CN115319092A - 一种带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，该方法的面齿轮轮盘和轮齿部分实现了分步整体成形，利用成形装置，在高温高压的作用下，粉末轮盘优先成形为饼状，然后通过轮齿成形模(5)在粉末轮盘表面为轮齿成形构造位置，完成定位，然后通过成形装置的输粉设计，使齿轮钢粉末(4)一层一层的在轮盘上原位生长，借助旋转，粉末实现了高速碰撞，借助成型模具，粉末实现了三向压应力，从而完成了具有全致密且组织细小的轮齿在轮盘上原位成形。不仅能够实现带螺旋角的面齿轮构件的一次精密成形，而且能够提高材料利用率，提高成形极限。
Description
技术领域
本发明是一种带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，属于粉末冶金成形技术领域。
背景技术
齿轮组件是航空发动机、直升机以及其它武器装备机械传动系统中的关键构件，广泛应用于传递精确运动和动力的精密零件，要求高精度、高强度、高耐磨性。随着工业的快速发展和国际市场的竞争加剧，对齿轮的产量、质量精度、生产成本以及环境保护等方面提出了更高的要求，使得齿轮加工正朝着高效率、高精度、绿色环保的方向发展。一方面，传统的像插齿、剃齿、滚齿以及磨齿等齿形切削加工方法虽然能够得到表面质量好、尺寸精度高的产品，但其必须在专用的机床上，对每个齿形逐一加工，存在设备通用性较差、材料利用率和生产效率低等问题，此外，由于产品的金属流线被切断，又降低了齿轮的使用寿命。这严重不符合齿轮制造业的发展方向。另一方面，齿轮精密塑性成形技术是在传统的塑性成形技术基础上发展起来的一种近净成形技术。与切削加工工艺相比，该技术具有几个特点：少无切削，材料利用率高，可以节约大概20％-50％，低污染；生产效率高，设备占用少，采用机械手可实现生产过程自动化，极大的提高了生产效率；产品尺寸精度高，纤维组织致密，晶粒细小，显微缺陷少，组织沿齿廓连续均匀分布；产品综合机械性能优异，具有良好的弯曲强度、接触疲劳强度和耐冲击性，提高齿轮使用寿命。这些优点表明齿轮精密塑性成形技术非常符合代的发展要求，是提高产品性能与质量，提升行业竞争力关键技术与重要途径。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，其目的是针对带带螺旋角的面齿轮能够能够实现一次精密成形，以大大提高材料利用率和成形极限。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法中，使用的模具包括旋转台3、轮齿成形模5、轮圆成形模6、定位柱7、输粉管8、堵头9、加压器10和筒形的成形腔体11，其中旋转台3安装在成形腔体11的底部，旋转台3的上方填充齿轮钢粉末4，在齿轮钢粉末4的上方安装环状的轮圆成形模6，轮齿成形模5沿圆周呈放射状地竖直穿插在轮圆成形模6内并能够相对于轮圆成形模6上、下滑动，其数量与带螺旋角的面齿轮数量、型状相同，轮齿成形模5上加工有竖直贯通的输粉管8，堵头9插装在输粉管8内并能够自由移出，加压器10设置在输粉管8顶端，在环状的轮圆成形模6的中心孔内设置有定位柱7，定位柱7能够相对于轮圆成形模6上、下滑动；
旋转台3、轮圆成形模6与成形腔体11的内径一致，旋转台3、轮圆成形模6、定位柱7与成形腔体11同轴；
采用上述模具成形带螺旋角的面齿轮的方法的步骤如下：
步骤一、粉末准备
按照锻件重量称取相应的齿轮钢粉末4，移出输粉管8内堵头9，将齿轮钢粉末4通过输粉管8注入到成形腔体11内；
步骤二、粉末轮盘的预成形
齿轮钢粉末4注入完成后，启动加压器10和旋转台3，其作用是在齿轮钢粉末4的上面形成压力，铺平、均匀并使其尽量向下移动至成形腔体11下部，其中加压器10向成形腔体11内输入的压力为10～30MPa，旋转台3的转速为10～50rad/s，持续时间1～3min，关闭加压器10和旋转台3，将堵头9插入输粉管8内，使轮齿成形模5、轮圆成形模6、定位柱7和堵头9一起向下移动，此时轮齿成形模5和轮圆成形模6下端面平齐，待压力达到10～50MPa时，停止运动，并向上移动到初始位置，完成粉末轮盘的预压实；
步骤三、粉末轮盘表面的面齿轮成形定位
