CN111558685B - 一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法及径向锻造模具 - Google Patents

一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法及径向锻造模具 Download PDF

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Abstract

一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法及径向锻造模具，方法先使用径向锻造方法获得基本的蜗杆螺纹齿形，然后通过滚轧用来修正径向锻造过程因为径向锻造模具内螺纹参数与成品蜗杆的螺纹参数的区别，以及温成形加工精度这两方面因素导致的齿形偏差；最后通过强化蜗杆齿形；径向锻造模具由多个外形相同的分模组成，多个分模内表面螺纹能够拼合完整的螺纹形状；本发明能够加工具有大齿高形貌的蜗杆的螺纹齿形，提高生产效率、缩短生产周期，增加零件的表面强度，提高零件的可靠性。

Description

一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法及径向锻造模具
技术领域
本发明属于蜗杆成形技术领域，具体涉及一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法及径向锻造模具。
背景技术
蜗杆传动主要由蜗轮和蜗杆构成，用于在两交错轴之间传递力和运动。与齿轮传动相比，蜗杆传动有传动比大而结构尺寸紧凑，运转平稳，噪声小，不需要其他辅助机构即能获得传动反行程自锁等优点，在减速机，扶梯曳引机，卷扬机等设备中有广泛的应用。
目前蜗杆生产采用切削方法或塑性成形方法。切削方法使原有的金属纤维遭到破坏，降低了材料强度，同时还有材料利用率低，加工成本高等缺点。蜗杆主要的塑性成形方法是滚轧，为了保证较高的加工精度和表面齿形质量，蜗杆多用冷成形的方法。常见的蜗杆材料在冷成形时变形抗力较大，因此对设备吨位、滚轧模具的硬度有较高的要求。
目前通过滚轧工艺成形蜗杆的生产实际中，成形的蜗杆大多齿高较小，4mm齿高的冷滚轧技术较为成熟。对于大齿高蜗杆，由于材料变形量大，采用冷滚轧方法不容易获得较好的效果。
径向锻造是一种多向局部加载成形技术，径向锻造具有成形效率高，节能节材，成型零件表面强度高等优点。由于大齿高蜗杆在成形时材料变形量大，径向锻造方法无法在一次捶打内完成全部变形量，需要使用渐进增量成形的方法。申请号为201410216065.X的中国专利中披露了一种坯料轴向进给的径向锻造渐进增量成形大齿高螺纹件的方法，然而采用该方法成形螺纹段轴向长度较小的蜗杆零件，容易出现明显的蜗杆轴向伸长，模具与蜗杆轴其他位置干涉，螺纹两端成形质量差等问题。申请号为201410218696.5的中国专利中披露了一种坯料无轴向进给的径向锻造成形渐进增量成形螺纹类零件的方法，然而采用该方法成形的蜗杆零件齿高较大，分度圆直径相对较小时，由于其模具齿形是目标零件齿形的共轭齿形，每次锤击时，模具内齿齿顶圆先与待成形工件接触，由于模具内齿齿顶圆直径小于成形前的坯料直径，成形时易出现材料折叠，齿形破坏等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法及径向锻造模具，能够加工具有大齿高形貌的蜗杆的螺纹齿形，提高生产效率、缩短生产周期，增加零件的表面强度，提高零件的可靠性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法，包括以下步骤：
步骤1，装夹工件2，工件2一端由机械手3夹紧；
步骤2，工件2向工作状态的电磁感应加热线圈送进，使工件2待成形螺纹的位置即成形区域位于电磁感应加热线圈的工作区域进行加热；
步骤3，成形区域达到预设温度T后，工件2退出电磁感应加热线圈的工作区域，并向径向锻造模具1方向送进，使径向锻造模具1螺纹段与工件2成形区域轴向对齐；
步骤4，径向锻造模具1首次成形螺纹，具体为：
4.1、径向锻造模具1进行打击锻造，径向锻造量为Δ，Δ由径向锻造总量Δh1和总锻造道次m确定：
Δ＝Δh1/m (1)
径向锻造总量Δh1取Δh1max≤Δh1＜Δh，Δh为总成形量，
