CN115971382B - 低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置及工艺 - Google Patents

Abstract

一种低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置及工艺，包括工作台，工作台上连接有支撑装置，支撑装置上安装有坯料，坯料的外侧对称设置滚轧装置，滚轧装置外侧水平方向连接有径向进给液压缸组件，滚轧装置外侧竖直方向连接有轴向进给液压缸组件，轴向进给液压缸组件和伺服电机连接；采用低频振动辅助降低塑性变形抗力，以及类似于范成法滚刀切削齿轮的原理，使用表面不带有切削刃滚刀的双滚轧模具，对于半固态大模数齿轮型面进行对称渐进滚轧成形，可成形大模数的齿轮型面，成形载荷小、成形效率高，成形后的零件组织纤维连续，齿形精度高，零件可靠性高。

Description

低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置及工艺

技术领域

本发明属于大模数齿轮成形加工技术领域，具体涉及一种低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置及工艺。

背景技术

大模数齿轮由于其承载能力强，广泛应用于重型重载装备中，齿轮的成形方式主要分为切削加工和塑性成形两种。目前大多数齿轮生产厂家生产方式主要为切削加工，切削加工主要分为插齿法、铣齿法以及范成法滚齿等；上述切削加工方式存在着诸多缺点，切削加工会切断材料的纤维组织使零件的性能降低，且材料利用率低、生产成本高、制造效率低。齿轮塑性成形的生产方式目前主要有多模具滚轧、挤压等工艺；多模具滚轧工艺的模具布置形式一般为模具轴线与坯料轴线相平行，在成形不同齿数的齿形件时模具调整不方便，且由于模具空间位置的限制，成形齿轮的直径一般较小；同时，多齿滚轧工艺主要加工模数较小的齿形件，对于大模数齿轮的加工由于成形力太大则不适用。

而整体挤压工艺成形齿轮，挤压力大，对设备要求高，对于大模数齿轮的成形仍不适用。滚轧齿轮齿形常在室温下进行，因此只能成形小模数齿轮。

塑性成形滚轧齿轮型面的一种方式(Method for the cold form generating ofcylindrical workpieces[P],美国专利，专利号为3032871)为采用切削加工中范成法的原理，即模具结构形式为蜗杆形状、模具轴线与坯料轴线异面布置，通过二者的范成运动滚轧成形出齿形件，目前这种室温下进行齿轮滚轧塑性成形加工工艺存在以下不足：(1)室温下直接由滚轧模具沿坯料圆周方向滚压成形，成形力很大，模具磨损严重，能耗高，对成形设备要求高，不适用于大模数齿轮的滚轧成形；(2)冷滚轧齿轮坯料材料流动性差，对于大模数齿轮的齿形充填性能差，造成齿形缺料的问题；(3)单道次滚轧成形由于摩擦力大、塑性差，对于大模数齿轮齿形的成形会导致齿形充不满、成形精度差，齿形质量难以保证。

发明内容

为了克服上述技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置及工艺，采用低频振动辅助降低塑性变形抗力，以及类似于范成法滚刀切削齿轮的原理，使用表面不带有切削刃滚刀的双滚轧模具，对于半固态大模数齿轮型面进行对称渐进滚轧成形，可成形大模数的齿轮型面，成形载荷小、成形效率高，成形后的零件组织纤维连续，齿形精度高，零件可靠性高。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置，包括工作台1，工作台1上连接有支撑装置3，支撑装置3上安装有坯料2，坯料2的外侧对称设置滚轧装置5，滚轧装置5外侧水平方向连接有径向进给液压缸组件4，滚轧装置5外侧竖直方向连接有轴向进给液压缸组件6，轴向进给液压缸组件6和伺服电机7连接。

所述的支撑装置3包括一对压板301，一对压板301分别从上下将坯料2支撑住，并通过锁紧螺母303和垫板302固装在工作台1上，坯料2随工作台1绕自身轴线一起转动。