使轮齿成形模5向下移动，移动距离为面齿轮高度的1/5-1/3，此时轮齿成形模5和轮圆成形模6下端面不平齐，同时将定位柱7下压到最低位置并与旋转台3表面接触，然后使轮齿成形模5、轮圆成形模6和堵头9一起向下移动，待轮齿成形模5和轮圆成形模6压力达到100～500MPa时，保持不动，启动加热系统，对成形腔体11进行加热，待温度达到900～1100℃时，保温1～3h后，使轮齿成形模5、轮圆成形模6、定位柱7保持不动，将堵头9从输粉管8内移出，通过轮齿成形模5在粉末轮盘表面构造面齿轮位置，完成定位；
步骤四、粉末轮盘表面的面齿轮成形
将成形腔体11保温在500～700℃，开始保温，使轮齿成形模5向上移动成形面齿轮的加粉高度的1/10，该加粉高度大于面齿轮的实现尺寸高度，之后，旋转台3带动粉末轮盘、轮齿成形模5、轮圆成形模6一起旋转，同时通过输粉管8输入齿轮钢粉末4，直至齿轮钢粉末4将轮齿成形模5上移产生的空隙填满，然后轮齿成形模5再次向上移动成形面齿轮的加粉高度的1/10，同时通过输粉管8输入齿轮钢粉末4，再次将轮齿成形模5上移产生的空隙填满，重复上述动作10次，使加粉高度达到设计要求，旋转台3停止转动，将堵头9插入输粉管8内，提高加热温度至900～1100℃，轮齿成形模5向下移动，运动速度为0.1mm/s-1mm/s，接触粉末后，待压力达到100～500MPa时，保持不动，保温保压1～2h，之后，轮齿成形模5、轮圆成形模6、定位柱7和堵头9一起向上移动，完成轮盘表面的面齿轮成形；
步骤五、后处理
待冷却至室温后，取出带螺旋角的面齿轮构件，经过吹砂打磨后，获得最终产品。
在实施中，所述轮齿成形模5、轮圆成形模6和定位柱7均由高强钢制备而成。
在实施中，本发明技术方案所针对的带螺旋角的面齿轮的直径为300～800mm，螺旋角为15～30°。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下特点及有益效果：
1、从构件上说，本发明专利所涉及的是带螺旋角的面齿轮，这种齿轮具有直径大300～800mm、轮齿部分带15～30°螺旋角的特点，这些结构特点使用目前单纯的热压烧结或者热等静压无法实现精密成形，从热压烧结的角度说，大尺寸的构件缺少高强度模具及大吨位设备保证，从热等静压的角度说，结构复杂的构件存在粉末装填困难，粉末松装密度低的问题，因而使用传统粉末冶金成形方法，无法保证该构件实现精密成形，再者，使用3D打印，虽然可以实现精密成形，但是对于承载高功率的航空传动系统用大型带螺旋角的面齿轮构件，未经变形的轮齿，无法达到设计要求；
2、从成形装置上说，针对本发明专利所涉及的构件，需要实现三种功能，第一种是实现构件的整体精密成形，齿轮的单边加工余量1mm以内，尺寸精度0.5mm以内，第二种是实现构件致密，即成形过程中，粉末要充分流动，且粉末在流动过程中受到充足的切应力作用，平均应力为负值，第三种是实现构件性能优越，在成形过程中，粉末受到压力和温度的作用，产生一定的流动速度，在流动中，粉末颗粒之间相互碰撞，产生能量，发生再结晶，促使晶粒细化，通过本发明专利种提及的成形装置，可以实现上述三种功能；
3、从原位粉末成形角度来看，通过本发明技术方案，面齿轮轮盘和轮齿部分实现了分步整体成形，利用成形装置，在高温高压的作用下，粉末轮盘优先成形为饼状，然后通过轮齿成形模5在粉末轮盘表面为轮齿成形构造位置，完成定位，然后通过成形装置的输粉设计，使齿轮钢粉末4一层一层的在轮盘上原位生长，借助旋转，粉末实现了高速碰撞，借助成型模具，粉末实现了三向压应力，从而完成了具有全致密且组织细小的轮齿在轮盘上原位成形。
4、本发明技术方案用粉末冶金的方法代替传统的机械加工工艺，实现带螺旋角的面齿轮构件一次精密成形，提高了构件性能及生产效率。
附图说明
图1为带螺旋角的面齿轮构件俯视图
图2为带螺旋角的面齿轮构件成形模具示意图步骤三定位时的状态
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附1所示，本实施例中的带螺旋角的面齿轮的直径为300～800mm，螺旋角为15～30°。
参见附图2所示，采用本发明所述原位粉末冶金成形方法使用的模具包括旋转台3、轮齿成形模5、轮圆成形模6、定位柱7、输粉管8、堵头9、加压器10和筒形的成形腔体11，所述轮齿成形模5、轮圆成形模6和定位柱7均由高强钢制备而成，其中：旋转台3安装在成形腔体11的底部，旋转台3的上方填充齿轮钢粉末4，在齿轮钢粉末4的上方安装环状的轮圆成形模6，轮齿成形模5沿圆周呈放射状地竖直穿插在轮圆成形模6内并能够相对于轮圆成形模6上、下滑动，其数量与带螺旋角的面齿轮数量、型状相同，轮齿成形模5上加工有竖直贯通的输粉管8，堵头9插装在输粉管8内并能够自由移出，加压器10设置在输粉管8顶端，在环状的轮圆成形模6的中心孔内设置有定位柱7，定位柱7能够相对于轮圆成形模6上、下滑动；