Figure BDA0002492674950000031
Δh由蜗杆成品齿底圆直径dfw与加工前工件成形区域的直径db确定：
Figure BDA0002492674950000032
加工前工件成形区域的直径db由目标蜗杆的尺寸参数根据体积不变原理得到；
4.2、径向锻造模具1提起；
步骤5，工件2绕轴旋转；
若所呈现蜗杆的头数为n，径向锻造时工件2旋转角度应同时满足公式(3)，公式(4)：
Figure BDA0002492674950000033
Figure BDA0002492674950000034
式中k1，k2为任意正整数；径向锻造模具1个数NF取2～8个，且需要满足：
NF≠k3n (5)
式中，k3为任意正整数；
步骤6，径向锻造模具1进行打击锻造，径向锻造量为Δ；
步骤7，径向锻造模具1提起；
步骤8，重复步骤5至步骤7，重复m-2次；
步骤9，重复步骤5；
步骤10，径向锻造模具1进行打击锻造，径向锻造量为0；
步骤11，径向锻造模具1提起；
步骤12，重复步骤9至步骤11若干次，以改善成形表面质量；
步骤13，工件2由机械手3夹持轴向退出，卸料；
步骤14，工件2空冷至室温；
步骤15，将工件2送进滚轧设备的成形工位，调整滚轧模具4与工件2的相对位置与相位，使滚轧模具4与工件2啮合；所述滚轧模具4数目NR为两个以上，滚轧模具4齿形轮廓与蜗杆目标齿形的共轭齿形相同，旋向相反；
步骤16，滚轧模具4以相同的速度沿工件2的径向向内进给，并同时以相同的速度同向旋转，工件2在滚轧模具4的带动下旋转并产生塑性变形；所述滚轧模具4旋转为正、反交替旋转，在每个单向旋转行程内工件2旋转超过一周；
步骤17，当滚轧模具4径向进给量达到滚轧成形量Δh2时，滚轧模具4在保持往复旋转的情况下停止径向进给，继续旋转，此阶段为滚轧成形螺纹的精整阶段，精整时间内工件旋转角度不少于
Figure BDA0002492674950000051
滚轧成形量Δh2满足：
Δh2＝Δh-Δh1 (6)
步骤18，滚轧模具4停止转动，取下工件2，加工完成。
所述的预设温度T略高于材料的温成形温度区间上限值，使工件2送入径向锻造位置后，成形区域温度落在温成形温度区间内，且径向锻造的终锻温度高于材料温成形温度区间的下限值。
所述的径向锻造模具1由NF个外形相同的分模组成，各个分模的内表面为螺纹的1/NF圆弧面，NF个分模内表面螺纹能够拼合完整的螺纹形状；径向锻造模具1齿形的周向两侧设有倒角，倒角半径r＞Δ；同时，径向锻造模具1内螺纹参数需要根据成品蜗杆有所调整：
径向锻造模具1内螺纹的齿顶圆直径dad满足：
dad＝db-2μΔh1 (7)
式中，μ满足0≤μ≤1，具体取值方法为：根据不同蜗杆的情况，通过有限元仿真或其它方法验证，取在保证径向锻造过程中工件2材料不发生折叠的条件下的最大值，取0～0.5之间的数值；
径向锻造模具1内齿分度圆直径满足：
dd＝dad+2hfw (8)
式中，hfw为待成形蜗杆齿根高；
齿底圆直径满足：
dfd＝dad+2hfw+2haw (9)
式中，haw为待成形蜗杆齿顶高。
本发明的有益效果为：
本发明使用径向锻造方法获得基本的蜗杆螺纹齿形，成形效率高，节能节材；滚轧用来修正径向锻造过程因为径向锻造模具内螺纹参数与成品蜗杆的螺纹参数的区别，以及温成形加工精度这两方面因素导致的齿形偏差，保证加工精度；强化蜗杆齿形，提高蜗杆零件性能。
本发明全过程为等材加工，相比于传统切削加工工艺，具有材料利用率高，加工周期短，成本低，保留了完整的金属纤维，且表面得到了强化，提高了零件性能。使用温锻和冷轧相复合的工艺，兼顾了温成形时成形力小与冷成形精度高的优点。
附图说明
图1是本发明实施例中成品蜗杆示意图。
图2是本发明实施例中径向锻造过程成形原理图。
图3是本发明实施例中蜗杆成形前工件坯料示意图。
图4是本发明实施例中径向锻造模具组示意图。
图5是本发明实施例中单个径向锻造模具示意图。
图6是本发明实施例中滚轧过程成形原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做详细描述。
本实施例所成形的大齿高蜗杆才材料为45钢，头数n＝3，分度圆直径dw＝48mm，齿顶高haw＝4mm，齿根高hfw＝4.8mm，轴向模数mx＝4，蜗杆螺纹段轴向长度Lw＝72mm，如图1所示。
