CN110076273A - 一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法，其特征在于：包括上模和下模，上模由压头连接板、压头、脱模杆、脱模弹簧、弹簧调整垫片、齿形模、脱模螺母、限位调整垫和承压板组成，脱模杆头部安装在压头连接板安装孔里且脱模杆尾部安装在齿形模顶端法兰安装孔里，下模由压缩垫、第一下模弹簧杆、固定螺母、第二下模弹簧、第二下模弹簧杆、芯模、顶料杆、下限位板、下限位调整垫片、调整垫片、凹模圈和第一下模弹簧组成，第一下模弹簧安装在第一下模弹簧杆上且第一下模弹簧底部顶在凹模圈顶端法兰顶面上。本发明工艺过程简单，成形质量好，精度高，对设备要求低，操作简单方便且灵活性高。

Description

一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法

技术领域

本发明属于伞齿轮轴成形技术领域，具体涉及一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法。

背景技术

在机械传动系统中，齿轮传动是依靠相互啮合的齿轮将一个轴的旋转运动和扭矩传递到另一个轴。在所有的齿轮传动中，伞齿轮可以实现两相交轴之间的运动和载荷的传递，在机械工业领域应用很多。

伞齿轮与轴的连接分为两种，当轴径与伞齿轮直径相差不大时一般将伞齿轮和轴作为一体，当轴径与伞齿轮直径相差较大时通常将伞齿轮和轴分别加工成形，然后将伞齿轮通过机械手段安装到轴上组成一个整体。无论是伞齿轮和轴作为一体还是两体，目前伞齿轮齿形的的加工需要在专门的刨齿机上或者万能铣床上进行，无论采用哪种加工设备都会导致原始齿轮锻坯流线破坏，从而降低伞齿轮齿形的强度。

而锻造一体成形工艺可以最大限度的保留锻造流线，使得成形后零件的强度和刚度明显增加，因此，将锻造一体成形技术应用到伞齿轮轴的成形工艺中具有广阔的前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法，其工艺过程简单，成形质量好，精度高，对设备要求低，操作简单方便且灵活性高。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法，其特征在于：包括上模和下模，所述的上模由压头连接板、压头、脱模杆、脱模弹簧、弹簧调整垫片、齿形模、脱模螺母、限位调整垫和承压板组成，所述的压头连接板中心设有阶梯型通孔，所述的压头通过螺钉固定安装在压头连接板的阶梯型通孔里，所述的齿形模为带有法兰的空心套筒结构，所述的脱模杆头部安装在压头连接板安装孔里且脱模杆尾部安装在齿形模顶端法兰安装孔里，所述的脱模螺母安装在脱模杆尾部，所述的脱模弹簧和弹簧调整垫片都安装在脱模杆上且都位于压头连接板顶端法兰和齿形模顶端法兰之间，所述的承压板固定安装在齿形模顶端法兰顶面中心处且承压板底面与齿形模顶端法兰顶面之间安装有限位调整垫，所述的下模由压缩垫、第一下模弹簧杆、固定螺母、第二下模弹簧、第二下模弹簧杆、芯模、顶料杆、下限位板、下限位调整垫片、调整垫片、凹模圈和第一下模弹簧组成，所述的凹模圈为两端设有法兰的空心圆筒结构，所述的第一下模弹簧杆安装在凹模圈顶端法兰安装孔里，所述的第一下模弹簧安装在第一下模弹簧杆上且第一下模弹簧底部顶在凹模圈顶端法兰顶面上，所述的压缩垫安装在第一下模弹簧杆上且压缩垫顶在第一下模弹簧顶端，所述的芯模为底部设有法兰的空心轴结构且芯模从凹模圈底部法兰位置处插入凹模圈的中心通孔内，所述的芯模底部法兰和凹模圈底部法兰之间安装有第二下模弹簧杆，所述的第二下模弹簧杆上套有第二下模弹簧和调整垫片，所述的固定螺母安装在第二下模弹簧杆的尾部，所述的顶料杆安装在芯模的中心通孔内，所述的下限位板固定安装在芯模底部法兰顶面中心处且下限位板底面与芯模底部法兰顶面之间安装有下限位调整垫片。

