CN1917970A - 环形齿轮和其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种用于生产包括一表面(18)的锻造物品(10)的方法。该方法包括根据所述表面限定阴加工模型(52)，和提供具有压砧(30)、顶部模子(36)和底部模子(34)的成套工具(28)。底部模子的顶面(40)阴加工模型一致。当成套工具被装配时，压砧延伸穿过底部模子并且限定了一个轴线。另外，底部模子和顶部模子合作一起限定了一个型腔(76)。空心毛坯(38)被预先加热并且被放置在压砧上和放入模子。在单一行程中，空心毛坯被沿与轴线平行的方向压在顶部模子和底部模子之间。预加热温度Tw是同系温度比率的函数作用，Tw/Tm在0.62和0.80之间，其中Tm是合金的绝对熔化温度。

Description

环形齿轮和其生产方法

技术领域

本发明涉及一种生产环形齿轮的方法，特别是一个用金属坯料生产环形齿轮的方法。

背景技术

传统上，汽车的环形齿轮是将实心毛坯在接近2200的温度下压制生产。紧接在压制的步骤后，″锻造的″环形齿轮毛坯享有较一般毛坯显著改善的机械性能。然而，由于这种环形齿轮一般需要的精密容许度，锻造的环形齿轮毛坯必须用机器加工到他们的完成，或准确的形状。然而，锻造过程会使材料硬化，以致在某种程度上用机器加工环形齿轮在经济上是不切实际的。因此，环形齿轮毛坯典型在锻炼后要先退火再用机器加工。所以传统的生产环形齿轮方法无法利用锻造环形齿轮毛坯的优胜特性。而且，因为退火的过程需要供应热给环形齿轮一段时间，退火会消耗能量。另外，退火和机器加工的过程会消耗时间和其它生产资源。为获得所需的表面完成硬度，环形齿轮的齿必须被感应淬火或齿轮必须被渗碳。

另外，由于一些环形齿轮经常绕着轴转动(与刚性附着于一个，例如，差速器铸件不同)，完成的环形齿轮需要一个适合让轴穿过的中央开口。因此，在生产环形齿轮时必须预留中央的开口。例如，可以使用一个分开的心轴，或打孔，以制造出通过毛坯或环形齿轮的开口。然而，分别制造开口所需的动作造成开口的中心和环形齿轮节径的中心之间有偏位。如果在这个情况下运作，当环形齿轮转动时会易于震动，导致有害的耗损。例如，在环形齿轮的齿，轴，轴承，以及机器的整体。结果是，必须要频繁地用机器加工开口以消除在开口的中心和环形齿轮的节径中心之间的偏位或将其减到最小。

发明内容

本发明提供一个生产锻造物品的方法，所述锻造物品包括特定外形的表面。所述方法包括：基于特定外形表面限定阴加工模型，和提供具有压砧和顶部模子及底部模子的成套工具。底部模子的上表面与阴加工模型一致。当成套工具被装配后，压砧延伸穿过底部模子并且限定一个轴线。另外，底部模子和顶部模子合作形成型腔。空心毛坯被放置在压砧上并被放入模子。在单一行程中，空心毛坯以与所述轴线平行的方向被压在顶部模子和底部模子之间。在压制期间，毛坯最初沿压制方向流动以形成所述物品的表面。而后，毛坯以与压制方向垂直的方向流动以填充型腔。

在另一实施例中，本发明提供一种表面有齿的环形齿轮的生产方法。所述方法包括：基于齿轮表面限定阴加工模型，和提供具有压砧和顶部模子及底部模子的成套工具。底部模子的上表面与阴加工模型一致。当成套工具被装配后，压砧延伸穿过底部模子并且限定一个轴线。另外，底部模子和顶部模子合作形成型腔。空心毛坯被放置在压砧上并被放入模子。在单一的行程中，空心毛坯沿与所述轴线平行的压制方向被压在顶部模子和底部模子之间。在压制期间，毛坯最初沿压制方向流动形成齿轮的表面。而后，毛坯以与压制方向垂直的方向流动以填充型腔。

