CN111054882B - 一种齿轮无飞边锻造成形模具及制备方法和锻造方法 - Google Patents

一种齿轮无飞边锻造成形模具及制备方法和锻造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种齿轮无飞边锻造成形模具及制备方法和锻造方法，包括上冲头和下冲头；所述上冲头的下端面和下冲头的上端面分别设有相同的复合凹槽织构；所述复合凹槽织构包括多个环形的宏观凹槽和微观凹槽，每两个宏观凹槽之间布置至少一个微观凹槽。本发明针对精密齿轮锻造成形过程中，齿形区产生飞边的问题，提出一种齿轮无飞边锻造成形模具及其制备方法和锻造方法，本发明所述的复合织构作为余料储存室，无需传统切除飞边工序，节省了一套切飞边模具，降低了生产成本，提高生产效率，同时降低了模膛内成形压力，提高了模具使用寿命。

Description

一种齿轮无飞边锻造成形模具及制备方法和锻造方法
技术领域
本发明属于精密塑性成形技术领域，具体涉及一种齿轮无飞边锻造成形模具及制备方法和锻造方法。
背景技术
齿轮是汽车及各类机械中应用极广泛的重要传动零件。随着工业技术的不断发展，汽车、工程机械、轨道交通等领域对齿轮锻造生产工艺提出了优质、高效、精密、节能等要求，实现“净成形”与“近净成形”，是当前塑性加工领域的发展趋势。目前，齿轮无飞边锻造多采用闭式模锻、闭塞锻造等方法，能够显著地提高材料利用率、减少切削加工工时，降低产品成本，从而减少锻造工序、提高生产效率、节约能源，改善锻件表面质量。闭塞锻造技术是近年来发展十分迅速的一种塑性成形新方法，与模锻和挤压不同，闭塞锻造需要三重动作和工作压力。其成形过程是先将上下凹模闭合并施加合模力，将毛坯封闭于凹模型腔内，在压力机滑块作用下，凸模在一个方向或多个方向对坯料施加成形力，使坯料充满型腔。闭塞锻造一般所用坯料的质量误差控制在±5%以内，与其他齿轮锻造工艺相比，能够大大降低成形过程中产生的飞边量。但下料要求严格，下料不足容易导致因毛坯体积超差产生充不满，下料过多容易导致超负荷引起模具或设备损坏。因此对于齿形精度要求高的的齿轮锻造中，下料要求过于严格，容易产生不必要的材料浪费和降低齿轮成形效率，从而影响企业效率。即使坯料误差控制在±5%以内，在齿轮成形过程中仍会产生少量飞边和纵向毛刺。
中国文献专利CN102699091B，公开日为2014年10月1日，公开了一种挤压铝合金壳体零件的无飞边模具，包括凹模、凸模、型腔、曲面齿、左部凹模、右部凹模、定位孔、螺孔、螺纹连接部、销孔，在凹模的锥形部增设了曲面齿，使挤压过程中产生的余料和流动金属被约束挡住，阻碍了飞边的形成，随着相互啮合的曲面齿越来越多，使形成飞边的机会越来越小，从而使壳体枝杈零件在挤压过程中不产生飞边。该模具对成形工艺参数要求高，当金属流动过快时，容易导致金属在曲面齿啮合前溢出形成飞边，从而提高金属成形难度。
中国文献专利CN105081160A，公开日为2015年11月25日，公开了一种突缘叉锻造毛坯实现无飞边锻造的方法，通过把加热的圆棒料放入下模模腔中，上、下模具闭合锁模后，电动螺旋机构快速推动冲头挤压坯料，使坯料充满模腔，得到无飞边的突缘叉毛坯，此成形方法对坯料体积误差要求高，若坯料体积过大，成形时导致模腔内载荷过大，降低模具使用寿命，若坯料体积过小，又会导致模腔填充不完整，产生成形缺陷。
