CN111842773A - 一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模及其设计方法，解决传统整体凹模和组合凹模成型过程中限制模具发生弹性变形，但实际生产过程中模具弹性变形无法避免，导致模具成型后齿部需要修形的问题。本发明组合凹模包括模芯和一层应力圈；模芯的内壁上设有渐开线齿形，模芯的外周面沿轴向设置为依次连接的第一锥形面、第二柱形面、第三锥形面和第四柱形面；应力圈套装在模芯的外侧，腔体内表面沿轴向设置为依次连接的第五柱形面、第六锥形面和第七柱形面；第二柱形面和第五柱形面、第四柱形面和第七柱形面为过盈配合，且应力圈的外径为模芯内径的2～2.5倍，模芯外径为模芯内径的1.3～1.5倍。

Description

一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模及其设计方法

技术领域

本发明属于汽车变速器齿轮成型领域，具体涉及一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模及其设计方法。

背景技术

变速器齿轮是汽车变速器中较为重要的部件，该齿轮类零件采用冷、温、热精密锻造方式成型时，核心技术是精密成型工艺模具的设计。如图1至图3所示，传统方法中采用的模具有整体凹模和组合凹模两种，但是，该类模具存在以下问题：

1)齿轮精锻件的精度取决于模具的弹性膨胀量和锻件本身的弹性恢复，尤其是模具的弹性膨胀量影响较大。为了减少模具弹性变形对锻件精度的影响，传统整体凹模和组合凹模在设计理念上限制成型过程中模具发生的弹性变形，但实际成型过程中由于受力大，模具弹性变形无法避免；

2)基于以上设计理念，整体凹模外径D、组合凹模最外侧应力圈直径D与模芯内孔直径d比值达到4～6倍，此种尺寸设置使得模块较为笨重，不仅浪费材料，而且现场操作极不方便，拆装劳动强度较大；此外，对于传统整体凹模结构，即便D＝(4～6)d，开裂风险仍然较大；

3)为了更好的限制模具变形，组合凹模常设计为多层应力圈结构，此种设置使得加工及压装要求都极高；

4)为了弥补模具弹性变形与锻件最终要求之间的差异，传统组合凹模是将应力圈和模芯压装在一起后，再对齿部进行精密加工，模芯齿部是根据模具弹性变形量及锻件弹性恢复量修形过的，不是标准渐开线，修型后，齿部设计、现场测量难度大，另外由于模具的弹性变形量与温度密切相关，因此冷、温、热等不同精密成型方式的齿部修形方法不同，使得修形过程相对较为复杂；

5)传统组合凹模过盈部位一般设计为上小下大的斜面配合，斜度β为0.5°～3°，需要研磨配合，否则不易保证精度；若斜度设计不当，压装完成后模芯会从大端自动冒出；若斜度太小，还会出现使用过程中模芯自小端脱出的情况，因此存在一定的安全隐患。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模及其设计方法。

为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：

一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模，包括模芯和一层应力圈；所述模芯为套筒结构，其内壁上设有渐开线齿形，所述模芯的外周面沿轴向设置为依次连接的第一锥形面、第二柱形面、第三锥形面和第四柱形面，所述第一锥形面的大端与第二柱形面连接，所述第三锥形面的小端与第二柱形面连接，大端与第四柱形面连接；所述应力圈为套筒结构，其套装在模芯的外侧；所述应力圈的腔体内表面沿轴向设置为依次连接的第五柱形面、第六锥形面和第七柱形面，所述第六锥形面的小端与第五柱形面连接，大端与第七柱形面连接；所述第二柱形面和第五柱形面、第四柱形面和第七柱形面为过盈配合，且应力圈的外径为模芯内径的2～2.5倍，模芯外径为模芯内径的1.3～1.5倍。

进一步地，所述应力圈与模芯的过盈量为模芯外径的0.3％～0.4％。

本发明提供一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、将模芯外径设计为模芯内径的1.3～1.5倍，应力圈外径设计为模芯内径的2～2.5倍；