其所述的成形方法，包括以下步骤：

a)根据需要成形的伞齿轮轴的外形尺寸计算成形所需的坯料体积，调整好压头连接板与齿形模顶端法兰之间的距离L1、承压板上表面与压头连接板底面之间的距离l1，以此来确定压头上表面与齿形模的相对位置保证成形伞齿轮所需的坯料体积；改变压缩垫底面与凹模圈顶端法兰顶面之间的距离L2，以保证上下模的初始合模高度和在初始聚料阶段齿形模与凹模圈的相对位置不变；调节凹模圈底部法兰与芯模底部法兰之间的距离L3使第二下模弹簧的初始载荷足以抵抗成形初期的变形抗力；调整调节凹模圈底部法兰底面与下限位板顶面之间的距离l3，以保证在整形前凹模圈与芯模相对位置保持不变；根据成形伞齿轮轴的长度计算好顶料杆插入芯模的深度。

b)将调整好的上模与成形设备的动梁相连，下模的芯模底部法兰与成形设备的下梁相连，顶料杆与成形设备的下顶出装置相连，并且保证顶料杆与芯模的相对位置与初始计算结果一致(即L4)。

c)将计算好的原始坯料放入由凹模圈、芯模和顶料杆组成的型腔内。

d)上模在成形设备动梁的带动下下行，第一下模弹簧杆穿过位于齿形模顶端法兰外侧的通孔，当齿形模顶端法兰下表面与压缩垫接触时，上模与下模合模结束，开始进入变形第一阶段；此时压头在设备压力F的作用下压缩脱模弹簧使压头相对于齿形模向下运动，而由于在此阶段设备的载荷F小于第一下模弹簧和第二下模弹簧的初始载荷，因此齿形模、凹模圈、芯模的相对位置保持不变；原始坯料在齿形模、凹模圈与芯模组成的空腔内逐渐进行自由镦粗变形，当压头连接板下表面与承压板上表面接触时，压头顶面移动至设定位置，聚料变形阶段结束。

e)压头连接板通过承压板带动压头和齿形模同时向下运动，齿形模顶端法兰开始压缩第一下模弹簧，由齿形模、凹模圈与芯模组成的型腔逐渐减小，变形进入伞齿轮轴齿形成形阶段；由于在此成形阶段的设备载荷F始终小于第二下模弹簧的初始载荷，因此在齿形成形阶段凹模圈相对于芯模的位置不变；当设备载荷F等于第二下模弹簧的初始载荷时，齿形成形阶段结束。

f)齿形成形结束后，在成形载荷F作用下带动压头、齿形模和凹模圈同时向下运动，变形进入整形阶段，当凹模圈底部法兰与下限位板接触后，成形设备停止加载进入保压阶段。

g)保压结束后，成形设备带动上模向上运动到初始位置，齿形模、压缩垫和凹模圈在弹簧载荷的作用下回到原始状态；此时，顶料杆在设备顶出装置的作用下向上运动，将成形后的伞齿轮轴从下模型腔内顶出，成形结束。