本发明其它方面的应用将从以下提供的详细的描述中变得明显。应该要了解的是，虽然其中详细描述和具体例子被指为本发明的优选实施例，它们仅有例证的目的，而不为限制本发明的范围。

附图说明

请参照详细描述和附图以更加充分地了解本发明：

图1是一个依照本发明制作的示例环形齿轮的透视图；

图1A是图1的示例环形齿轮的横截面图；

图2是用于生产图1的环形齿轮的示例成套工具的横截面图，该成套工具是依据本发明的方法制成；

图3是图2中的成套工具的压砧的透视图；

图4是图2中的成套工具的套管的部分横截面图；

图5是图2中的成套工具的底部模子的部分横截面图；

图6是图2中的成套工具的顶部模子的部分横截面图；

图7是用于生产图1的环形齿轮的示例筒形金属坯料和环形毛坯的透视图；

图8是成套工具可选实施例的横截面图；

图9是一个曲线图，显示对于依照本发明的方法制作的环形齿轮，作为压机行程的函数的压机载荷；和

图10是与用来实施本发明的工具一起使用的压力机的简要正视图。

具体实施方式

以下描述的优选实施例，本质上仅为范例而绝不意欲限制发明，它的应用，或用途。本发明在此参照示例的环形齿轮，但本发明不应该被如此限制。

参见图1和1A，一个根据本发明原则制作的示例环形齿轮，由参考数字10总体表示。该环形齿轮10包括：由内壁15限定中央开口14的一个大致环形体12，外(或圆周)表面16，和复数个齿18，这些齿共同限定一个节径d1。每一颗齿18包括齿顶20和齿根22。并且，为在此讨论的目的，环形齿轮10可以说具有上面有齿18的齿状表面24，并且在此齿状表面24的对面有一相对表面26。

图2显示一个根据本发明原则制作并适合生产环形齿轮10的示例成套工具(tooling set)28。成套工具28包括压砧30，套管32，底部模子34，和顶部模子36。成套工具28各部分的材料可依照不同的标准而选择，包括例如对高温的抵抗性，硬度，和耐磨性。在此提供的例子中，成套工具28的每一个部分皆用CPM1V合金形成，此合金可在Crucible Compaction Metals of Oakdale，PA买到。图2还示出一个空心或环形的毛坯38，其材料根据其最终的应用(例如被锻造物品的用途)而选择。选择毛坯38材料的其它考虑因素包括成形性和成形后处理要求，例如渗碳或感应加热淬火以满足特定深度和硬度值。

简要地说，为形成环形齿轮10，套管32被放置在压砧30上，并且底部模子34被定心地放置在套管32和压砧30上。然后环形毛坯38被定心地放置在压砧30上，以使它放置在底部模子34的上表面40。然后顶部模子36被定心地放置在压砧30上，以使它如图示地放置在环形毛坯38的顶面42上。然后，施压于顶部模子36使它被压在环形毛坯38上。随着压力的增加，环形毛坯38的材料屈服，初始向下流动，填充毛坯38和底部模子34的上表面40之间的空隙。而后，环形毛坯38的材料径向向外流动，或横向地流动，填充在毛坯38和顶部模子36之间的空隙。当毛坯38的材料填充毛坯38和顶部模子36之间的空隙时，取消压力，而环形齿轮10就此成形了。

在图3，压砧30包括在一端的底部44和在另一端的前导部分46。在底部44和前导部分46可形成为沿其长度具有恒定直径。在底部44和前导部分46中间有一个锥形段45，其可以例如以大约3度的角度逐渐变细，来利于锻造的物品从成套工具28中的排出。在本领域有一般技术的人皆可从本公开中领会，压砧30的前导部分的外径和套管32的外径(根据轴向位置)形成锻造物品的内径，而平的过渡部分形成锻造物品的埋头孔。因此，锻造物品、压砧和套管的材料要选择成可使热量膨胀系数的差别减到最小，甚至消失，以使在压砧和锻造物品之间的接触点形成的飞边减到最小。