所述的滚轧装置5包括滚轧模具502，滚轧模具502通过滚轧模具轴503安装在模具架501上，滚轧模具502与坯料2的轴线异面布置，滚轧模具轴503和油马达504连接；径向进给液压缸组件4和轴向进给液压缸组件6分别与模具架501固连，分别实现滚轧模具502沿坯料2径向和轴向的进给、退出运动以及低频振动。

所述的轴向进给液压缸组件6包括两端均贯穿的缸体601，缸体601中装有第一活塞606和第二活塞609；第一活塞606上装有液压杆605，液压杆605穿过第一端盖604，第一端盖604密封缸体601一端；缸体601的另一端装有第二活塞609，第二活塞609上装有随动轴盘612，随动轴盘612通过螺母607和垫圈608与第二活塞609固连，随动轴盘612穿过第二端盖610，第二端盖610密封缸体601另一端；随动轴盘612伸出第二端盖610外的轴上装有复位弹簧611；随动轴盘612与端面凸轮615之间装有若干滚珠614，滚珠614由保持架613固定在随动轴盘612的盘端槽中；

缸体601上开设有第一油口602和第二油口603，第一油口602位于第一活塞606和第二活塞609之间的腔室，第二油口603位于第一活塞606和第一端盖604之间的腔室；

端面凸轮615由伺服电机7驱动旋转，从而推动随动轴盘612在复位弹簧611的复位作用下带动第二活塞609往复直线运动，往复频率为20Hz～30Hz；第二活塞609的往复运动使得油缸601内第二活塞609和第一活塞606之间腔室油压持续波动，进而实现第一液压杆605的低频振动，从而实现了滚轧模具502沿坯料2轴向的低频振动。

所述的滚轧模具502为蜗杆形状，通过与坯料2之间的范成运动，实现大模数齿轮的滚轧塑性成形；坯料2沿径向总进给深度为S₀，采用的道次数为m，m>1，以实现齿轮型面的渐进成形；在渐进滚轧成形过程中，滚轧模具502不仅沿坯料2轴向进给，且沿进给方向作低频振动。

利用一种低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置的成形工艺，包括如下步骤：

步骤1，将锻造或轧制后齿轮的坯料2放入电炉或中频感应加热炉中进行加热及保温处理，加热温度为1355～1490℃，保温时间为5～30min，从而获得齿轮件半固态的坯料2；

步骤2，将半固态的齿坯2装夹在工作台1上，并通过支撑装置3固定支撑；

步骤3，启动油马达504和伺服电机7，使滚轧模具502绕自身轴线自转且沿坯料2轴向低频振动，控制低频振动频率为20Hz～30Hz，同时坯料2在工作台1上绕自身轴线旋转；滚轧模具502径向总进给量为S₀，已完成径向进给量为S₁，此时S₁＝0，待加工齿轮的齿数为Z，滚轧模具502的转速ω_模与坯料2的转速ω_坯满足公式(1)所示关系：

步骤4，滚轧模具502首道次滚轧成形齿轮型面，具体为：

4.1、径向进给液压缸组件4控制滚轧模具502的径向进给量为Δ；Δ由径向总进给量S₀和滚轧道次数m确定，具体参照公式(2)确定：

4.2、在成形过程中，保持滚轧模具502绕自身轴线旋转且以20Hz～30Hz的振动频率低频振动，同时沿坯料2作轴向进给运动；

4.3、滚轧模具502沿坯料2的轴向从一端轴向进给至另一端，完成径向进给量Δ下整个齿轮型面的滚轧成形；

步骤5，判断径向总进给量是否完成，具体参照公式(3)确定：

S′₁＝S₁＋Δ (3)

公式(3)中S′₁代表经过当前一次滚轧后已完成的径向进给量；

当已完成径向进给量等于滚轧模具502总径向进给量时，转入步骤6；

当S′₁＜S₀时，调整滚轧模具502的径向进给量，使其径向进给量增加Δ；重复步骤4，至已完成径向进给量等于滚轧模具总径向进给量，转入步骤6；

步骤6，m个道次全部完成后，齿轮型面滚轧成形结束，关闭油马达504和伺服电机7；

步骤7，滚轧模具502反向退出至初始位置，卸坯料2。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用低频振动辅助成形，减小了成形载荷，模具磨损降低，能耗降低，适用于大模数齿形件的塑性成形。