中国文献专利CN109622864A，公开日为2019年4月16日，公开了一种十字轴挤锻结合少无飞边成形方法及专用模具，其特征在于：所述方法步骤如下：首先将金属棒料加热后达到锻造温度，然后通过闭式热挤压方法将棒料预锻成形为十字形坯料，之后十字形坯料放入开式热模锻模具中进行锻造，最后将终锻件放入切边模具进行切边。该少无飞边成形方法工序繁琐，模具成本高，生产效率低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种齿轮无飞边锻造成形模具及制备方法，本发明所述模具为针对齿轮精锻过程提出一种齿轮无飞边锻造成形模具，克服了齿轮在锻造成形过程中齿形区产生飞边的问题，根据成形过程中坯料的流动状态和齿轮锻件结构，通过发挥数控铣削与激光精密加工特点，选择不影响齿轮啮合工作的部位作为余料堆积处，并在相对应的齿轮模具表面加工复合织构作为余料储存室。通过宏观大尺度凹槽织构储存大量余料，微观小尺度凹槽织构进行微量调整，收集剩余的少量余料，使得齿轮锻造成形过程中的多余坯料完全流向制备好的复合织构中，避免齿轮齿形区等重要工作部位产生飞边，从而节省后期去除飞边的工序和切飞边模具，提高齿轮精锻效率，降低了生产成本。同时，随着多余的坯料进入余料储存室中，模膛内成形压力显著降低，提高了模具使用寿命。本发明主要目的是实现齿轮无飞边精密锻造。
本发明还提供一种齿轮无飞边锻造方法，利用宏观织构容纳绝大部分余料，微观织构容纳少量余料的特点，发挥复合织构作为“余料储存室”的作用，确保齿轮精锻过程中多余的坯料临时存放到复合织构中，能够随着修整孔工序一起去除，实现齿轮无飞边精密锻造。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种齿轮无飞边锻造成形模具，包括上冲头和下冲头；所述上冲头的下端面和下冲头的上端面分别设有相同的复合凹槽织构；
所述复合凹槽织构包括多个环形的宏观凹槽和微观凹槽，每两个宏观凹槽之间布置至少一个微观凹槽。
上述方案中，所述复合凹槽织构中宏观凹槽的织构参数为：槽宽为0.5～1.5mm，槽深为1～5mm，相邻两个宏观凹槽之间的间距为2～5mm。
上述方案中，所述复合凹槽织构中微观凹槽的织构参数为：槽宽为60～120um，槽深为4～25um，相邻两个微观凹槽之间的间距为100～200um。
上述方案中，所述宏观凹槽采取R1～R3倒角。
上述方案中，所述微观凹槽采取R0.001～R0.005倒角。
一种根据所述齿轮无飞边锻造成形模具的制备方法，在所述上冲头的下端面和下冲头的上端面分别制备相同的复合凹槽织构，包括以下步骤：
所述宏观凹槽的制备：在上冲头的下端面和下冲头的上端面分别制备多个宏观凹槽并进行倒角处理、抛光处理和超声清洗；
所述微观凹槽的制备：采用激光器在宏观凹槽之间加工至少一个微观凹槽，并对微观凹槽进行倒角处理。
上述方案中，所述宏观凹槽的制备采用数控铣床进行处理。
上述方案中，所述激光器为二级泵浦Nd:YAG激光器。
上述方案中，所述激光器的加工参数为：加工电流为15～19A，重复频率为1600～2500Hz，扫描速度为9～22mm/s。
一种根据所述齿轮无飞边锻造成形模具的锻造方法，包括以下步骤；
将坯料加热到80～120℃，喷涂石墨润滑剂，继续加热到锻造温度；
将坯料放置于所述模具的下凹模中，上凹模和上冲头向下运动，上凹模、上冲头、下凹模和下冲头形成封闭模膛，所述上冲头继续下行，同时下冲头向上运动，待坯料受到挤压变形逐渐充满模膛后，多余的坯料大部分流向宏观凹槽中，随着上冲头和下冲头的继续运动，模膛的齿形区完全填充，而后微量的余料流入微观凹槽中；