步骤二、将应力圈与模芯的过盈量设计为模芯外径的0.3％～0.4％；

步骤三、基于步骤一和步骤二的设计后的组合凹模，根据胡克定律计算该组合凹模的变形量，根据该变形量，将压装后组合凹模的理论跨棒距设计为具有变形量的跨棒距，根据变形后的跨棒距反算弧齿厚。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下技术效果：

1.本发明用于变速器齿轮精密成型的组合凹模利用模具的弹性变形，将模芯齿形设计为具有变形量的渐开线齿形，并在压装前加工到位，压装后直接使用，该种方式使得冷、温、热等不同精密成型方式的齿形均为渐开线齿形。同时，由于本发明模芯和应力圈分别加工，过盈压装后成为组合凹模，具有变形量的渐开线齿形无需再进行加工和修形，便于模具整体的设计、加工及测量。

2.本发明提供一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模，利用模具的弹性变形机理，应力圈外径D仅为模芯内径d的2～2.5倍，材料消耗仅为传统方法的1/4，此种设置可大幅减小模块尺寸和重量，降低拆装劳动强度。

3.本发明组合凹模设计为单层应力圈结构，组合凹模在过盈压装后变形，在精密成型受力过程中恢复至初始设计，循环反复，模具加工及压装难度降低。

4.本发明用于变速器齿轮精密成型的组合凹模将过盈配合面处设计为直段配合，口部设计一小段斜度，底部设计一小段直径稍大直段导引，此种方式便于加工和压装，降低了过盈配合面的加工难度，避免过盈压装时模具冒出，进而避免出现模芯冒出的危险状况。

附图说明

图1为现有整体凹模的结构示意图；

图2为现有组合凹模的结构示意图；

图3为现有组合凹模的斜面过盈配合示意图；

图4为本发明用于变速器齿轮的组合凹模的结构示意图；

图5为本发明用于变速器齿轮的组合凹模的局部放大图一；

图6为本发明用于变速器齿轮的组合凹模的局部放大图二；

图7为本发明用于变速器齿轮的组合凹模的局部放大图三。

附图标记：1-模芯，2-应力圈，3-渐开线齿形，11-第一锥形面，12-第二柱形面，13-第三锥形面，14-第四柱形面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

本发明提供一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模及其设计方法，该设计方法利用(而不是限制)模具弹性变形，将模芯齿形设计为具有变形量的渐开线齿形，并在压装前加工到位，压装后直接使用，该种设计方式使得冷、温、热等不同精密成型方式的齿形均为渐开线齿形。同时，该组合凹模设计为单层应力圈结构，应力圈外径D仅为模芯内径d的2～2.5倍，如此可在保证精锻件精度稳定性基础上，大幅减小凹模整体尺寸，模具材料消耗降低3/4，模具拆装劳动强度减小。此外，组合凹模将过盈配合面处设计为直段配合，口部设计一小段斜度、底部设计一小段直径稍大直段导引，此种方式便于加工和压装，降低了过盈配合加工及安装难度，避免过盈压装和使用过程中模具冒出以及整体凹模开裂等安全隐患。

如图4至图7所示，本发明提供的用于变速器齿轮精密成型的组合凹模包括模芯1和一层应力圈2；模芯1为套筒结构，其内壁上设有渐开线齿形3，模芯1的外周面沿轴向设置为依次连接的第一锥形面11、第二柱形面12、第三锥形面13和第四柱形面14，第一锥形面11的大端与第二柱形面12连接，第三锥形面13的小端与第二柱形面12连接，大端与第四柱形面14连接；应力圈2为套筒结构，其套装在模芯1的外侧；应力圈2的腔体内表面沿轴向设置为依次连接的第五柱形面、第六锥形面和第七柱形面，第六锥形面的小端与第五柱形面连接，大端与第七柱形面连接；第二柱形面12和第五柱形面、第四柱形面14和第七柱形面为过盈配合，且应力圈2的外径为模芯1内径的2～2.5倍，模芯1外径为模芯1内径的1.3～1.5倍，应力圈与模芯的过盈量为模芯外径的0.3％～0.4％。

