CN115591966B - 大模数直齿轮冷挤压工艺 - Google Patents
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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
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 (8)
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;
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;
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,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。
4.如权利要求1、2或3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。
5.如权利要求4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。
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,所述导向齿(211)的宽度从上至下逐渐增加。
7.如权利要求4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。
8.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,所述压力设备(13)为多个,围绕定位轴(11)均匀设置。
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