CN115591966A - 大模数直齿轮冷挤压工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大模数直齿轮冷挤压工艺，包括预成形：沿径向对齿轮坯圆周面进行挤压，在齿轮坯的圆周面上形成多个轴向延伸的预成形槽，预成形槽的数量与齿数相同，且预成形槽的槽口宽度从中间到两端逐渐增加，预成形槽的深度与齿槽的深度一致；精整：将预成形后的齿轮坯放入模具，对模具施加向下的压力，模具的多个成形齿从齿轮坯的一端进入预成形槽，并沿着预成形槽向下移动，将齿槽和轮齿挤压成形。本发明减小了精整时的变形量，降低了精整时的挤压阻力，成形难度降低，实现在更小的压力下完成冷挤压，减小了模具受到的压力，模具的损坏风险降低，且防止模具在挤压过程中温度增加过快而硬度降低，从而可提高模具的使用寿命。

Description

大模数直齿轮冷挤压工艺

技术领域

本发明属于齿轮加工技术领域，尤其是一种大模数直齿轮冷挤压工艺。

背景技术

冷挤压是齿轮的常用加工方式，具有效率高、成本低、齿面致密性较好等优点，但一般只能用于尺寸和模数较小的齿轮加工。对于模数大于或等于4的较大模数的齿轮，由于其齿形的尺寸相对较大，冷挤压时相对变形量大，导致成形阻力大，模压是必须对模具施加较大的压力，模具难以长时间使用，且挤压过程中模具升温块，升温后硬度降低，易变形，导致模具的使用寿命低，同时成形质量较差。因此，大模数直齿轮通常采用滚齿加工，加工周期长，材料损耗大，刀具成本、工装成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大模数直齿轮冷挤压工艺，降低模具成本，保证成形质量。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：大模数直齿轮冷挤压工艺，包括

预成形：沿径向对齿轮坯圆周面进行挤压，在齿轮坯的圆周面上形成多个轴向延伸的预成形槽，预成形槽围绕齿轮坯的中心均匀分布，预成形槽的数量与齿数相同，且预成形槽的槽口宽度从中间到两端逐渐增加，预成形槽的深度与齿槽的深度一致；

精整：将预成形后的齿轮坯放入模具，对模具施加向下的压力，模具的多个成形齿从齿轮坯的一端进入预成形槽，并沿着预成形槽向下移动，将齿槽和轮齿挤压成形。

进一步地，在精整的过程中，利用冷却液对成形齿进行降温。

进一步地，预成形中，采用的挤压设备包括水平的工作台，工作台上设置有定位轴以及压力设备，定位轴竖直设置且连接有伺服电机，且定位轴外部固定设置有支撑盘，支撑盘的上表面设置有定位槽，支撑盘的上方设置有与支撑盘可拆卸连接的压板；支撑盘的外侧壁设置多个延伸至定位槽的导向槽，导向槽的侧壁为斜面；压力设备上设置有预成形块，预成形块的侧壁设置有竖直的成形部，成形部的断面呈梯形或V形，成形部的宽度从中间到两端逐渐增加；

预成形时，将齿轮坯套在定位轴上并向下滑动至定位槽中，将压板安装在支撑盘上，利用压板压紧齿轮坯；再通过压力设备推动预成形块朝着齿轮坯的方向移动，使成形部穿过导向槽并对齿轮坯进行挤压，预成形槽成形；完成一次挤压后，伺服电机带动定位轴转动一定的角度，再次通过压力设备推动预成形块朝着齿轮坯的方向移动，将下一个预成形槽挤压成形；重复上述操作，直到所有的预成形槽成形。

进一步地，压力设备包括液压缸，预成形块固定安装于液压缸的活塞杆，工作台的上方设置有水平的导向杆，导向杆贯穿预成形块并与预成形块滑动配合。

进一步地，模具包括上模和下模，下模包括下模座、下模套和下模芯，下模芯内设置有型腔，成形齿设置于型腔的侧壁，下模芯设置于下模座上，下模套套接于下模芯外壁；上模包括上模芯、上模芯套、上模套、上垫板和上模压圈，上模芯套套接在上模芯的外壁，上模芯的下端伸入型腔，上模芯套设置在上模套内部，上垫板设置在上模芯和上模芯套的上表面，上模压圈套接在上模套的外壁；