待齿轮锻件成形，所述上凹模、上冲头和下冲头分别恢复到初始位置，取出无飞边的齿轮锻件，使用冲孔整形工序去除锻件中心孔处的连皮和堆积的余料，即得到无飞边齿轮件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对精密齿轮锻造成形过程中，齿形区产生飞边的问题，提出一种齿轮无飞边锻造成形模具及其制备方法和锻造方法，本发明所述的复合织构作为余料储存室，无需传统切除飞边工序，节省了一套切飞边模具，降低了生产成本，提高生产效率，同时降低了模膛内成形压力，提高了模具使用寿命。本发明所述的复合织构制备区域，是根据齿轮精锻的成形机理，选择不影响齿轮成形质量的上、下冲头端面加工复合织构，临时存放在复合织构中的余料可以随拉孔工序一起去除。本发明所述的复合凹槽织构，能够完全储存成形过程中的多余坯料，并通过微观凹槽织构进行微量调整，避免齿形区未填充完整的情况下，坯料提前进入复合凹槽织构中。本发明所述的复合织构环形分布方式，是根据成形金属的流动状态，选择环形分布可以保证余料储存室区域的金属流动均匀。本发明所述的数控铣削和激光微细加工复合造型方法，具有高效、精密可控、对环境无污染、成本低等优势。本发明所述的一种齿轮无飞边锻造成形模具可以应用于直齿圆柱齿轮、直齿锥齿轮、螺旋齿轮等各种复杂形状的齿轮无飞边精锻成形。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一实施方式的齿轮温锻模具图。
图2为本发明一实施方式的复合凹槽织构参数示意图。
图3为本发明一实施方式的复合凹槽织构环形分布示意图。
图4为本发明一实施方式的具有复合凹槽织构上冲头示意图。
图5为本发明一实施方式的具有复合凹槽织构下冲头示意图。
图6为传统飞边齿轮成形件示意图。
图7为转移飞边齿轮成形件示意图。
图8为本发明一实施方式的无飞边齿轮成形件示意图。
图中，1-上模座；2-垫板；3-压缩弹簧；4-拉杆；5-上冲头；6-下凹模应力圈；7-下凹模压圈；8-下模座；9-顶杆；10-模座；11-压紧套圈；12-导套；13-上凹模；14-下凹模；15-下冲头；16-导柱；17-下模垫板；18-宏观凹槽；19-微观凹槽；20-飞边。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种齿轮无飞边锻造成形模具包括上冲头5和下冲头15；所述上冲头5的下端面和下冲头15的上端面分别设有相同的复合凹槽织构；所述复合凹槽织构包括多个环形的宏观凹槽18和微观凹槽19，每两个宏观凹槽18之间布置至少一个微观凹槽19。
本发明根据齿轮成形要求和齿轮结构，选择对齿形成形质量影响小，并且可以随后期修整孔工序一起加工的区域作为余料堆积处。由于齿轮锻造成形后，要进行拉孔和加工销槽步骤，因此本发明选择齿轮中心孔对应的上冲头5、下冲头15端面作为余料储存室加工区域。
根据齿轮锻件下料时质量误差通常控制在±5％以内，计算齿轮件模膛体积和所需要的坯料体积，分析理论上可能产生的余料总体积，从而确定能够容纳全部余料的复合织构的总体积。
优选的，所述复合凹槽织构中宏观凹槽18的织构参数为：槽宽为0.5～1.5mm，槽深为1～5mm，相邻两个宏观凹槽18之间的间距为2～5mm，所述宏观凹槽18采取R1～R3倒角，提高此区域的坯料流动速度，防止坯料从合模线处溢出。
优选的，所述复合凹槽织构中微观凹槽19的织构参数为：槽宽为60～120um，槽深为4～25um，相邻两个微观凹槽19之间的间距为100～200um，较小尺度的微观凹槽19可以容纳微量的余料，采取较小的R0.001～R0.005倒角，减缓坯料在微观凹槽区域的流动速度，确保模膛完全填充后，坯料在压力机作用下进入微观凹槽19中，实现锻造过程中的微调作用，防止模膛填充不足。