在图4，套管32包括一圆柱形部分48和一前导部分50。圆柱形部分48可用来定位压砧30和套管32，而前导部分50可用来形成在锻造物品的内径上的斜面。虽然前导部分50在此被示出为形成斜面，那些在本领域有一般技术的人可知在也可应用其它几何图形。例如，可在压砧30上采用突脊以形成环形齿轮上的埋头孔，或者该几何特征(例如锥形50)可以完全省略。

在图5，底部模子34包括阴加工模型(negative tooling pattern)52限定的上表面40。阴加工模型52反应出期望的齿状表面24(图1)的形状，包括顶点54和分别对应于齿根22、齿顶20和齿18(图1和1A)其它特征的槽56。那些在本领域有一般技术的人可了解齿状表面24的最终形状和阴加工模型52会在某种程度上不同。齿状表面24的形状与阴加工模型52的偏差(如果有的话)，可以用来中和或抵销各种现象(例如热扩散和收缩、抽缩、毛坯材料的反弹恢复等等)，其为形成环形齿轮10材料的特性。否则，阴加工模型52大致反应出齿状表面24的形状，包括环形齿轮的齿18。

底部模子34还包括限定了中央开口60的主体58。在此提供的例子中，中央开口60协助底部模子34相对应于套管32中心定位。在压制的过程中，主体58被用来将阴加工模型52支撑紧靠在毛坯38上。

在图6，顶部模子36包括限定了压制表面70的第一主体部分64，从第一主体部分64向下延伸的第二主体部分66，和中央开口72。第二主体部分66可包括一个与第二主体部分66的圆柱形内表面74和压制表面70相交的过渡部分68。在此提供的例子中，过渡部分68是做成圆锥形形状，但在本领域有一般技术的人可了解其它几何形状也可被选择使用。根据将被锻造物品的形状，内表面74可做成当它朝顶部模子36与第一主体部分64相对的端部下降时轻微地径向倾斜的形状。虽然本范例是显示逐渐变得尖细，其它物品的内在表面可被锻造成基本竖直下降。再次说明，成套工具28的特征取决于被锻造物品的要求。表面74可与过渡部分68合成一体，而过渡部分68可被并入压制表面70。表面74、过渡部分68、压制表面70，和阴加工模型52一起限定了将被形成的环形齿轮的斜面的型腔76。第一主体部分64还限定了使顶部模子36中心定位于压砧30上的中央开口72。

如图7所显示，一个空心、或筒形的金属坯料78可被分割制造成一个或更多环形的毛坯38。值得注意的是，筒形金属坯料78大致是圆柱形的，并且有一个与环形毛坯38的中央开口82对应的中央开口80。金属坯料78的内径其可套在压砧30的外径上，而金属坯料78的外径可安装到所述型腔中。或者，金属坯料78(或毛坯38)的内径和/或外径可加工成期望的大小。

在从筒形金属坯料78分割以后，环形毛坯38有第一端面42、第二端面86，和圆周面87。另外，环形的金属坯料限定了一个在端面42和86之间方向的中央轴线88。在提供的例子中，中央轴线88大致是与端面42和86垂直，并和中央开口82的轴线一致。然而，本领域的技术人员会了解，中央轴线88是一个参考轴线，可根据需要相对于端面82、42和中央开口82不同地定向。另外，毛坯38的内壁83限定了中央开口82。

如果需要，毛坯38可在锻造之前被二次加工，以改变毛坯38的特性和/或改进锻造物品的特征。例如，毛坯38可以被退火。更好地，毛坯通过喷丸处理以减少或消除残余应力，和/或为毛坯38提供期望的表面光洁度。更好地，涂层89被应用于环形毛坯38的一个或多个表面82、42，和/或87。涂层89在压制操作期间形成适合在锻造温度使用的润滑剂，例如石墨基润滑剂，提供在毛坯38表面和成套工具28相应表面之间的润滑。