上述的齿形模中心孔轴线与压头中心轴线重合且齿形模中心孔与压头为间隙配合。

上述的齿形模底部设有与所要成形的伞齿轮轴的齿形相吻合的齿形。

上述的凹模圈中心通孔与上模中的齿形模外圆柱为间隙配合。

本发明中上模主要由压头连接板、压头、脱模杆、上模弹簧、承压板、限位调整垫、弹簧调整垫片、脱模螺母和齿形模组成。在压头连接板的中心开有阶梯型通孔，通过螺钉将压头固定在压头连接板的中心阶梯通孔上。压头为一端带法兰的圆柱结构，其直径根据成形伞齿轮轴的尺寸进行设计。齿形模为带有法兰的空心套筒结构，齿形模的中心通孔与压头为间隙配合，可以使压头在中心通孔上自由运动，齿形模套筒的外径等于所需成形的伞齿轮的外径；在齿形模的最下端开有与所要成形的伞齿轮的齿形相吻合的齿形。在压头连接板与齿形模法兰之间设置有脱模杆，在脱模杆上套有上模弹簧和弹簧调整垫片，通过脱模螺母将齿形模与压头连接板连接在一起。在齿形模法兰最外侧开可供下模弹簧杆穿过的通孔。在齿形模法兰的中心位置处设置有承压板，承压板与齿形模法兰设置有可控调整的限位调整垫片，承压板和限位调整垫片为空心环零件，其中心通孔直径大于压头外径。通过改变弹簧调整垫片的高度来实现对上模弹簧载荷、压头连接板与芯模法兰之间的距离L1的调整。通过改变限位调整垫片的高度(即改变承压板与压头连接板的距离l1)来实现对聚料成形阶段的镦粗变形量的控制。

下模主要由压缩垫、第一下模弹簧、凹模圈、第一下模弹簧杆、固定螺母、调整垫片、第二下模弹簧、第二下模弹簧杆、顶料杆、芯模、下限位板和下限位调整垫片等组成。在凹模圈的上法兰上布置有第一下模弹簧杆，第一下模弹簧杆上依次套有第一下模弹簧和压缩垫。第一下模弹簧杆为带有螺纹的阶梯轴零件，上端轴径大于下端轴径，阶梯轴的高度L2根据成形所需的第一下模弹簧的初始载荷、成形所需的成形高度进行设计。芯模为带有法兰的空心轴结构，其内孔直径等于成形后伞齿轮轴的轴径。芯模从凹模圈下法兰位置处插入凹模圈的中心通孔内，与凹模圈的中心通孔为小间隙配合。在芯模法兰和凹模圈下法兰之间设置有第二下模弹簧杆，在第二下模弹簧杆上套有第二下模弹簧和调整垫片，通过固定螺母将凹模圈下法兰与芯模法兰连接在一起。第二下模弹簧的初始载荷通过改变调整垫片厚度和固定螺母的位置实现(即改变凹模圈下法兰与芯模法兰之间的距离L3)。顶料杆位于芯模的中心通孔内，与芯模通孔为间隙配合。在芯模法兰中心位置处设置有下限位板和下限位调整垫片，通过改变下限位调整垫片的厚度来改变凹模圈下法兰与芯模法兰之间的第二下模弹簧的最大压缩量l3。

本发明的优点在于以下几点：

(1)在成形过程中先采用压头加载完成聚料，然后进行齿形的成形，可以保证成形后齿形的精度，减小齿形在成形过程中的各种成形缺陷。

(2)在聚料变形阶段，原始坯料受到齿形模中心通孔的导向作用，聚料变形结束后齿形模和压头同时进行加载，可以避免坯料在镦粗过程中的失稳，适合于轴径与伞齿轮径相差比较大的大高径比伞齿轮轴的一次成形工艺。

(3)模具结构中压头的位置和压下量、芯模与凹模圈的相对位置、合模高度等均可根据成形需要进行任意调节装置，模具的通用性和适用性强。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明聚料变形阶段的结构示意图；