精整时，将齿轮坯放在型腔上端口，每个预成形槽对准一成形齿，挤压机推动上模向下移动，下模芯伸入齿轮坯的内孔，上模芯套的下端接触齿轮坯的上端面并推动齿轮坯向下移动，成形齿沿着预成形槽运动，将齿槽和轮齿成形。

进一步地，型腔的上部为导向腔，导向腔的内径从上至下逐渐减小，导向腔的侧壁设置有多个导向齿，每个导向齿与一成形齿一体成型。

进一步地，导向齿的宽度从上至下逐渐增加。

进一步地，上模芯套的外壁设置有环形槽，环形槽的槽底设置有多个均匀分布的布水孔，环形槽连接有给水管；

精整时，通过给水管向环形槽通水，水通过布水孔后流动至上模芯套的外壁，然后向下流动至成形齿，对成形齿进行冷却；

精整完成后，挤压机带动上模向上移动，上模芯套脱离齿轮，继续通过给水管向环形槽通水，水流动至齿轮表面，对齿轮进行冷却，以便于脱模。

进一步地，压力设备为多个，围绕定位轴均匀设置。

本发明的有益效果是：本发明先进行预成形，在齿轮坯的圆周面上形成预成形槽，具有以下优点：

1、减小了精整时的变形量，降低了精整时的挤压阻力，成形难度降低，从而可以实现在更小的压力下完成冷挤压，减小了模具受到的压力，模具的损坏风险降低，且防止模具在挤压过程中温度增加过快而硬度降低，从而可提高模具的使用寿命。

2、采用径向挤压的方式成形预成形槽，将齿轮坯表面的材料切断，精整时，材料的流动方向主要为从预成形槽侧壁向两侧流动，流动阻力小，进一步降低成形难度，保证成形精度，同时，模具受到的压力更小，可反复使用。

3、在冷挤压过程中，产生的热量不断聚集导致模具的温度不断升高，热量的产生量与材料的变形量相关，材料变形量越大，热量越大。本发明将预成形槽的槽口宽度从中间到两端逐渐增加，精整刚开始时，预成形槽可以起到导向的作用，降低初始挤压时的阻力；在挤压的前半程，产生的热量导致成形齿温度不断升高；在挤压的后半程，材料变形量不断减小，成形阻力就会逐渐减小，成形齿受到的负荷逐渐减小，从而避免成形齿温度不断升高的同时又始终承受较大的负荷，可有效提高成形齿的使用寿命。

附图说明

图1是本发明齿轮坯的示意图；

图2是预成形槽的主视示意图；

图3是预成形后的齿轮坯的俯视示意图；

图4是预成形采用的挤压设备俯视示意图；

图5是图4中A-A的剖视示意图；

图6是精整时的模具示意图；

图7是传统冷挤压时材料流动示意图；

图8是本发明材料流动示意图；

图9是支撑盘的俯视示意图；

附图标记：1—预成形槽；2—成形齿；10—工作台；11—定位轴；12—伺服电机；13—压力设备；14—预成形块；15—成形部；16—支撑盘；17—定位槽；18—压板；19—导向槽；110—导向杆；21—下模座；22—下模套；23—下模芯；24—型腔；25—上模芯；26—上模套；27—上垫板；28—上模压圈；29—上模芯套；210—导向腔；211—导向齿；212—环形槽；213—给水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的大模数直齿轮冷挤压工艺，包括

预成形：沿径向对齿轮坯圆周面进行挤压，在齿轮坯的圆周面上形成多个轴向延伸的预成形槽1，预成形槽1围绕齿轮坯的中心均匀分布，预成形槽1的数量与齿数相同，且预成形槽1的槽口宽度从中间到两端逐渐增加，预成形槽1的深度与齿槽的深度一致；