回到图2，显示成套工具28和毛坯38一起操作。如图所示，压砧30的部分44延伸通过套管32和底部模子34，从而将成套工具28的这些构件的中心排成一直线。并且，压砧30的前导部分46从底部模子34伸出，与毛坯38的内径和顶部模子36的内径接合。因此，压砧30也将毛坯38和顶部模子36排成一直线。

图2还显示毛坯38位于由底部模具34和顶部模具36形成的型腔76。特别是，毛坯38的内径接合压砧30的外径。毛坯的圆周面87(图7)与顶部模子36的内表面74间隔开。在压制操作期间(如在此讨论的)，毛坯3 8在成形操作的某一点会横向流动，填充在圆周面87和内表面74之间的空隙。另外，毛坯38被显示中心定位在底部模子34上，而且放置在阴加工模型52的顶点54上。因此，当环形齿轮10成形时，环形齿轮10的特征将相对于环形齿轮的中央轴线90准确定位，中央轴线90大致与环形毛坯的中央轴线88相对应。因此，环形齿轮10将以同心的方式形成。

并且图2显示，环形毛坯38被如此放置在底部模子34上，使得它的一个端面，例如端面86，靠近阴加工模型52。因此，当毛坯38被压制时，靠近阴加工模型52的端面(例如在提供的例子中的端面86)将形成环形齿轮10的前面24。本领域的技术人员会了解，在有些情况下，没有必要以任何特定的方式将毛坯38放置在型腔76，因为毛坯38也许会被翻转，以便端面42或86其中之一能被靠近阴加工模型52定位。

在有些情况下，例如当端面42和86不大致互相平行时，需要将毛坯38以预定的方式放入型腔76。同样的，环形毛坯38的另一端面(在提供的例子中的端面42)将形成环形齿轮10的背面26。并且，可以看到复数个齿隙92限定于阴加工模型52和环形毛坯38的底部86之间。同样地，可以看到环形空隙94限定在环形毛坯38的圆周面87和内表面74之间(弧68、压制表面70和底部模子34一起完成环形空隙94的限定)。

在操作中，筒形金属坯料78被分割形成环形毛坯38。在此提供的例子中，一个1.5英寸长，5.0英寸内径，8.0英寸外径的钢管形成环形毛坯38。值得注意的是，顶部模子36的型腔76被设计成当圆环形毛坯38被压到期望的厚度时，所产生的环形齿轮刚好填充在压砧30周围的型腔76(当然除了型腔76中顶部模子行程所占的部分)。在此提供的例子中，型腔76被设计以容纳一个一般由18磅实心金属坯料做成的11磅环形齿轮10。

在分割以后，本例中的毛坯38被喷丸处理，并在环形毛坯38上施加润滑剂涂层89以减少毛坯和成套工具28之间在压制操作期间的摩擦。毛坯优选在涂上润滑剂涂层之前预先加热到大约300±35。

现在参见图10，压机120准备要压制毛坯38。压机120包括台板122，压头124，液压系统126，和与示例成套工具28一起使用的电感加热器128。底部模子34可放在压砧30上并通过螺栓固定(或通过其他方式刚性连接)到台板122上。环形毛坯38可放置在压砧30上并向下压到底部模子34上。顶部模子36可被放在毛坯38上并紧靠毛坯38。

在毛坯38成型之前，可使用电感加热器128加热毛坯38到一个预定的锻造温度。在此提供例子中，被预定的锻造温度大约是华氏1700度到华氏1800度。另外，在锻造操作之前，压砧30、套管32和模子34和36可在压机120中以煤气加热或用电感加热到约300。