所述复合凹槽织构均采用宏观凹槽18与微观凹槽19相间环形分布方式，相邻两个宏观凹槽18之间至少布置一个微观凹槽19，在确保复合凹槽织构端面处确保金属流动方向均匀流动均匀的同时，可有效防止坯料未完整充填模膛的情况下，提前进入复合凹槽织构中导致齿形区填充不足。
一种根据所述齿轮无飞边锻造成形模具的制备方法，在所述上冲头5的下端面和下冲头15的上端面分别制备相同的复合凹槽织构，包括以下步骤：
所述宏观凹槽18的制备：在上冲头5的下端面和下冲头15的上端面分别制备多个宏观凹槽18并进行倒角处理、抛光处理和超声清洗；
所述微观凹槽19的制备：采用激光器在宏观凹槽18之间加工至少一个微观凹槽19，并对微观凹槽19进行倒角处理。
优选的，采用数控铣床对上冲头5的下端面和下冲头15的上端面进行宏观凹槽18加工。采用PG-2抛光机对铣削后的上冲头5、下冲头15端面进行15min抛光处理，确保粗糙度Ra≤0.05。采用KYX25-2400L超声波清洗机清洗抛光后的模具15min。
优选的，所述激光器为二级泵浦Nd:YAG激光器，在上冲头5的下端面和下冲头15的上端面分别制备微观凹槽19，
优选的，所述激光器的加工参数为：加工电流为15～19A，重复频率为1600～2500Hz，扫描速度为9～22mm/s，可有效制备出形貌规则的微凹槽织构，实现高效率加工。
一种根据所述齿轮无飞边锻造成形模具的锻造方法，包括以下步骤；
将坯料加热到80～120℃，喷涂石墨润滑剂，继续加热到锻造温度；
将坯料放置于所述模具的下凹模14中，上凹模13和上冲头5向下运动，上凹模13、上冲头5、下凹模14和下冲头15形成封闭模膛，所述上冲头5继续下行，同时下冲头15向上运动，待坯料受到挤压变形逐渐充满模膛后，多余的坯料大部分流向宏观凹槽18中，随着上冲头5和下冲头15的继续运动，模膛的齿形区完全填充，而后微量的余料流入微观凹槽19中；
待齿轮锻件成形，所述上凹模13、上冲头5和下冲头15分别恢复到初始位置，取出无飞边的齿轮锻件，使用冲孔整形工序去除锻件中心孔处的连皮和堆积的余料，即得到无飞边齿轮件。
实施例
如图1所示为本发明所述齿轮无飞边锻造成形模具的一种较佳实施方式，所述齿轮无飞边锻造成形模具包括上模座1、垫板2、压缩弹簧3、拉杆4、上冲头5、下凹模应力圈6、下凹模压圈7、下模座8、顶杆9、模座10、压紧套圈11、导套12、上凹模13、下凹模14、下冲头15、导柱16和下模垫板17；所述上冲头5的下端面和下冲头15的上端面分别设有相同的复合凹槽织构；所述复合凹槽织构包括多个环形的宏观凹槽18和微观凹槽19，每两个宏观凹槽18之间布置至少一个微观凹槽19。
本实施例分析本实施例所成形锥齿轮模具的结构，在成形末期，坯料完全充填模膛后，多余的坯料将会从模具的合模线等间隙处流出，在齿轮锻件上形成如图6所示的飞边20，然后通过切边模具去除飞边，既费时又费力，增加生产成本，影响成形件质量。本发明选择直齿圆锥齿轮的中心孔处作为“余量堆积处”，即选择上冲头5下端面和下冲头15上端面作为复合凹槽织构加工区域，避免齿形区形成飞边，从而无需切边模具；
本实施例根据锻件下料时质量误差通常控制在±5％以内，采用三维建模软件估算模膛体积和坯料体积，确定复合凹槽织构设计方案如图2，并采用环形分布方式，如图3所示，宏观凹槽18参数为，槽宽B为1mm，深度H为4mm，相邻两个宏观凹槽18间距C为4mm，边缘采用R3倒角；在相邻两个宏观凹槽18之间布置间距c为150um的微观凹槽19，槽宽b为100um，深度h为20um，边缘采用R0.003倒角。