精整：将预成形后的齿轮坯放入模具，对模具施加向下的压力，模具的多个成形齿2从齿轮坯的一端进入预成形槽1，并沿着预成形槽1向下移动，将齿槽和轮齿挤压成形。

齿轮坯如图1所示，其加工过程为：棒料下料-加热并镦粗-机加工外圆-冲孔-等温正火-抛丸。

成形齿2的形状和尺寸与齿轮的齿槽形状和尺寸一致，相邻两成形齿2之间具有精成形槽，精成形槽的形状和尺寸与齿轮的的轮齿形状和尺寸一致。

当齿轮的模数大于或等于4时，齿槽和轮齿的尺寸相对较大，冷挤压成形难度比较大，因此，本发明先进行预成形，得到预成形槽1，如图2和图3所示。预成形槽1的数量与齿轮的齿槽数量一致，且预成形槽1均匀分布，后续对预成形槽1进行精整，即在预成形槽1的基础上得到齿槽。

在成形预成形槽1时，齿轮坯完成了部分变形，精整时只需要完成剩余的变形即可，因此，精整冷挤压时的变形量更小，可以降低精整时的挤压阻力，成形难度降低，成形精度得到提高。同时可以实现在更小的压力下完成冷挤压，减小了模具受到的压力，模具的损坏风险降低，且挤压阻力减小后产生的热量更少，防止模具在挤压过程中温度增加过快而硬度降低，从而可提高模具的使用寿命。

传统冷挤压工艺成形齿槽和轮齿时，材料的流动如图7所示，假设成形齿2从上至下进行挤压，成形齿2下方的材料先向下流动，然后向两侧流动，流动路径为弧形，材料流动路径长，阻力大，且容易产生残余应力，影响轮齿的强度，还容易在下端产生连皮。因此，本发明采用径向挤压的方式得到预成形槽1，在挤压的过程中，材料是向预成形槽1的两侧流动，同时挤压时，将齿轮坯圆周面上的材料沿轴向切断，材料的流动如图8所示，向两侧流动，流动路径更短，阻力更小，且残余应力很小，可以保证轮齿的强度。在精整时，材料的主要流动方向也是向两侧流动，阻力小，残余应力小，挤压后不会产生连皮。

在冷挤压过程中，产生的热量不断聚集导致模具的温度不断升高，热量的产生量与材料的变形量相关，材料变形量越大，热量越大。如果预成形槽1采用规则的V形槽或者梯形槽，那么成形齿2在挤压的过程中受到的阻力是恒定的，随着成形齿2温度的升高，成形齿2的硬度逐渐减小，成形难度也会逐渐增加，成形的精度可能逐渐降低。因此，本发明的预成形槽1的槽口宽度从中间到两端逐渐增加，精整刚开始时，预成形槽1可以起到导向的作用，降低初始挤压时的阻力；在挤压的前半程，产生的热量导致成形齿2温度不断升高；在挤压的后半程，材料变形量不断减小，成形阻力就会逐渐减小，成形齿2受到的负荷逐渐减小，从而避免成形齿2温度不断升高的同时又始终承受较大的负荷，即使成形齿2的硬度有所降低，也可以保证成形精度，同时可有效提高成形齿2的使用寿命。

预成形槽1的具体尺寸根据总的变形量确定，合理地分配预成形和精整的变形比例，避免预成形难度过大，同时又避免精整的成形难度过大。

在精整的过程中，利用冷却液对成形齿2进行降温，可以减缓成形齿2的升温速率。

预成形中，采用的挤压设备如图4和图5所示，包括水平的工作台10，工作台10由一组支撑腿进行支撑，使工作台10处于合适的高度。工作台10上设置有定位轴11以及压力设备13，定位轴11竖直设置且连接有伺服电机12，工作台10的直径与齿轮坯的内孔直径适配，齿轮坯套在定位轴11上后，配合间隙较小。定位轴11可通过轴承安装于工作台10，以便于在伺服电机12的带动下转动。

