粗糙度在6.3μm以下,之后进行倒角;③镦粗:对步骤②制得的棒料进行镦粗,使棒料的截面积增大至棒料截面积的3倍,制得毛坯;④反挤:通过模具对毛坯实现反挤来预成形盘部和轴部中空结构;⑤挤压冲通孔:将预成形轴部中空结构内部的连皮冲掉;⑥挤压成形盘部和轴部:依靠模具以及压力机的作用来完成相应的工序,同时预成形所述第三轴段,成形所述第四轴段与所述第五轴段;⑦缩径:通过凸凹模的作用将预成形的所述第三轴段进行两级缩径从而成形所述第一轴段与所述第二轴段;⑧成形轮齿结构:该工序主要成形轮齿,并且靠模具作用来通过挤压精整终成形;⑨收口及钻端面中心通孔:依靠模具收口形成球形轴端,再利用机床钻孔形成中心通孔;⑩调质:使工件具有优良的综合力学性能,即高强度和高韧性的适当配合,还可提高一定的耐磨性,以保证零件长期顺利工作。
在本发明的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明采用冷挤压方法成形所需形状,成形方法集中,均在高速多工位压力机上瞬间高速完成,取代了传统的切削加工,生产效率高,大大的缩短了生产周期,在保证齿轮轴的结构和功能性作用的前提下,采用轻量化技术,提高了材料利用率,降低了原料和能源消耗,降低了生产成本和产品重量,采用轻量化制造工艺使得产品形成一定的流线,并且晶粒组织致密,产品精度高,质量好。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种整体式轻量化齿轮轴,包括中心轴部和齿轮盘部,其特征在于:所述的中心轴部由从左到右依次连接、且同轴设置的第一轴段(1)、第二轴段(2)、第三轴段(3)、第四轴段(4)和第五轴段(7)构成,该中心轴部呈中空结构,使第一轴段(1)、第二轴段(2)、第三轴段(3)、第四轴段(4)和第五轴段(7)的内部分别具有孔径不一的第一轴孔(11)、第二轴孔(21)、第三轴孔(31)、第四轴孔(41)和第五轴孔(51),其中,所述第一轴段(1)至第四轴段(4)的内外径依次增大,第五轴段(7)的内外径小于第四轴段(4)的内外径,且第五轴段(7)在其远离第四轴段(4)的一端还设置有球形轴端(8),该球形轴端(8)上设置有中心通孔(9);
所述的齿轮盘部包括齿轮盘(6)以及均匀设置在齿轮盘(6)外圆周上的多个轮齿(5),所述齿轮盘(6)设置在第四轴段(4)的外侧,且其中轴线与中心轴部的中轴线重合;
该齿轮轴的制造工艺,包括以下步骤:
①下料:按照成品齿轮轴齿轮盘部外径的1/3选择标准棒材直径,之后再按照成品齿轮轴齿轮盘部外径的1.1倍截取所需棒材长度,采用冷剪下料,制得棒料;
②喷砂:对步骤①制得的棒料进行喷砂处理,使棒料表面的粗糙度不大于6.3μm,之后进行倒角;
③镦粗:对步骤②制得的棒料进行镦粗,使棒料的截面积增大至原棒料截面积的3倍,制得毛坯;
④反挤:通过模具对步骤③制得的毛坯进行内外部协同反挤,使毛坯预成型成齿轮盘部和中心轴部的中空结构;
⑤挤压冲通孔:将步骤④预成型后中心轴部中空结构内的连皮冲掉;
⑥逐步挤压成形:依靠模具以及压力机的作用,在步骤⑤的基础上预成型出第三轴段、第四轴段和第五轴段;
⑦缩径:通过凸凹模的作用,将预成型的第三轴段进行两级缩径,形成第一轴段和第二轴段;
⑧成形轮齿结构:依靠模具,在齿轮盘部的外圆周挤压成型多个轮齿;
⑨收口及钻端面中心通孔:依靠模具在第五轴段的端部进行收口,形成球形轴端,之后,利用机床在成型的球形轴端上钻孔,形成中心通孔;
⑩调质:对步骤⑨制成的工件进行后续淬火处理和回火处理,即得成品整体式轻量化齿轮轴。
2.根据权利要求1所述的一种整体式轻量化齿轮轴,其特征在于:所述第三轴段(3)的内外径与第五轴段(7)的内外径一致。
3.根据权利要求1所述的一种整体式轻量化齿轮轴,其特征在于:所述第一轴段(1)、第二轴段(2)、第三轴段(3)、第四轴段(4)和第五轴段(7)的连接处均通过圆角过渡。
4.根据权利要求1所述的一种整体式轻量化齿轮轴,其特征在于:所述齿轮轴的材质为SCM415。
5.根据权利要求1所述的一种整体式轻量化齿轮轴,其特征在于:所述的第一轴孔(11)、第二轴孔(21)、第三轴孔(31)、第四轴孔(41)和第五轴孔(51)通过冷挤压直接成形。
6.根据权利要求1所述的一种整体式轻量化齿轮轴,其特征在于:所述的齿轮盘(6)由内圆环(601)和外圆环(602)构成,其中,内圆环(601)贴合第四轴段(4)的外圆周设置,外圆环(602)贴合于内圆环(601)的外侧设置,且在沿齿轮盘(6)的中轴线方向上,内圆环(601)的长度大于外圆环(602)的长度,轮齿(5)的长度也大于外圆环(602)的长度。
7.根据权利要求6所述的一种整体式轻量化齿轮轴,其特征在于:所述的内圆环(601)的长度小于第四轴段(4)的长度,且内圆环(601)设置在第四轴段(4)靠近第三轴段(3)的一端外圆周。
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