专利名称：锻造方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种锻造伞齿轮、特别是锻造盆形齿轮的方法和装置。虽然本发明的实施例针对于用于机动车辆的驱动轴的盆形齿轮，然而本发明的方法也适用于生产其它类型的伞齿轮。
背景盆形齿轮和小齿轮是众所周知的，它们常用于动力传递应用。盆形齿轮和小齿轮具有多种众所周知的齿形式，包括直线型、螺旋型和准双曲面型。
已知的机动车辆的直角驱动轴通常采用包括有主动小伞齿轮和从动盆形齿轮的齿轮组。这些齿轮组通常为准双曲面型或螺旋型。用于机动车辆的直角驱动轴的齿轮组必须制成具有很高的精度、表面光洁度和无噪音的运转。这些齿轮的设计和操作在现有技术中已众所周知。
准双曲面的盆形齿轮可被根切，这意味着当沿齿轮轴线的方向观看齿轮表面时，不可能看到所有的齿面或齿根。锻造根切齿轮是很难的，这是因为锻造齿轮在其从模具中顶出时必须旋转。
传统上说，尤其是用于车辆的直角驱动轴的盆形齿轮的制造始于无齿的锻造毛坯，其必须被修整以去除大量的毛边。然后对安装面、安装孔和除齿之外的其它表面进行机加工。然后采用特殊的齿轮切削机床来切削齿。然后对齿轮进行淬火，并用配对的小齿轮来研磨以进行精加工。
研磨涉及在轮齿上具有研磨膏时使齿轮组在载荷下运转。研磨与机加工工艺如磨削的不同之处在于，研磨不采用任何刀具或磨轮。研磨提高了齿轮之间的表面接触，所形成的环形齿轮和小齿轮通常保持为配套组件。与机加工工艺如磨削相比，研磨只去除非常少的材料。研磨实质上只提高齿面的表面光洁度和接触区域，并且实际上不会改变轮齿的形状或精度。这种方法的一个缺点在于，切削齿的加工需要大量的时间，因此对大批量生产来说需要许多昂贵的专用齿轮切削机床。而且，切削刀具的寿命较短，并且替换和重新磨光均较昂贵。另一缺点在于，修整锻造毛坯和切削齿浪费了大量的材料。制造小伞齿轮也使用类似的工艺。
为了缩短机加工，已经尝试了锻造盆形齿轮。美国专利No.4856167(Sabroff等人)公开了一种几乎准确地锻造盆形齿轮的方法。此方法包括下述步骤热锻基本上环形的环锻预制件，将此预制件环锻成具有基本上矩形截面的锻造毛坯环，然后将所述环锻造成几乎准确的环形齿轮锻件。几乎准确形状的锻造在轮齿上留下了机加工余量，这是因为所述锻造工艺无法锻造成用于车辆驱动轴的准双曲面盆形齿轮所需的最终尺寸。这种方法的一个缺点在于，齿轮必须采用磨削工艺进行精加工，这是因为所述热锻工艺的精度不足，无法形成尺寸精准的轮齿。热锻的其它缺点包括在锻件表面形成有鳞刺，以及钢会发生脱碳。磨削需要昂贵的专用机床，而在磨削之后仍需要进行研磨，以提供尤其是轻载车辆所需的光洁度。这种方法的另一缺点是由于需要修整操作来制造环形毛坯，因此仍会浪费金属。这种方法的另一缺点在于通过锻造、修整和环锻来生产环形毛坯的上述复杂工艺。
美国专利No.2713277(Kaul)公开了一种在闭合模具中从钢环形毛坯中几乎准确地冷锻盆形齿轮的方法。这种方法的缺点在于，采用冷锻会尤其在锻造轮齿中产生相当大的加工硬化和残余应力，它们会后续淬火中释放出来，从而导致过度变形。这意味着必须提供余量以用于后续的精磨。另一缺点是需要采用昂贵的专用机床的磨削以在淬火后精加工齿，还可能需要后续的研磨以实现尤其是轻载车辆所需的光洁度。磨削工艺必须能够去除任何产生于齿端的毛边，毛边是由于此专利所公开的锻造装置的设计而引起的。这意味着与不存在毛边的情况相比，磨削工艺必须使用较慢的进给和处理较高的载荷。