图3是本发明齿轮成形阶段的结构示意图；

图4是本发明整形成形阶段的结构示意图。

其中的附图标记为：上模1、压头连接板101、压头102、脱模杆103、脱模弹簧104、弹簧调整垫片105、齿形模106、脱模螺母107、限位调整垫108、承压板109、下模2、压缩垫201、第一下模弹簧杆202、固定螺母203、第二下模弹簧204、第二下模弹簧杆205、芯模206、顶料杆207、下限位板208、下限位调整垫片209、调整垫片210、凹模圈211、第一下模弹簧212、坯料3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法，其特征在于：包括上模1和下模2，所述的上模1由压头连接板101、压头102、脱模杆103、脱模弹簧104、弹簧调整垫片105、齿形模106、脱模螺母107、限位调整垫108和承压板109组成，所述的压头连接板101中心设有阶梯型通孔，所述的压头102通过螺钉固定安装在压头连接板101的阶梯型通孔里，所述的齿形模106为带有法兰的空心套筒结构，所述的脱模杆103头部安装在压头连接板101安装孔里且脱模杆103尾部安装在齿形模106顶端法兰安装孔里，所述的脱模螺母107安装在脱模杆103尾部，所述的脱模弹簧104和弹簧调整垫片105都安装在脱模杆103上且都位于压头连接板101顶端法兰和齿形模106顶端法兰之间，所述的承压板109固定安装在齿形模106顶端法兰顶面中心处且承压板109底面与齿形模106顶端法兰顶面之间安装有限位调整垫108，所述的下模2由压缩垫201、第一下模弹簧杆202、固定螺母203、第二下模弹簧204、第二下模弹簧杆205、芯模206、顶料杆207、下限位板208、下限位调整垫片209、调整垫片210、凹模圈211和第一下模弹簧212组成，所述的凹模圈211为两端设有法兰的空心圆筒结构，所述的第一下模弹簧杆202安装在凹模圈211顶端法兰安装孔里，所述的第一下模弹簧212安装在第一下模弹簧杆202上且第一下模弹簧212底部顶在凹模圈211顶端法兰顶面上，所述的压缩垫201安装在第一下模弹簧杆202上且压缩垫201顶在第一下模弹簧212顶端，所述的芯模206为底部设有法兰的空心轴结构且芯模206从凹模圈211底部法兰位置处插入凹模圈211的中心通孔内，所述的芯模206底部法兰和凹模圈211底部法兰之间安装有第二下模弹簧杆205，所述的第二下模弹簧杆205上套有第二下模弹簧204和调整垫片210，所述的固定螺母203安装在第二下模弹簧杆205的尾部，所述的顶料杆207安装在芯模206的中心通孔内，所述的下限位板208固定安装在芯模206底部法兰顶面中心处且下限位板208底面与芯模206底部法兰顶面之间安装有下限位调整垫片209。

实施例中，其所述的成形方法，包括以下步骤：

a)根据需要成形的伞齿轮轴的外形尺寸计算成形所需的坯料3体积，调整好压头连接板101与齿形模106顶端法兰之间的距离L1、承压板109上表面与压头连接板101底面之间的距离l1，以此来确定压头102上表面与齿形模106的相对位置保证成形伞齿轮所需的坯料体积；改变压缩垫201底面与凹模圈211顶端法兰顶面之间的距离L2，以保证上下模的初始合模高度和在初始聚料阶段齿形模106与凹模圈211的相对位置不变；调节凹模圈211底部法兰与芯模206底部法兰之间的距离L3使第二下模弹簧204的初始载荷足以抵抗成形初期的变形抗力；调节凹模圈211底部法兰底面与下限位板208顶面之间的距离l3，以保证在整形前凹模圈211与芯模206相对位置保持不变；根据成形伞齿轮轴的长度计算好顶料杆207插入芯模206的深度。

b)将调整好的上模1与成形设备的动梁相连，下模2的芯模206底部法兰与成形设备的下梁相连，顶料杆207与成形设备的下顶出装置相连，并且保证顶料杆207与芯模206的相对位置与初始计算结果一致(即L4)。

c)将计算好的原始坯料3放入由凹模圈211、芯模206和顶料杆207组成的型腔内。

d)上模1在成形设备动梁的带动下下行，第一下模弹簧杆202穿过位于齿形模106顶端法兰外侧的通孔，当齿形模106顶端法兰下表面与压缩垫201接触时，上模1与下模2合模结束，开始进入变形第一阶段；此时压头在设备压力F的作用下压缩脱模弹簧104使压头102相对于齿形模106向下运动，而由于在此阶段设备的载荷F小于第一下模弹簧212和第二下模弹簧204的初始载荷，因此齿形模106、凹模圈211、芯模206的相对位置保持不变；原始坯料1在齿形模106、凹模圈211与芯模206组成的空腔内逐渐进行自由镦粗变形，当压头连接板101下表面与承压板109上表面接触时，压头102顶面移动至设定位置，聚料变形阶段结束。