一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法，包括以下步骤：
步骤1，参照图2、图3、图4、图5，装夹工件2，工件2一端由机械手3夹紧；加工前的工件2形貌如图3所示；
步骤2，工件2向工作状态的电磁感应加热线圈送进，使工件2待成形螺纹的位置即成形区域位于电磁感应加热线圈的工作区域进行加热；
步骤3，成形区域达到约900℃后，工件2退出电磁感应加热线圈的工作区域，并向径向锻造模具1方向送进，使径向锻造模具1螺纹段与工件2成形区域轴向对齐，如图2所示；
步骤4，径向锻造模具1首次成形螺纹，具体为：
4.1、径向锻造模具1进行打击锻造，径向锻造量为Δ，Δ由径向锻造总量Δh1和总锻造道次m确定：
Δ＝Δh1/m (1)
径向锻造总量Δh1取Δh1max≤Δh1＜Δh，Δh为总成形量，
Figure BDA0002492674950000071
Δh由蜗杆成品齿底圆直径dfw与加工前工件成形区域的直径db确定：
Figure BDA0002492674950000072
加工前工件成形区域的直径db由目标蜗杆的尺寸参数根据体积不变原理得到；
根据待成形蜗杆螺纹段的尺寸参数，由体积不变原理，取坯料直径db＝47.98mm；由公式(2)得，总成形深度Δh＝4.78mm，取Δh1＝3.8mm，总锻造道次m＝19，则Δ＝0.2mm；
4.2、径向锻造模具1提起；
步骤5，工件2绕轴旋转；
若所呈现蜗杆的头数为n，径向锻造时工件2旋转角度应同时满足公式(3)，公式(4)：
Figure BDA0002492674950000081
Figure BDA0002492674950000082
式中k1，k2为任意正整数；径向锻造模具1个数NF取2～8个，且需要满足：
NF≠k3n (5)
式中，k3为任意正整数；n＝3，由公式(5)，取径向锻造模具1的个数NF＝4；结合公式(3)，(4)，取θ＝120°；
步骤6，径向锻造模具1进行打击锻造，径向锻造量为Δ；
步骤7，径向锻造模具1提起；
步骤8，重复步骤5至步骤7，重复17次；
步骤9，重复步骤5；
步骤10，径向锻造模具1进行打击锻造，径向锻造量为0；
步骤11，径向锻造模具1提起；
步骤12，重复步骤9至步骤11若干次，以改善成形表面质量；
步骤13，工件2由机械手3夹持轴向退出，卸料；
步骤14，工件2空冷至室温；
步骤15，参照图6，将工件2送进滚轧设备的成形工位，调整滚轧模具4与工件2的相对位置与相位，使滚轧模具4与工件2啮合；所述滚轧模具4数目NR＝2，滚轧模具4齿形轮廓与蜗杆目标齿形的共轭齿形相同，旋向相反；
步骤16，滚轧模具4以相同的速度沿工件2的径向向内进给，并同时以相同的速度同向旋转，工件2在滚轧模具4的带动下旋转并产生塑性变形；滚轧模具4旋转为正、反交替旋转，在每个单向旋转行程内工件2旋转超过一周；
步骤17，当滚轧模具4径向进给量达到滚轧成形量Δh2时，滚轧模具4在保持往复旋转的情况下停止径向进给，继续旋转，此阶段为滚轧成形螺纹的精整阶段，精整时间内工件2旋转角度不少于180°；
滚轧成形量Δh2满足：
Δh2＝Δh-Δh1 (6)
由公式(6)，Δh2＝0.98mm；
步骤18，滚轧模具4停止转动，取下工件2，加工完成。
参照图4和图5，所述的径向锻造模具1由4个外形相同的分模组成，各个分模的内表面为螺纹的1/4圆弧面，4个分模内表面螺纹能够拼合完整的螺纹形状；为了避免成形初期工件材料发生折叠，径向锻造模具1齿形的周向两侧设有倒角，倒角半径r＝1mm；同时，径向锻造模具1内螺纹参数需要根据成品蜗杆有所调整：
径向锻造模具1内螺纹的齿顶圆直径dad满足：
dad＝db-2μΔh1 (7)
式中，μ满足0≤μ≤1，具体取值方法为：根据不同蜗杆的情况，通过有限元仿真或其它方法验证，取在保证径向锻造过程中工件2材料不发生折叠的条件下的最大值，一般取0～0.5之间的数值，本实施例取μ＝0.4；
径向锻造模具1内齿分度圆直径满足：
dd＝dad+2hfw (8)
式中，hfw为待成形蜗杆齿根高；
齿底圆直径满足：
dfd＝dad+2hfw+2haw (9)
式中，haw为待成形蜗杆齿顶高；
由公式(7)得dad＝44.88mm；由公式(8)、公式(9)可得，dd＝54.48mm，dfd＝62.48mm。