所公开的模具装置的缺点在于，环形齿模具具有敞开的齿外端。由于环形齿模具和相邻中心孔之间的滑动和冷锻的高压增大了环形齿模具和相邻中心孔之间的间隙，因此这可允许产生微小的毛边。这种毛边的形成随模具的磨损而恶化。齿模具的端部敞开的另一缺点在于，模具中的齿形式不具有足够的侧面支撑，它们在锻造期间可能会变形或断裂。在锻造螺旋和准双曲面齿轮时，在锻造期间齿的各侧上的力不均匀，因此会存在问题。齿模具的端部敞开的其它缺点包括，模具会快速磨损，并且在成形齿端时会受到限制。这种模具的另一缺点在于，并未提供任何装置来释放锻造后的根切准双曲面齿轮。
Honda Motor有限公司的日本专利出版物No.4-210839公开了一种用于将根切环形齿轮在锻造后从模具中顶出的模具装置。顶出冲头与形成于厚毛边中的从锻造齿轮的内直径向内突出的突起相接合，从而在从模具中取出齿轮时使齿轮旋转。这种模具装置的一个缺点在于，锻造型腔敞开，因此形成了大量会浪费材料的毛边，包括含有将在之后被加工掉的接合突起的毛边。敞开模具的另一缺点在于，无法足够精确地控制锻造以消除后续的机加工。
由于如上所述的锻造环形齿轮的现有技术的方法存在着缺点和局限，因此，尽管齿轮切削是成本高且效率低的工艺，然而传统的齿轮切削方法仍是生产盆形齿轮和小齿轮的最常用的方法。
本发明通过提供用于锻造这些齿轮的方法和装置来改进了伞齿轮、尤其是准双曲面和螺旋型盆形齿轮的制造。
发明概要在第一方面，本发明包括一种用于生产盆形齿轮的方法，其包括步骤在锻造模具中无毛边式地温锻环形毛坯，生产出具有精密锻造齿的盆形齿轮；对齿进行淬火操作；然后通过用配对的小伞齿轮来研磨所述齿，从而不通过机加工就完成齿的精加工。
最好，采用精密锻造齿作为机加工盆形齿轮的安装表面的基准。
在一个实施例中，配对的小伞齿轮最好与研磨后的盆形齿轮装配起来，以形成配套的齿轮组。或者，在另一实施例中，配对的小伞齿轮为标准齿轮，其用于研磨超过一个盆形齿轮。
在一个实施例中，盆形齿轮最好是准双曲面盆形齿轮。或者，在另一实施例中，盆形齿轮为螺旋型盆形齿轮。
盆形齿轮可被根切。当盆形齿轮从锻造模具中顶出时其可进行旋转。
环形毛坯最好为圆柱形环。圆柱形环最好从管材中切成。
锻造最好采用能量型压力机来进行。
在第二方面，本发明包括一种用于在压力机中从环形毛坯中锻造盆形齿轮的模具装置。此模具装置包括可沿纵向轴线相对朝向地运动的第一和第二组件。第一组件具有第一支承、环形齿型腔和顶出冲头，环形齿型腔和顶出冲头具有与纵向轴线重合的公共轴线。环形齿型腔由第一支承支撑，其形状与盆形齿轮的齿形状相对应，并朝向第二组件。顶出冲头可沿纵向轴线相对于第一支承运动，并具有从第一支承中突出的头部。本发明的特征在于，顶出冲头的至少一部分头部的形状与盆形齿轮的至少一部分中心孔的形状相对应。第二组件具有第二支承、环形冲头和环形模具件，环形冲头和环形模具件具有与纵向轴线重合的公共轴线。环形模具件可沿纵向轴线相对于第二支承运动，环形模具件的至少一部分形状与盆形齿轮的至少一部分外表面的形状相对应。环形冲头由第二支承支撑，环形冲头的至少一部分形状与盆形齿轮的至少一部分背面的形状相对应。其中，在模具装置的操作期间，环形毛坯置于模具装置中，第一和第二组件相对朝向地运动，直到将环形毛坯锻造成盆形齿轮的形状为止。
最好，在模具装置的至少一部分操作期间，偏压装置朝向第一组件推动环形模具件，环形模具件与第一组件接触。