e)压头连接板101通过承压板109带动压头102和齿形模106同时向下运动，齿形模106顶端法兰开始压缩第一下模弹簧212，由齿形模106、凹模圈211与芯模206组成的型腔逐渐减小，变形进入伞齿轮轴齿形成形阶段；由于在此成形阶段的设备载荷F始终小于第二下模弹簧204的初始载荷，因此在齿形成形阶段凹模圈211相对于芯模206的位置不变；当设备载荷F等于第二下模弹簧204的初始载荷时，齿形成形阶段结束。

f)齿形成形结束后，在成形载荷F作用下带动压头102、齿形模106和凹模圈211同时向下运动，变形进入整形阶段，当凹模圈211底部法兰与下限位板208接触后，成形设备停止加载进入保压阶段。

g)保压结束后，成形设备带动上模1向上运动到初始位置，齿形模106、压缩垫201和凹模圈211在弹簧载荷的作用下回到原始状态；此时，顶料杆207在设备顶出装置的作用下向上运动，将成形后的伞齿轮轴从下模2型腔内顶出，成形结束。

实施例中，齿形模106中心孔轴线与压头102中心轴线重合且齿形模106中心孔与压头102为间隙配合。

实施例中，齿形模106底部设有与所要成形的伞齿轮轴的齿形相吻合的齿形。

实施例中，凹模圈211中心通孔与上模1中的齿形模106外圆柱为间隙配合。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法，其特征在于：包括上模(1)和下模(2)，所述的上模(1)由压头连接板(101)、压头(102)、脱模杆(103)、脱模弹簧(104)、弹簧调整垫片(105)、齿形模(106)、脱模螺母(107)、限位调整垫(108)和承压板(109)组成，所述的压头连接板(101)中心设有阶梯型通孔，所述的压头(102)通过螺钉固定安装在压头连接板(101)的阶梯型通孔里，所述的齿形模(106)为带有法兰的空心套筒结构，所述的脱模杆(103)头部安装在压头连接板(101)安装孔里且脱模杆(103)尾部安装在齿形模(106)顶端法兰安装孔里，所述的脱模螺母(107)安装在脱模杆(103)尾部，所述的脱模弹簧(104)和弹簧调整垫片(105)都安装在脱模杆(103)上且都位于压头连接板(101)顶端法兰和齿形模(106)顶端法兰之间，所述的承压板(109)固定安装在齿形模(106)顶端法兰顶面中心处且承压板(109)底面与齿形模(106)顶端法兰顶面之间安装有限位调整垫(108)，所述的下模(2)由压缩垫(201)、第一下模弹簧杆(202)、固定螺母(203)、第二下模弹簧(204)、第二下模弹簧杆(205)、芯模(206)、顶料杆(207)、下限位板(208)、下限位调整垫片(209)、调整垫片(210)、凹模圈(211)和第一下模弹簧(212)组成，所述的凹模圈(211)为两端设有法兰的空心圆筒结构，所述的第一下模弹簧杆(202)安装在凹模圈(211)顶端法兰安装孔里，所述的第一下模弹簧(212)安装在第一下模弹簧杆(202)上且第一下模弹簧(212)底部顶在凹模圈(211)顶端法兰顶面上，所述的压缩垫(201)安装在第一下模弹簧杆(202)上且压缩垫(201)顶在第一下模弹簧(212)顶端，所述的芯模(206)为底部设有法兰的空心轴结构且芯模(206)从凹模圈(211)底部法兰位置处插入凹模圈(211)的中心通孔内，所述的芯模(206)底部法兰和凹模圈(211)底部法兰之间安装有第二下模弹簧杆(205)，所述的第二下模弹簧杆(205)上套有第二下模弹簧(204)和调整垫片(210)，所述的固定螺母(203)安装在第二下模弹簧杆(205)的尾部，所述的顶料杆(207)安装在芯模(206)的中心通孔内，所述的下限位板(208)固定安装在芯模(206)底部法兰顶面中心处且下限位板(208)底面与芯模(206)底部法兰顶面之间安装有下限位调整垫片(209)。