旋转台3、轮圆成形模6与成形腔体11的内径一致，旋转台3、轮圆成形模6、定位柱7与成形腔体11同轴；
采用上述模具成形带螺旋角的面齿轮的方法的步骤如下：
步骤一、粉末准备
按照锻件重量称取相应的齿轮钢粉末4，移出输粉管8内堵头9，将齿轮钢粉末4通过输粉管8注入到成形腔体11内；
步骤二、粉末轮盘的预成形
齿轮钢粉末4注入完成后，启动加压器10和旋转台3，使齿轮钢粉末4下移至成形腔体11下部，其中加压器10向成形腔体11内输入的压力为10MPa，旋转台3的转速为10rad/s，持续时间1min，关闭加压器10和旋转台3，将堵头9插入输粉管8内，使轮齿成形模5、轮圆成形模6、定位柱7和堵头9一起向下移动，此时轮齿成形模5和轮圆成形模6下端面平齐，待压力达到10～50MPa时，停止运动，并向上移动到初始位置，完成粉末轮盘的预压实；
步骤三、粉末轮盘表面的面齿轮成形定位
使轮齿成形模5向下移动，移动距离为面齿轮高度的1/5-1/3，此时轮齿成形模5和轮圆成形模6下端面不平齐，同时将定位柱7下压到最低位置并与旋转台3表面接触，然后使轮齿成形模5、轮圆成形模6和堵头9一起向下移动，待轮齿成形模5和轮圆成形模6压力达到100MPa时，保持不动，启动加热系统，对成形腔体11进行加热，待温度达到900℃时，保温1h后，使轮齿成形模5、轮圆成形模6、定位柱7保持不动，将堵头9从输粉管8内移出，通过轮齿成形模5在粉末轮盘表面构造面齿轮位置，完成定位；
步骤四、粉末轮盘表面的面齿轮成形
将成形腔体11保温在500℃，开始保温，使轮齿成形模5向上移动成形面齿轮的加粉高度的1/10，该加粉高度大于面齿轮的实现尺寸高度，之后，旋转台3带动粉末轮盘、轮齿成形模5、轮圆成形模6一起旋转，同时通过输粉管8输入齿轮钢粉末4，直至齿轮钢粉末4将轮齿成形模5上移产生的空隙填满，然后轮齿成形模5再次向上移动成形面齿轮的加粉高度的1/10，同时通过输粉管8输入齿轮钢粉末4，再次将轮齿成形模5上移产生的空隙填满，重复上述动作10次，使加粉高度达到设计要求，旋转台3停止转动，将堵头9插入输粉管8内，提高加热温度至900℃，轮齿成形模5向下移动，运动速度为0.1mm/s-1mm/s，接触粉末后，待压力达到100MPa时，保持不动，保温保压1h，之后，轮齿成形模5、轮圆成形模6、定位柱7和堵头9一起向上移动，完成轮盘表面的面齿轮成形；
步骤五、后处理
待冷却至室温后，取出带螺旋角的面齿轮构件，经过吹砂打磨后，获得最终产品。
Claims (8)
1.一种带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，其特征在于：该成形方法使用的模具包括旋转台(3)、轮齿成形模(5)、轮圆成形模(6)、定位柱(7)、输粉管(8)、堵头(9)、加压器(10)和筒形的成形腔体(11)，其中旋转台(3)安装在成形腔体(11)的底部，旋转台(3)的上方填充齿轮钢粉末(4)，在齿轮钢粉末(4)的上方安装环状的轮圆成形模(6)，轮齿成形模(5)沿圆周呈放射状地竖直穿插在轮圆成形模(6)内并能够相对于轮圆成形模(6)上、下滑动，其数量与带螺旋角的面齿轮数量、型状相同，轮齿成形模(5)上加工有竖直贯通的输粉管(8)，堵头(9)插装在输粉管(8)内并能够自由移出，加压器(10)设置在输粉管(8)顶端，在环状的轮圆成形模(6)的中心孔内设置有定位柱(7)，定位柱(7)能够相对于轮圆成形模(6)上、下滑动；
旋转台(3)、轮圆成形模(6)与成形腔体(11)的内径一致，旋转台(3)、轮圆成形模(6)、定位柱(7)与成形腔体(11)同轴；
采用上述模具成形带螺旋角的面齿轮的方法的步骤如下：
步骤一、粉末准备
按照锻件重量称取相应的齿轮钢粉末(4)，移出输粉管(8)内堵头(9)，将齿轮钢粉末(4)通过输粉管(8)注入到成形腔体(11)内；
步骤二、粉末轮盘的预成形
齿轮钢粉末(4)注入完成后，启动加压器(10)和旋转台(3)，使齿轮钢粉末(4)下移至成形腔体(11)下部，其中加压器(10)向成形腔体(11)内输入的压力为10～30MPa，旋转台(3)的转速为10～50rad/s，持续时间1～3min，关闭加压器(10)和旋转台(3)，将堵头(9)插入输粉管(8)内，使轮齿成形模(5)、轮圆成形模(6)、定位柱(7)和堵头(9)一起向下移动，此时轮齿成形模(5)和轮圆成形模(6)下端面平齐，待压力达到10～50MPa时，停止运动，并向上移动到初始位置，完成粉末轮盘的预压实；