锻造温度优选是根据所使用的合金毛坯的特性来决定。锻造温度优选是以绝对熔化温度的函数形式变化。锻造或工作温度Tw除以合金的熔化温度Tm，相对于绝对零度表示，形成一个同系(homologous)温度比率。优选(Tw/Tm)同系温度比率是在.62到.80的范围内。更优选是在.65到.70的范围内。同系温度比率太低的锻造温度会造成锻造材料硬化、极微的再结晶，和峰值锻造载荷的增加。锻造温度太高会导致晶粒过分生长和部分剥落。对大多数的合金，同系温度比率大约.65是能产生令人满意的零件的一个工作温度。本领域的技术人员会了解工作温度可由.65为起点实验以求得特定合金和所制造零件的最佳性能的温度。

压制行程由压头124向台板122移动开始，以便顶部模子36通过液压系统126提供的液压力往底部模子34平移。在毛坯38上的压力迅速累积，超过毛坯38的屈服点，导致形成毛坯的材料沿与压制行程大约平行的轴向方向流入齿隙92。

当毛坯38的底部与最初在毛坯38正下方的阴加工模型52的上表面一致时，形成毛坯38的材料停止轴向流动，而改为大致与压致行程垂直的方向径向流动。形成毛坯38的材料横向地向内流动，填充任何在压砧30和毛坯38之间的空隙(例如由于径向跳动或因同心度差异)。并且形成毛坯38的材料也径向向外流动，而填充环形空隙94。

压制行程被设定成当径向流动(在轴向流动之后)停止，而且毛坯材料填充型腔时，顶部模子也停止移动。如果毛坯38含有剩余材料，它会出现在环形齿轮10的背面26。由于型腔被充分充满时压制和加工的偏差，剩余物质造成峰值压制载荷的增加。显示在图9中载荷行程曲线的形状是一个典型汽车环形齿轮的曲线。因此为了使在环形齿轮10的剩余材料减到最小，毛坯38可被体积性地控制(即，可应需要，加工高度、外径和内径其中的一项或多项，使毛坯38具有预定体积)，或者毛坯38可用重量控制(即，可应需要，加工高度、外径和内径中的一项或多项，使毛坯38具有预定的重量)。

图8显示仍然在模子36和压砧30中最后完成的环形齿轮10。值得注意的是，在锻造期间，毛坯38的材料可能动态地再结晶。在此提供的例子中，形成环形齿轮10材料的晶粒大小有大约7到8 ASTM晶粒大小的再结晶晶粒大小。

当压头124将顶部模子36退回到底部模子34之上的位置，压砧30将最后完成的环形齿轮10从底部模子34排出。重要地是，环形齿轮10是同心的，而齿18是最终完成的(如图8所显示)。因此，如果需要最后加工的话，这样锻造的环形齿轮10只需要一点。而且，任何毛坯38的剩余材料都会出现在环形齿轮10的背面26，可以容易地被去除。因此，现有技术中的退火和加工等步骤可被减少甚至完全消除，自然产生显著的成本节约。一系列用来将环形齿轮装到差速器壳上的孔一般在锻造操作以后在环形齿轮的后表面42上形成。为了使加工所花的时间和产生的废物减到最小，顶部模子36可带有一些模芯棒100，在图8中以虚线代表，以在环形齿轮上形成一些盲孔。这些孔随后可以被攻丝，以便环形齿轮能容纳螺纹紧固件，用于将环形齿轮装在差速器壳上。

理想上，锻造后需要的加工是微小的，如果毛坯的重量在误差范围之内，则环形齿轮的后表面需要的加工很少或没有，除了对安装孔进行攻丝。环形齿轮齿理想上是接近最终形状，因此只需要最后的研磨以获得期望中齿轮表面的光洁度。为获得期望的齿轮齿硬度，可能有必要在研磨前感应淬火齿轮齿(或者使环形齿轮渗碳)。