2.根据权利要求1所述的一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法，其特征在于：其所述的成形方法，包括以下步骤：

a)根据需要成形的伞齿轮轴的外形尺寸计算成形所需的坯料(3)体积，调整好压头连接板(101)与齿形模(106)顶端法兰之间的距离L1、承压板(109)上表面与压头连接板(101)底面之间的距离l1，以此来确定压头(102)上表面与齿形模(106)的相对位置保证成形伞齿轮所需的坯料体积；改变压缩垫(201)底面与凹模圈(211)顶端法兰顶面之间的距离L2，以保证上下模的初始合模高度和在初始聚料阶段齿形模(106)与凹模圈(211)的相对位置不变；调节凹模圈(211)底部法兰与芯模(206)底部法兰之间的距离L3使第二下模弹簧(204)的初始载荷足以抵抗成形初期的变形抗力；调整调节凹模圈(211)底部法兰底面与下限位板(208)顶面之间的距离l3，以保证在整形前凹模圈(211)与芯模(206)相对位置保持不变；根据成形伞齿轮轴的长度计算好顶料杆(207)插入芯模(206)的深度。

b)将调整好的上模(1)与成形设备的动梁相连，下模(2)的芯模(206)底部法兰与成形设备的下梁相连，顶料杆(207)与成形设备的下顶出装置相连，并且保证顶料杆(207)与芯模(206)的相对位置与初始计算结果一致(即L4)。

c)将计算好的原始坯料(3)放入由凹模圈(211)、芯模(206)和顶料杆(207)组成的型腔内。

d)上模(1)在成形设备动梁的带动下下行，第一下模弹簧杆(202)穿过位于齿形模(106)顶端法兰外侧的通孔，当齿形模(106)顶端法兰下表面与压缩垫(201)接触时，上模(1)与下模(2)合模结束，开始进入变形第一阶段；此时压头在设备压力F的作用下压缩脱模弹簧(104)使压头(102)相对于齿形模(106)向下运动，而由于在此阶段设备的载荷F小于第一下模弹簧(212)和第二下模弹簧(204)的初始载荷，因此齿形模(106)、凹模圈(211)、芯模(206)的相对位置保持不变；原始坯料(3)在齿形模(106)、凹模圈(211)与芯模(206)组成的空腔内逐渐进行自由镦粗变形，当压头连接板(101)下表面与承压板(109)上表面接触时，压头(102)顶面移动至设定位置，聚料变形阶段结束。

e)压头连接板(101)通过承压板(109)带动压头(102)和齿形模(106)同时向下运动，齿形模(106)顶端法兰开始压缩第一下模弹簧(212)，由齿形模(106)、凹模圈(211)与芯模(206)组成的型腔逐渐减小，变形进入伞齿轮轴齿形成形阶段；由于在此成形阶段的设备载荷F始终小于第二下模弹簧(204)的初始载荷，因此在齿形成形阶段凹模圈(211)相对于芯模(206)的位置不变；当设备载荷F等于第二下模弹簧(204)的初始载荷时，齿形成形阶段结束。

f)齿形成形结束后，在成形载荷F作用下带动压头(102)、齿形模(106)和凹模圈(211)同时向下运动，变形进入整形阶段，当凹模圈(211)底部法兰与下限位板(208)接触后，成形设备停止加载进入保压阶段。

g)保压结束后，成形设备带动上模(1)向上运动到初始位置，齿形模(106)、压缩垫(201)和凹模圈(211)在弹簧载荷的作用下回到原始位置；此时，顶料杆(207)在设备顶出装置的作用下向上运动，将成形后的伞齿轮轴从下模(2)型腔内顶出，成形结束。

3.根据权利要求1所述的一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法，其特征在于：所述的齿形模(106)中心孔轴线与压头(102)中心轴线重合且齿形模(106)中心孔与压头(102)为间隙配合。

4.根据权利要求1所述的一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法，其特征在于：所述的齿形模(106)底部设有与所要成形的伞齿轮轴的齿形相吻合的齿形。

5.根据权利要求1所述的一种大高径比伞齿轮轴成形模具及成形方法，其特征在于：所述的凹模圈(211)中心通孔与上模(1)中的齿形模(106)外圆柱为间隙配合。