定位轴11外部固定设置有支撑盘16，如图9所示，支撑盘16的上表面设置有定位槽17，定位槽17的内径略大于齿轮坯的外径，确保齿轮坯的能够放入定位槽17，且定位槽17内壁与齿轮坯外壁之间具有合适的间距。支撑盘16的上方设置有与支撑盘16可拆卸连接的压板18，压板18可通过螺钉与支撑盘16的上表面相连，压板18用于压紧齿轮坯，确保齿轮坯的稳固。

支撑盘16的外侧壁设置多个延伸至定位槽17的导向槽19，导向槽19的侧壁为斜面；压力设备13上设置有预成形块14，预成形块14的侧壁设置有竖直的成形部15，成形部15的断面呈梯形或V形，成形部15的宽度从中间到两端逐渐增加，以成形断面呈V形或者梯形的预成形槽1。成形部15的尺寸根据所设计的预成形槽1的尺寸确定。导向槽19用于供成形部15伸入定位槽17并对齿轮坯进行挤压。导向槽19的侧壁可以与成形部15的侧壁相贴合，在挤压的过程中，当成形部15对齿轮坯的挤压深度达到要求时，成形部15的侧壁与导向槽19的侧壁贴合，导向槽19的侧壁阻挡成形部15，避免成形部15继续挤压，从而保证每次挤压得到的预成形槽1的深度一致，且均为设计值。

预成形时，将齿轮坯套在定位轴11上并向下滑动至定位槽17中，齿轮坯由支撑盘16进行支撑，将压板18安装在支撑盘16上，利用压板18压紧齿轮坯，防止齿轮坯上下跳动和转动。再通过压力设备13推动预成形块14朝着齿轮坯的方向移动，使成形部15穿过导向槽19并对齿轮坯进行挤压，预成形槽1成形；完成一次挤压后，伺服电机12带动定位轴11转动一定的角度，再次通过压力设备13推动预成形块14朝着齿轮坯的方向移动，将下一个预成形槽1挤压成形；重复上述操作，直到所有的预成形槽1成形。

压力设备13包括液压缸，液压缸的长度方向为定位轴11的径向，预成形块14固定安装于液压缸的活塞杆，工作台10的上方设置有水平的导向杆110，导向杆110贯穿预成形块14并与预成形块14滑动配合。导向杆110起到导向的作用，确保预成形块14的稳定运动。

为了提高预成形的效率，压力设备13为多个，围绕定位轴11均匀设置。多个压力设备13可以同时工作，每次可以成形多个预成形槽1，效率更高。如齿轮的齿数为2的倍数，可以采用2个压力设备13；如齿轮的齿数为3的倍数，可以采用3个压力设备13；如齿轮的齿数为4的倍数，可以采用2个或者4个压力设备13。

精整采用的如图6所示，包括上模和下模，下模包括下模座21、下模套22和下模芯23，下模芯23内设置有型腔24，成形齿2设置于型腔24的侧壁，下模芯23设置于下模座21上，下模套22套接于下模芯23外壁。型腔24的尺寸与齿轮的设计尺寸一致，成形齿2的尺寸与齿轮的齿槽尺寸一致，经过精整后即得到尺寸为设计尺寸的齿轮。

上模包括上模芯25、上模芯套29、上模套26、上垫板27和上模压圈28，上模芯25的直径与齿轮坯的内径适配，冷挤压时上模芯25可伸入齿轮坯的内孔，防止内孔变形，可控制内孔尺寸。上模芯套29套接在上模芯25的外壁，上模芯套29的上端面和上模芯25的上端面齐平，上模芯25的下端伸出上模芯套29并伸入型腔24，上模芯套29用于对齿轮坯施加压力，推动齿轮坯向下移动。上模芯套29设置在上模套26内部，上垫板27设置在上模芯25和上模芯套29的上表面，上模压圈28套接在上模套26的外壁。上模套26和上模芯套29内部设置有阶梯通孔，上模芯套29和上模芯25外壁设置为阶梯状，上模芯套29外壁的阶梯由上模套26内壁的阶梯面进行支撑，上模芯25外壁的阶梯由上模芯套29内壁的阶梯面进行支撑，上垫板27位于上模套26内孔的上端孔口，上垫板27的上表面与上模套26的上表面齐平，上垫板27的下表面接触上模芯套29和上模芯25。上模压圈28支撑上模套26外壁的凸台。上模芯25、上模芯套29、上模套26和上垫板27之间无需连接件进行连接，便于更换零部件。