虽然本发明描述了说明书并且附图参见各样的实施例，本领域的技术人员都了解，可对本发明各种的变动和修改而并不使其脱离本发明权利要求书中限定的范围。此外，在此申明混合各种的实施例之间的特征，元素和/或作用是被许可的。所以本领域的技术人员从本公开中了解，除非上面明白禁止，某一实施例中的特征，元素和/或作用是可被适当地合并到另一实施例里。而且，许多为适应特殊情况或材料的改动也是许可的，而无需离开本发明的根本范围。所以，本发明不被限制于附图中说明的特殊实施例，其为描述执行本发明的最佳方式。本发明将包括任何前面描述和后附的权利要求书中包含的所有实施例。

虽然以上说明并且描述本发明的实施例，这些实施例并不意欲说明并且描述本发明所有可能的形式。相反的，它们是用于描述而不是局限，因此是可对本发明做各种的变化和修改而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于生产包括一个表面的锻造物品的方法，该方法包括：

基于所述表面限定阴加工模型；

提供具有底部模子、顶部模子和压砧的成套工具，所述底部模子形成有上模面，该上模面与所述阴加工模型一致，所述压砧贯穿底部模子并限定一个轴线，所述底部模子和顶部模子配合限定一个型腔；

将含铁材料形成的环形毛坯预加热到锻造温度Tw，根据所述材料的熔化温度Tm选择Tw，以使同系绝对温度比例Tw/Tm在.62和.80之间；

将环形毛坯放置在压砧上并进入顶部模子和底部模子之间的型腔；和

将毛坯以大致与所述轴线平行的压制方向压在顶部模子和底部模子之间，在单次行程中形成锻造物品。

2.根据要求1的方法，其中同系温度比率是.65到.70。

3.根据要求2的方法，其中所述空心毛坯被加热到大约华氏1700度至约华氏1800度的温度。

4.根据要求1的方法，还包括选择锻造温度，以使毛坯在被锻造时，材料动态地再结晶到大约7到8ASTM晶粒大小。

5.根据要求1的方法，还包括在锻造之前在空心毛坯上涂润滑剂。

6.根据要求1的方法，其中锻造物品是最终成型或接近最终成型的。

7.根据要求1的方法，还包括形成空心毛坯，以使它与预定体积大小一致，从而控制锻造物品的重量。

8.根据要求1的方法，还包括分割管状金属坯料以产生空心毛坯。

9.根据要求1的方法，还包括从锻造物品与所述表面相对的第二表面上去掉一定量的剩余材料。

10.根据要求1的方法，其中所述空心毛坯为环形。

11.根据要求1的方法制作的锻造物品。

12.一种用于生产环形齿轮的方法，所述环形齿轮包括具有齿的表面，所述方法包括：

基于此表面限定阴加工模型；

提供具有底部模子、顶部模子和压砧的成套工具，所述底部模子形成有与所述阴加工模型一致的上模面，所述压砧贯穿底部模子并限定一个轴线，所述底部模子和顶部模子配合限定型腔；

将含铁材料形成的环形毛坯预加热到锻造温度Tw，根据所述材料的熔化温度Tm选择Tw，以使同系绝对温度比例Tw/Tm在.62和.80之间；

将一个环形毛坯放置在压砧上并进入在顶部模子和底部模子之间的型腔；和

将毛坯以大致与所述轴线平行的方向压在所述顶部模子和底部模子之间，以形成所述环形齿轮。

13.根据要求12的方法，其中所述同系温度比率是.65到.70。

14.根据要求13的方法，其中所述空心毛坯被加热到大约华氏1700度至约华氏1800度的温度。

15.根据要求12的方法，还包括在所述空心毛坯被压制时，使所述空心毛坯的材料动态地再结晶到大约7到8ASTM的晶粒大小。

16.根据要求12的方法，还包括在空心毛坯上涂润滑剂。

17.根据要求12的方法，其中所述环形齿轮是最终成型的或近似最终成型的。

18.根据要求12的方法，还包括形成空心毛坯，以使它与预定体积大小相一致，从而控制环形齿轮的重量。

19.根据要求12的方法，还包括在锻造压制操作中形成一系列的流体孔。

20.根据要求12的方法制作的环形齿轮。

Images