(2)本发明结合半固态工艺，可以有效降低塑性变形抗力，材料更易流动，有利于大模数齿轮的齿形充填，有效避免了齿形缺料的问题；且半固态工件具有细小、均匀、球状微观组织，成形后的齿轮件综合性能优越。

(3)本发明多道次渐进逐步成形，摩擦力小、塑性好、成形力小，避免了齿形充不满的缺陷，齿形成形精度高。

附图说明

图1为本发明装置主视图。

图2为本发明坯料支撑装置及工作台的爆炸图。

图3为本发明装置装配侧视图。

图4为本发明轴向进给液压缸组件沿轴线的剖视图。

图5为本发明滚轧模具主视图。

图6为本发明首道次齿形成形过程中的示意图。

图7为本发明首道次齿形成形后的示意图。

图8为本发明齿轮型面滚轧成形完成示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图对本发明进行清楚、完整地描述。

参照图1，一种低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置，包括工作台1，工作台1上连接有支撑装置3，支撑装置3上安装有坯料2，坯料2的外侧对称设置滚轧装置5，滚轧装置5外侧水平方向连接有径向进给液压缸组件4，滚轧装置5外侧竖直方向连接有轴向进给液压缸组件6，轴向进给液压缸组件6和伺服电机7连接。

参照图1和图2，坯料2在半固态状态下滚轧成形通过支撑装置3进行支撑，支撑装置3包括一对压板301，一对压板301分别从上下将坯料2支撑住，并通过锁紧螺母303和垫板302固装在工作台1上，坯料2随工作台1绕自身轴线一起转动。

参照图1和图3，所述的滚轧装置5包括滚轧模具502，滚轧模具502通过滚轧模具轴503安装在模具架501上，滚轧模具502与坯料2的轴线异面布置，滚轧模具轴503和油马达504连接，油马达504驱动滚轧模具502绕自身轴线作旋转运动；径向进给液压缸组件4和轴向进给液压缸组件6分别与模具架501固连，分别实现滚轧模具502沿坯料2径向和轴向的进给、退出运动以及低频振动。

参照图4，为了实现滚轧模具502沿坯料2轴向进给、退出运动和低频振动，轴向进给液压缸组件6包括两端均贯穿的缸体601，缸体601中装有第一活塞606和第二活塞609；第一活塞606上装有液压杆605，液压杆605穿过第一端盖604，第一端盖604密封缸体601一端；缸体601的另一端装有第二活塞609，第二活塞609上装有随动轴盘612，随动轴盘612通过螺母607和垫圈608与第二活塞609固连，随动轴盘612穿过第二端盖610，第二端盖610密封缸体601另一端；随动轴盘612伸出第二端盖610外的轴上装有复位弹簧611；随动轴盘612与端面凸轮615之间装有若干滚珠614，滚珠614由保持架613固定在随动轴盘612的盘端槽中，以减小端面凸轮615运动过程中的摩擦；

缸体601上开设有第一油口602和第二油口603，第一油口602位于第一活塞606和第二活塞609之间的腔室，第二油口603位于第一活塞606和第一端盖604之间的腔室；通过控制第一油口602和第二油口603的进出油来实现液压杆605的伸长或收缩运动，从而带动滚轧模具502同步运动，以实现滚轧模具502沿坯料2轴向作进给或退出运动；

端面凸轮615由伺服电机7驱动旋转，从而推动随动轴盘612在复位弹簧611的复位作用下带动第二活塞609往复直线运动，往复频率为20Hz～30Hz；第二活塞609的往复运动使得油缸601内第二活塞609和第一活塞606之间腔室油压持续波动，进而实现第一液压杆605的低频振动，从而实现了滚轧模具502沿坯料2轴向的低频振动。