精整时，将齿轮坯放在型腔24上端口，每个预成形槽1对准一成形齿2，挤压机推动上模向下移动，下模芯23伸入齿轮坯的内孔，上模芯套29的下端接触齿轮坯的上端面并推动齿轮坯向下移动，成形齿2沿着预成形槽1运动，将齿槽和轮齿挤压成形。

型腔24的上部为导向腔210，导向腔210的内径从上至下逐渐减小，导向腔210的侧壁设置有多个导向齿211，每个导向齿211与一成形齿2一体成型。导向腔210上端的直径大，导向腔210上部的导向齿211进入预成形槽1的深度较小，挤压开始时，阻力小，成形难度低。随着齿轮坯向下移动，导向齿211逐渐对预成形槽1进行挤压，使预成形槽1的尺寸逐渐增大。当预成形槽1到达成形齿2时，成形齿2再进一步整形，此时材料的变形量小，容易成形。

导向齿211的尺寸可以与成形齿2的尺寸相同，由于预成形槽1的尺寸必然小于成形齿2的尺寸，导向齿211上端的尺寸如果大于预成形槽1下端的尺寸，则不容易进入预成形槽1，因此，导向齿211的宽度从上至下逐渐增加。导向齿211上端的尺寸与预成形槽1下端的尺寸适配，可以直接进入预成形槽1下端，初始阻力小。在下压的过程中，导向齿211的尺寸逐渐增大，逐渐对预成形槽1扩宽，成形难度进一步降低。

上模芯套29的外壁设置有环形槽212，环形槽212的槽底设置有多个均匀分布的布水孔，布水孔靠近上模芯套29的外壁，环形槽212连接有给水管213。给水管213为软管，精整时，通过给水管213向环形槽212通水，水通过布水孔后流动至上模芯套29的外壁，然后向下流动至成形齿2，对成形齿2进行冷却。布水孔可以使水均匀分布在上模芯套29外壁并向下流动，保证对成形齿2进行均匀冷却。

精整完成后，挤压机带动上模向上移动，上模芯套29脱离齿轮，继续通过给水管213向环形槽212通水，水流动至齿轮表面，对齿轮进行冷却，以便于脱模。挤压产生的热量导致齿轮膨胀，增大了脱模难度，对齿轮进行冷却后，可以使齿轮收缩，脱模更加容易。可以在下模座21下方设置顶杆，脱模时利用顶杆对齿轮施加向上的推力，使齿轮脱模。

本发明的挤压工艺分为预成形和精整，虽然增加了预成形的步骤，但与滚齿加工相比，效率还是更高，且成本更低。此外，本发明加工得到的齿轮，公差精度可达到8级，加工后无需再次修整，满足设计要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.大模数直齿轮冷挤压工艺，其特征在于，包括

预成形：沿径向对齿轮坯圆周面进行挤压，在齿轮坯的圆周面上形成多个轴向延伸的预成形槽(1)，所述预成形槽(1)围绕齿轮坯的中心均匀分布，所述预成形槽(1)的数量与齿数相同，且所述预成形槽(1)的槽口宽度从中间到两端逐渐增加，预成形槽(1)的深度与齿槽的深度一致；

精整：将预成形后的齿轮坯放入模具，对模具施加向下的压力，模具的多个成形齿(2)从齿轮坯的一端进入预成形槽(1)，并沿着预成形槽(1)向下移动，将齿槽和轮齿挤压成形。