本发明用于变速器齿轮精密成型的组合凹模的设计原理如下：

现有传统整体凹模和组合凹模是要限制成型过程中模具发生的弹性变形，但实际成型过程中由于受力大，模具弹性变形无法避免。本发明则是利用模具材料的弹性变形机理，在使用常规精锻模具材料及模具硬度(强度)基础上，通过选择合适的模具内外径尺寸及模具过盈量，找到冷、温、热等不同的精密成型温度下模具弹性变形与模具温度、坯料温度、设备打击力等因素之间的平衡关系，将凹模设计为过盈组合凹模结构，组合凹模在过盈压装后变形，在精密成型受力过程中恢复至初始设计，循环反复。

齿轮精锻件的精度取决于模具的弹性膨胀量和锻件本身的弹性恢复，尤其是模具的弹性膨胀量影响重大。通过分析内压或外压作用下弹性变形时模具受力状态可知，模具上各点的变形是相对于圆心扩张或缩小，即任意一点的变形只有径向位移。鉴于此，可以在保证模具的弹性变形极限条件下，通过实现反方向“平移”模具渐开线齿形达到预期的效果。即将模芯1齿形设计为具有变形量的渐开线，被外层应力圈2过盈压装后模芯1收缩，但在精密成型时模芯1受力恢复至初始(即压装前)尺寸。这个过程中还有一项重要的影响因素就是模芯1和外层应力圈2的过盈量，过盈量太大，受力时模芯1很难恢复至初始尺寸，过盈量太小，受力时模芯1膨胀或缩小太多超过初始尺寸。另外，为了保持模芯1和外层应力圈2的“弹性”状态，外层应力圈2必然不能尺寸太大，即不能像传统的组合凹模那样取4～6倍模芯1内径。根据实际生产验证，模芯1与外层应力圈2的过盈量为模芯内径的0.3％～0.4％，模芯1外径取模芯1内径的1.3～1.5倍，外层应力圈2外径为模芯1内径的2～2.5倍为宜。

同样的，精锻件在精锻完成塑性变形后的弹性恢复过程中，精锻件上各点的变形也是相对于圆心扩张或缩小，即任意一点的变形只有径向位移。那么精锻件的弹性恢复也可以通过反方向“平移”渐开线齿形3达到预期效果。

以上分析是在室温状态下，即冷精锻的组合凹模设计方法，而在温精锻和热精锻时，则需要引入温度的影响，因为一般认为模具的弹性变形只与其化学成分和温度有关，在选材及硬度(强度)相同/相近的情况下，温度的影响极为关键。而温度又有模具温度和坯料/锻件温度两项，其中模具温度在开始精锻之前需要预热至200℃～300℃，在精锻过程中还会有坯料/锻件的温度传递，以及润滑剂的润滑冷却，处在一个复杂变化的过程中。同时，温精锻和热精锻坯料/锻件温度一般在850℃～1230℃，若按钢材热膨胀系数1.2×10⁵mm/mm.℃计算，热胀量极大。因此在温精锻和热精锻时，模芯1齿部齿形的设计是用考虑了热胀量的跨棒距反算出弧齿厚，齿部仍然设计为渐开线。另外，模芯1在受热及外层应力圈2的双重作用下实际的收缩量会较冷态稍大，可适当调整齿厚即可。

最后，在精密成型时，会选择不同类型不同吨位的锻造设备，机械压力机、螺旋压力机、液压机、精压机等，公称压力100t～6300t不等，在成型过程中其对模具的影响也是不同的，但是还是前述的模芯1及外层应力圈2设计方法，这方面需要根据现场实际调整一两次。

基于上述原理，本发明提供一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、将模芯外径设计为模芯内径的1.3～1.5倍，应力圈外径设计为模芯内径的2～2.5倍；

步骤二、将应力圈与模芯的过盈量设计为模芯外径的0.3％～0.4％；

步骤三、基于步骤一和步骤二的设计后的组合凹模，根据胡克定律计算该组合凹模的变形量，根据该变形量，将压装后组合凹模的理论跨棒距设计为具有变形量的跨棒距，根据变形后的跨棒距反算弧齿厚。

本发明用于变速器齿轮精密成型的组合凹模与传统凹模相比，具有以下特点：

本发明组合凹模利用模具的弹性变形机理，组合凹模应力圈2直径D为成型零件最大直径d的2～2.5倍(即组合凹模应力圈2外径D仅为模芯1内径d的2～2.5倍)，材料消耗仅为传统方法的1/4，此种设置可大幅减小模块尺寸和重量，降低拆装劳动强度。