参照图5，所述的滚轧模具502为蜗杆形状，通过与坯料2之间的范成运动，实现大模数齿轮的滚轧塑性成形；坯料2沿径向总进给深度为S₀，采用的道次数为m，m>1，以实现齿轮型面的渐进成形；在渐进滚轧成形过程中，滚轧模具502不仅沿坯料2轴向进给，且沿进给方向作低频振动，从而减小成形载荷、提高齿形精度，成形出的齿形标准，该滚轧成形工艺可成形大模数的齿轮型面，成形力小，成形效率高，成形后的零件组织纤维连续，成形精度高，零件可靠性高。

利用一种低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置的成形工艺，包括如下步骤：

步骤1，将锻造或轧制后齿轮的坯料2放入电炉或中频感应加热炉中进行加热及保温处理，加热温度为1355～1490℃，保温时间为5～30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的齿轮件半固态的坯料2；

步骤2，将半固态的齿坯2装夹在工作台1上，并通过支撑装置3固定支撑；

步骤3，参照图3，启动油马达504和伺服电机7，使滚轧模具502绕自身轴线自转且沿坯料2轴向低频振动，控制低频振动频率为20Hz～30Hz，同时坯料2在工作台1上绕自身轴线旋转；滚轧模具502径向总进给量为S₀，已完成径向进给量为S₁，此时S₁＝0，待加工齿轮的齿数为Z，滚轧模具502的转速ω_模与坯料2的转速ω_坯满足公式(1)所示关系：

步骤4，滚轧模具502首道次滚轧成形齿轮型面，具体为：

4.1、径向进给液压缸组件4控制滚轧模具502的径向进给量为Δ；Δ由径向总进给量S₀和滚轧道次数m确定，具体参照公式(2)确定：

4.2、参照图6，在成形过程中，保持滚轧模具502绕自身轴线旋转且以20Hz～30Hz的振动频率低频振动，同时沿坯料2作轴向进给运动；

4.3、参照图7，滚轧模具502沿坯料2的轴向从一端轴向进给至另一端，完成径向进给量Δ下整个齿轮型面的滚轧成形；

步骤5，判断径向总进给量是否完成，具体参照公式(3)确定：

S′₁＝S₁＋Δ (3)

公式(3)中S′₁代表经过当前一次滚轧后已完成的径向进给量；

当已完成径向进给量等于滚轧模具502总径向进给量时，转入步骤6；

当S′₁＜S₀时，调整滚轧模具502的径向进给量，使其径向进给量增加Δ；重复步骤4，至已完成径向进给量等于滚轧模具总径向进给量，转入步骤6；

步骤6，参照图8，m个道次全部完成后，齿轮型面滚轧成形结束，关闭油马达504和伺服电机7；

步骤7，滚轧模具502反向退出至初始位置，卸坯料2。

以上仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置，包括工作台(1)，其特征在于：工作台(1)上连接有支撑装置(3)，支撑装置(3)上安装有坯料(2)，坯料(2)的外侧对称设置滚轧装置(5)，滚轧装置(5)外侧水平方向连接有径向进给液压缸组件(4)，滚轧装置(5)外侧竖直方向连接有轴向进给液压缸组件(6)，轴向进给液压缸组件(6)和伺服电机(7)连接；

所述的轴向进给液压缸组件(6)包括两端均贯穿的缸体(601)，缸体(601)中装有第一活塞(606)和第二活塞(609)；第一活塞(606)上装有液压杆(605)，液压杆(605)穿过第一端盖(604)，第一端盖(604)密封缸体(601)一端；缸体(601)的另一端装有第二活塞(609)，第二活塞(609)上装有随动轴盘(612)，随动轴盘(612)通过螺母(607)和垫圈(608)与第二活塞(609)固连，随动轴盘(612)穿过第二端盖(610)，第二端盖(610)密封缸体(601)另一端；随动轴盘(612)伸出第二端盖(610)外的轴上装有复位弹簧(611)；随动轴盘(612)与端面凸轮(615)之间装有若干滚珠(614)，滚珠(614)由保持架(613)固定在随动轴盘(612)的盘端槽中；