步骤三、粉末轮盘表面的面齿轮成形定位
使轮齿成形模(5)向下移动，移动距离为面齿轮高度的1/5-1/3，此时轮齿成形模(5)和轮圆成形模(6)下端面不平齐，同时将定位柱(7)下压到最低位置并与旋转台(3)表面接触，然后使轮齿成形模(5)、轮圆成形模(6)和堵头(9)一起向下移动，待轮齿成形模(5)和轮圆成形模(6)压力达到100～500MPa时，保持不动，启动加热系统，对成形腔体(11)进行加热，待温度达到900～1100℃时，保温1～3h后，使轮齿成形模(5)、轮圆成形模(6)、定位柱(7)保持不动，将堵头(9)从输粉管(8)内移出，通过轮齿成形模(5)在粉末轮盘表面构造面齿轮位置，完成定位；
步骤四、粉末轮盘表面的面齿轮成形
将成形腔体(11)保温在500～700℃，开始保温，使轮齿成形模(5)向上移动成形面齿轮的加粉高度的1/10，该加粉高度大于面齿轮的实现尺寸高度，之后，旋转台(3)带动粉末轮盘、轮齿成形模(5)、轮圆成形模(6)一起旋转，同时通过输粉管(8)输入齿轮钢粉末(4)，直至齿轮钢粉末(4)将轮齿成形模(5)上移产生的空隙填满，然后轮齿成形模(5)再次向上移动成形面齿轮的加粉高度的1/10，同时通过输粉管(8)输入齿轮钢粉末(4)，再次将轮齿成形模(5)上移产生的空隙填满，重复上述动作10次，使加粉高度达到设计要求，旋转台(3)停止转动，将堵头(9)插入输粉管(8)内，提高加热温度至900～1100℃，轮齿成形模(5)向下移动，运动速度为0.1mm/s-1mm/s，接触粉末后，待压力达到100～500MPa时，保持不动，保温保压1～2h，之后，轮齿成形模(5)、轮圆成形模(6)、定位柱(7)和堵头(9)一起向上移动，完成轮盘表面的面齿轮成形；
步骤五、后处理
待冷却至室温后，取出带螺旋角的面齿轮构件，经过吹砂打磨后，获得最终产品。
2.根据权利要求1所述的带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，其特征在于：所述轮齿成形模(5)、轮圆成形模(6)和定位柱(7)均由高强钢制备而成。
3.根据权利要求1所述的带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，其特征在于：所述带螺旋角的面齿轮的直径为300～800mm，螺旋角为15～30°。
4.根据权利要求1所述的带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，其特征在于：步骤二中，加压器(10)向成形腔体(11)内输入的压力为10MPa，旋转台(3)的转速为10rad/s，持续时间1min。
5.根据权利要求1所述的带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，其特征在于：步骤三中，轮齿成形模(5)、轮圆成形模(6)和堵头(9)一起向下移动后，轮齿成形模(5)和轮圆成形模(6)达到的压力为100MPa时，保持不动，启动加热系统，对成形腔体(11)进行加热，待温度达到900℃时，保温1h。
6.根据权利要求1所述的带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，其特征在于：步骤四中，成形腔体(11)在填充齿轮钢粉末(4)时的保温温度为500℃。
7.根据权利要求1所述的带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，其特征在于：步骤四中，完成齿轮钢粉末(4)填充后，成形粉末轮盘表面的面齿轮时，提高加热温度至900℃。
8.根据权利要求1所述的带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法，其特征在于：步骤四中，完成齿轮钢粉末(4)填充后，成形粉末轮盘表面的面齿轮时，轮齿成形模(5)向下移动接触粉末后，待压力达到100MPa时，保持不动，保温保压为1h。
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