为了更好的限制模具变形，现有组合凹模常设计为多层应力圈结构，该种设置使得加工以及压装要求都极高。本发明组合凹模利用模具的弹性变形，设计为单层应力圈结构即可，组合凹模在过盈压装后变形、在精密成型受力过程中恢复至初始设计，循环反复，模具加工及压装难度降低。

传统组合凹模是将应力圈和模芯压装在一起后再对齿部进行精密加工，由于实际成型中即便多层应力圈限制，模具的微小弹性变形仍无法避免，因此模芯齿部实际上不是标准的渐开线，需要修形，且冷、温、热等不同精密成型方式的齿部修形方法不同。本发明将模芯齿形设计为具有变形量的渐开线齿形3，该渐开线齿形3在模具成型时可变形为初始渐开线齿形，由于本发明模芯和应力圈分别加工，过盈压装成为组合凹模使用时，无需再对齿形进行加工，便于模具整体的设计、加工及测量。

传统组合凹模过盈部位一般设计为上小下大的斜面配合，若斜度设计不当，压装完成后模芯会从大端自动冒出，若斜度太小，还会出现使用过程中模芯1自小端脱出的情况，因此存在一定的安全隐患。本发明将过盈配合面处设计为直段配合，口部设计一小段斜度、底部设计一小段直径稍大直段导引，便于加工和压装，降低了过盈配合面的加工难度，避免过盈压装时模具冒出，进而避免出现模芯1冒出的危险状况。

传统整体凹模结构，即便D＝(4～6)d，开裂风险仍然较大，本发明的模具设计方法避免了整体式凹模，在模具材料弹性变形允许范围内，设计为过盈式的组合凹模结构，减小外侧应力圈2尺寸，设计合理的过盈量，保证外侧应力圈2和内侧模芯1均不会发生开裂。

传统组合凹模模块较为笨重，拆装劳动强度大。本发明组合凹模D＝(2～2.5)d，模块重量降低3/4，可大幅减小模块尺寸和重量，降低拆装劳动强。同时，本发明组合凹模内侧的模芯1为易损件，外侧的应力圈2为可重复多次使用。

Claims (3)

1.一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模，其特征在于：包括模芯(1)和一层应力圈(2)；

所述模芯(1)为套筒结构，其内壁上设有渐开线齿形(3)，所述模芯(1)的外周面沿轴向设置为依次连接的第一锥形面(11)、第二柱形面(12)、第三锥形面(13)和第四柱形面(14)，所述第一锥形面(11)的大端与第二柱形面(12)连接，所述第三锥形面(13)的小端与第二柱形面(12)连接，大端与第四柱形面(14)连接；

所述应力圈(2)为套筒结构，其套装在模芯(1)的外侧；

所述应力圈(2)的腔体内表面沿轴向设置为依次连接的第五柱形面、第六锥形面和第七柱形面，所述第六锥形面的小端与第五柱形面连接，大端与第七柱形面连接；

所述第二柱形面(12)和第五柱形面、第四柱形面(14)和第七柱形面为过盈配合，且应力圈(2)的外径为模芯(1)内径的2～2.5倍，模芯(1)外径为模芯(1)内径的1.3～1.5倍。

2.根据权利要求1所述用于变速器齿轮精密成型的组合凹模，其特征在于：所述应力圈(2)与模芯(1)的过盈量为模芯(1)外径的0.3％～0.4％。

3.一种用于变速器齿轮精密成型的组合凹模的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将模芯外径设计为模芯内径的1.3～1.5倍，应力圈外径设计为模芯内径的2～2.5倍；

步骤二、将应力圈与模芯的过盈量设计为模芯外径的0.3％～0.4％；

步骤三、基于步骤一和步骤二的设计后的组合凹模，根据胡克定律计算该组合凹模的变形量，根据该变形量，将压装后组合凹模的理论跨棒距设计为具有变形量的跨棒距，根据变形后的跨棒距反算弧齿厚。

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