缸体(601)上开设有第一油口(602)和第二油口(603)，第一油口(602)位于第一活塞(606)和第二活塞(609)之间的腔室，第二油口(603)位于第一活塞(606)和第一端盖(604)之间的腔室；

端面凸轮(615)由伺服电机(7)驱动旋转，从而推动随动轴盘(612)在复位弹簧(611)的复位作用下带动第二活塞(609)往复直线运动，往复频率为20Hz～30Hz；第二活塞(609)的往复运动使得缸体(601)内第二活塞(609)和第一活塞(606)之间腔室油压持续波动，进而实现液压杆(605)的低频振动，从而实现了滚轧模具(502)沿坯料(2)轴向的低频振动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的支撑装置(3)包括一对压板(301)，一对压板(301)分别从上下将坯料(2)支撑住，并通过锁紧螺母(303)和垫板(302)固装在工作台(1)上，坯料(2)随工作台(1)绕自身轴线一起转动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的滚轧装置(5)包括滚轧模具(502)，滚轧模具(502)通过滚轧模具轴(503)安装在模具架(501)上，滚轧模具(502)与坯料(2)的轴线异面布置，滚轧模具轴(503)和油马达(504)连接；径向进给液压缸组件(4)和轴向进给液压缸组件(6)分别与模具架(501)固连，分别实现滚轧模具(502)沿坯料(2)径向和轴向的进给、退出运动以及低频振动。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的滚轧模具(502)为蜗杆形状，通过与坯料(2)之间的范成运动，实现大模数齿轮的滚轧塑性成形；坯料(2)沿径向总进给深度为S₀，采用的道次数为m，m>1，以实现齿轮型面的渐进成形；在渐进滚轧成形过程中，滚轧模具(502)不仅沿坯料(2)轴向进给，且沿进给方向作低频振动。

5.利用权利要求1-4任意一种低频振动范成法半固态滚轧大模数齿轮的成形装置的成形工艺，包括如下步骤：

步骤1，将锻造或轧制后齿轮的坯料(2)放入电炉或中频感应加热炉中进行加热及保温处理，加热温度为1355～1490℃，保温时间为5～30min，从而获得齿轮件半固态的坯料(2)；

步骤2，将半固态的坯料(2)装夹在工作台(1)上，并通过支撑装置(3)固定支撑；

步骤3，启动油马达(504)和伺服电机(7)，使滚轧模具(502)绕自身轴线自转且沿坯料(2)轴向低频振动，控制低频振动频率为20Hz～30Hz，同时坯料(2)在工作台(1)上绕自身轴线旋转；滚轧模具(502)径向总进给量为S₀，已完成径向进给量为S₁，此时S₁＝0，待加工齿轮的齿数为Z，滚轧模具(502)的转速ω_模与坯料(2)的转速ω_坯满足公式(1)所示关系：

步骤4，滚轧模具(502)首道次滚轧成形齿轮型面，具体为：

4.1、径向进给液压缸组件(4)控制滚轧模具(502)的径向进给量为Δ；Δ由径向总进给量S₀和滚轧道次数m确定，具体参照公式(2)确定：

4.2、在成形过程中，保持滚轧模具(502)绕自身轴线旋转且以20Hz～30Hz的振动频率低频振动，同时沿坯料(2)作轴向进给运动；

4.3、滚轧模具(502)沿坯料(2)的轴向从一端轴向进给至另一端，完成径向进给量Δ下整个齿轮型面的滚轧成形；

步骤5，判断径向总进给量是否完成，具体参照公式(3)确定：

S′₁＝S₁+Δ (3)

公式(3)中S′₁代表经过当前一次滚轧后已完成的径向进给量；

当已完成径向进给量等于滚轧模具(502)总径向进给量时，转入步骤6；

当S′₁＜S₀时，调整滚轧模具(502)的径向进给量，使其径向进给量增加Δ；重复步骤4，至已完成径向进给量等于滚轧模具总径向进给量，转入步骤6；

步骤6，m个道次全部完成后，齿轮型面滚轧成形结束，关闭油马达(504)和伺服电机(7)；

步骤7，滚轧模具(502)反向退出至初始位置，卸坯料(2)。