本发明采用G代码进行铣削编程，控制数控铣床在上冲头5下端面和下冲头15上端面进行宏观凹槽制备。
采用PG-2型金相抛光机和KYX25-2400L超声波清洗机清对铣削后的上冲头5和下冲头15端面分别进行15min抛光处理和15min超声清洗，去除表面残渣，确保表面粗糙度Ra≤0.05。
设定Nd:YAG激光器的加工参数为，电流16A，重复频率2000Hz，扫描速度20mm/s，在抛光处理后的上、下冲头端面制备微观凹槽织构。
采用织构化冲头，如图4和5，进行成形试验，得到转移飞边锥齿轮成形件，如图7所示，多余的坯料堆积在中心孔上下两端面处。
使用冲孔修整工序去除锻件中心孔处的连皮，同时，堆积的余料也随之一并去除，获得尺寸形状符合要求的无飞边齿轮锻件，如图8所示。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种齿轮无飞边锻造成形模具，其特征在于，包括上冲头(5)和下冲头(15)；所述上冲头(5)的下端面和下冲头(15)的上端面分别设有相同的复合凹槽织构；
所述复合凹槽织构包括多个环形的宏观凹槽(18)和微观凹槽(19)，每两个宏观凹槽(18)之间布置至少一个微观凹槽(19)；所述复合凹槽织构中宏观凹槽(18)的织构参数为：槽宽为0.5～1.5mm，槽深为1～5mm，相邻两个宏观凹槽(18)之间的间距为2～5mm；所述复合凹槽织构中微观凹槽(19)的织构参数为：槽宽为60～120um，槽深为4～25um，相邻两个微观凹槽(19)之间的间距为100～200um。
2.根据权利要求1所述的齿轮无飞边锻造成形模具，其特征在于，所述宏观凹槽(18)采取R1～R3倒角。
3.根据权利要求1所述的齿轮无飞边锻造成形模具，其特征在于，所述微观凹槽(19)采取R0.001～R0.005倒角。
4.一种根据权利要求1-3任意一项所述齿轮无飞边锻造成形模具的制备方法，其特征在于，在所述上冲头(5)的下端面和下冲头(15)的上端面分别制备相同的复合凹槽织构，包括以下步骤：
所述宏观凹槽(18)的制备：采用数控铣床在上冲头(5)的下端面和下冲头(15)的上端面分别制备多个宏观凹槽(18)并进行倒角处理、抛光处理和超声清洗；
所述微观凹槽(19)的制备：采用二级泵浦Nd:YAG激光器在宏观凹槽(18)之间加工至少一个微观凹槽(19)，并对微观凹槽(19)进行倒角处理；所述激光器的加工参数为：加工电流为15～19A，重复频率为1600～2500Hz，扫描速度为9～22mm/s。
5.一种根据权利要求1-3任意一项所述齿轮无飞边锻造成形模具的锻造方法，其特征在于，包括以下步骤；
将坯料加热到80～120℃，喷涂石墨润滑剂，继续加热到锻造温度；
将坯料放置于所述模具的下凹模(14)中，上凹模(13)和上冲头(5)向下运动，上凹模(13)、上冲头(5)、下凹模(14)和下冲头(15)形成封闭模膛，所述上冲头(5)继续下行，同时下冲头(15)向上运动，待坯料受到挤压变形逐渐充满模膛后，多余的坯料大部分流向宏观凹槽(18)中，随着上冲头(5)和下冲头(15)的继续运动，模膛的齿形区完全填充，而后微量的余料流入微观凹槽(19)中；
待齿轮锻件成形，所述上凹模(13)、上冲头(5)和下冲头(15)分别恢复到初始位置，取出无飞边的齿轮锻件，使用冲孔整形工序去除锻件中心孔处的连皮和堆积的余料，即得到无飞边齿轮件。
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