Claims (2)

1.一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，装夹工件(2)，工件(2)一端由机械手(3)夹紧；
步骤2，工件(2)向工作状态的电磁感应加热线圈送进，使工件(2)待成形螺纹的位置即成形区域位于电磁感应加热线圈的工作区域进行加热；
步骤3，成形区域达到预设温度T后，工件(2)退出电磁感应加热线圈的工作区域，并向径向锻造模具(1)方向送进，使径向锻造模具(1)螺纹段与工件(2)成形区域轴向对齐；
步骤4，径向锻造模具(1)首次成形螺纹，具体为：
4.1、径向锻造模具(1)进行打击锻造，径向锻造量为Δ，Δ由径向锻造总量Δh1和总锻造道次m确定：
Δ＝Δh1/m (1)
径向锻造总量Δh1取Δh1max≤Δh1＜Δh，Δh为总成形量，
Figure FDA0002866977200000011
Δh由蜗杆成品齿底圆直径dfw与加工前工件成形区域的直径db确定：
Figure FDA0002866977200000012
加工前工件成形区域的直径db由目标蜗杆的尺寸参数根据体积不变原理得到；
4.2、径向锻造模具(1)提起；
步骤5，工件(2)绕轴旋转；
若所呈现蜗杆的头数为n，径向锻造时工件(2)旋转角度应同时满足公式(3)，公式(4)：
Figure FDA0002866977200000021
Figure FDA0002866977200000022
式中k1，k2为任意正整数；径向锻造模具(1)个数NF取2～8个，且需要满足：
NF≠k3n (5)
式中，k3为任意正整数；
步骤6，径向锻造模具(1)进行打击锻造，径向锻造量为Δ；
步骤7，径向锻造模具(1)提起；
步骤8，重复步骤5至步骤7，重复m-2次；
步骤9，重复步骤5；
步骤10，径向锻造模具(1)进行打击锻造，径向锻造量为0；
步骤11，径向锻造模具(1)提起；
步骤12，重复步骤9至步骤11若干次，以改善成形表面质量；
步骤13，工件(2)由机械手(3)夹持轴向退出，卸料；
步骤14，工件(2)空冷至室温；
步骤15，将工件(2)送进滚轧设备的成形工位，调整滚轧模具(4)与工件(2)的相对位置与相位，使滚轧模具(4)与工件(2)啮合；所述滚轧模具(4)数目NR为两个以上，滚轧模具(4)齿形轮廓与蜗杆目标齿形的共轭齿形相同，旋向相反；
步骤16，滚轧模具(4)以相同的速度沿工件(2)的径向向内进给，并同时以相同的速度同向旋转，工件(2)在滚轧模具(4)的带动下旋转并产生塑性变形；所述滚轧模具(4)旋转为正、反交替旋转，在每个单向旋转行程内工件(2)旋转超过一周；
步骤17，当滚轧模具(4)径向进给量达到滚轧成形量Δh2时，滚轧模具(4)在保持往复旋转的情况下停止径向进给，继续旋转，此阶段为滚轧成形螺纹的精整阶段，精整时间内工件旋转角度不少于
Figure FDA0002866977200000031
滚轧成形量Δh2满足：
Δh2＝Δh-Δh1 (6)
步骤18，滚轧模具(4)停止转动，取下工件(2)，加工完成；
所述的径向锻造模具(1)由NF个外形相同的分模组成，各个分模的内表面为螺纹的1/NF圆弧面，NF个分模内表面螺纹能够拼合完整的螺纹形状；径向锻造模具(1)齿形的周向两侧设有倒角，倒角半径r＞Δ；同时，径向锻造模具(1)内螺纹参数需要根据成品蜗杆有所调整：
径向锻造模具(1)内螺纹的齿顶圆直径dad满足：
dad＝db-2μΔh1 (7)
式中，μ满足0≤μ≤1，具体取值方法为：根据不同蜗杆的情况，通过有限元仿真或其它方法验证，取在保证径向锻造过程中工件(2)材料不发生折叠的条件下的最大值，取0～0.5之间的数值；
径向锻造模具(1)内齿分度圆直径满足：
dd＝dad+2hfw (8)
式中，hfw为待成形蜗杆齿根高；
齿底圆直径满足：
dfd＝dad+2hfw+2haw (9)
式中，haw为待成形蜗杆齿顶高。
2.根据权利要求1所述的一种锻轧复合成形大齿高蜗杆的方法，其特征在于：所述的步骤3中预设温度T略高于材料的温成形温度区间上限值，使工件(2)送入径向锻造位置后，成形区域温度落在温成形温度区间内，且径向锻造的终锻温度高于材料温成形温度区间的下限值。
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