2.如权利要求1所述的大模数直齿轮冷挤压工艺，其特征在于，在精整的过程中，利用冷却液对成形齿(2)进行降温。

3.如权利要求1所述的大模数直齿轮冷挤压工艺，其特征在于，预成形中，采用的挤压设备包括水平的工作台(10)，所述工作台(10)上设置有定位轴(11)以及压力设备(13)，所述定位轴(11)竖直设置且连接有伺服电机(12)，且定位轴(11)外部固定设置有支撑盘(16)，所述支撑盘(16)的上表面设置有定位槽(17)，所述支撑盘(16)的上方设置有与支撑盘(16)可拆卸连接的压板(18)；所述支撑盘(16)的外侧壁设置多个延伸至定位槽(17)的导向槽(19)，所述导向槽(19)的侧壁为斜面；所述压力设备(13)上设置有预成形块(14)，所述预成形块(14)的侧壁设置有竖直的成形部(15)，所述成形部(15)的断面呈梯形或V形，所述成形部(15)的宽度从中间到两端逐渐增加；

预成形时，将齿轮坯套在定位轴(11)上并向下滑动至定位槽(17)中，将压板(18)安装在支撑盘(16)上，利用压板(18)压紧齿轮坯；再通过压力设备(13)推动预成形块(14)朝着齿轮坯的方向移动，使成形部(15)穿过导向槽(19)并对齿轮坯进行挤压，预成形槽(1)成形；完成一次挤压后，伺服电机(12)带动定位轴(11)转动一定的角度，再次通过压力设备(13)推动预成形块(14)朝着齿轮坯的方向移动，将下一个预成形槽(1)挤压成形；重复上述操作，直到所有的预成形槽(1)成形。

4.如权利要求3所述的大模数直齿轮冷挤压工艺，其特征在于，所述压力设备(13)包括液压缸，所述预成形块(14)固定安装于液压缸的活塞杆，所述工作台(10)的上方设置有水平的导向杆(110)，所述导向杆(110)贯穿预成形块(14)并与预成形块(14)滑动配合。

5.如权利要求1、2、3或4所述的大模数直齿轮冷挤压工艺，其特征在于，所述模具包括上模和下模，所述下模包括下模座(21)、下模套(22)和下模芯(23)，所述下模芯(23)内设置有型腔(24)，所述成形齿(2)设置于型腔(24)的侧壁，所述下模芯(23)设置于下模座(21)上，所述下模套(22)套接于下模芯(23)外壁；所述上模包括上模芯(25)、上模芯套(29)、上模套(26)、上垫板(27)和上模压圈(28)，所述上模芯套(29)套接在上模芯(25)的外壁，所述上模芯(25)的下端伸入型腔(24)，所述上模芯套(29)设置在上模套(26)内部，所述上垫板(27)设置在上模芯(25)和上模芯套(29)的上表面，所述上模压圈(28)套接在上模套(26)的外壁；

精整时，将齿轮坯放在型腔(24)上端口，每个预成形槽(1)对准一成形齿(2)，挤压机推动上模向下移动，下模芯(23)伸入齿轮坯的内孔，上模芯套(29)的下端接触齿轮坯的上端面并推动齿轮坯向下移动，成形齿(2)沿着预成形槽(1)运动，将齿槽和轮齿成形。

6.如权利要求5所述的大模数直齿轮冷挤压工艺，其特征在于，所述型腔(24)的上部为导向腔(210)，所述导向腔(210)的内径从上至下逐渐减小，所述导向腔(210)的侧壁设置有多个导向齿(211)，每个导向齿(211)与一成形齿(2)一体成型。

7.如权利要求6所述的大模数直齿轮冷挤压工艺，其特征在于，所述导向齿(211)的宽度从上至下逐渐增加。

8.如权利要求5所述的大模数直齿轮冷挤压工艺，其特征在于，所述上模芯套(29)的外壁设置有环形槽(212)，所述环形槽(212)的槽底设置有多个均匀分布的布水孔，所述环形槽(212)连接有给水管(213)；

精整时，通过给水管(213)向环形槽(212)通水，水通过布水孔后流动至上模芯套(29)的外壁，然后向下流动至成形齿(2)，对成形齿(2)进行冷却；

精整完成后，挤压机带动上模向上移动，上模芯套(29)脱离齿轮，继续通过给水管(213)向环形槽(212)通水，水流动至齿轮表面，对齿轮进行冷却，以便于脱模。

9.如权利要求3所述的大模数直齿轮冷挤压工艺，其特征在于，所述压力设备(13)为多个，围绕定位轴(11)均匀设置。

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