在一个实施例中，偏压装置最好包括高压液压流体，其作用在与环形模具件相连的活塞上。在一个实施例中，液压流体最好容纳在以活塞作为其部分表面的腔内，并设置成使得在模具装置的操作期间，环形模具件相对于第二支承的运动可减小腔的容积。最好通过限制从腔中流出的液压流体来在液压流体中产生压力。最好用阀来限制液压流体从腔中流出，阀的开度可作为第一和第二组件之间的距离的预定函数而变化。或者，在另一实施例中，液压流体无法从腔中逸出，压力通过在模具装置的操作期间压缩腔内的液压流体来产生。或者，在另一实施例中，偏压装置包括至少一个作用在环形模具件上的弹簧。
在一个实施例中，顶出冲头最好可作为顶出冲头相对于第一支承的轴向运动的预定函数而相对于第一支承旋转。在一个实施例中，顶出冲头的头部包括至少一个凸起，在模具装置的操作期间，其可在盆形齿轮的中心孔上锻造至少一个对应的凹腔，使得盆形齿轮与头部可旋转地接合。或者，在另一实施例中，头部包括至少一个凹腔，在模具装置的操作期间，其可在盆形齿轮的中心孔上锻造至少一个对应的凸起，使得盆形齿轮与头部可旋转地接合。
在另一实施例中，环形齿型腔最好可绕纵向轴线相对于第一支承旋转。第一组件最好还包括旋转装置，以便在模具装置的操作期间以受控方式旋转环形齿型腔。
在一个实施例中，环形齿型腔的形状最好与准双曲面盆形齿轮的齿形状相对应。或者，在另一实施例中，环形齿型腔的形状与螺旋盆形齿轮的齿形状相对应。
在第三方面，本发明包括一种生产伞齿轮的方法，所述伞齿轮包括安装表面，所述方法包括步骤在锻造模具中无毛边式地温锻毛坯，生产出具有精密锻造齿的伞齿轮；对齿进行淬火操作；然后通过用配对的伞齿轮来研磨所述齿，从而不通过机加工就完成齿的精加工。在一个实施例中，伞齿轮最好为盆形齿轮。或者，在另一实施例中，伞齿轮为小伞齿轮。或者，在另一实施例中，伞齿轮为准双曲面小伞齿轮。
附图简介下面将参考附图来介绍本发明
图1，2和3显示了典型的已根切的成品准双曲面盆形齿轮。图1显示了图2的剖面I-I。图3显示了图1的剖面III-III。
图4，5和6显示了典型的未根切的成品准双曲面盆形齿轮。图4显示了图5的剖面IV-IV。图6显示了图4的剖面VI-VI。
图7示意性地显示了根据本发明的制造盆形齿轮的方法。
图8，9，10和11显示了用于通过本发明来锻造盆形齿轮的典型环形毛坯。
图12，13和14显示了典型的锻造盆形齿轮。图12显示了图13的剖面XII-XII。图14显示了完成锻造齿轮所需的典型机加工。
图15，16和17显示了典型的锻造盆形齿轮，在其内台阶上具有凸出部分。图15显示了图16的剖面XV-XV。图17显示了完成锻造齿轮所需的典型机加工，在齿轮的内台阶上具有凸出部分。
图18显示了从模具中顶出根切的盆形齿轮。
图19显示了从模具中顶出未根切的盆形齿轮。
图20显示了根据本发明的用于锻造盆形齿轮的模具装置的第一实施例。
图21到27显示了根据本发明的模具装置的第一实施例的操作。
图28和29显示了根据本发明的卸料装置。
图30显示了根据本发明的用于锻造盆形齿轮的模具装置的第二实施例。
图31显示了根据本发明的用于锻造盆形齿轮的模具装置的第三实施例。
图32和33显示了根据本发明的用于锻造盆形齿轮的模具装置的第四实施例。
图34显示了根据本发明的用于锻造盆形齿轮的模具装置的第五实施例。
图35显示了根据本发明的用于锻造盆形齿轮的模具装置的第六实施例。
图36，37和38显示了根据本发明的用于锻造盆形齿轮的模具装置的第六实施例的操作。
实施发明的方式本发明将主要针对用于机动车辆的直角驱动轴的准双曲面盆形齿轮来进行介绍，应当清楚地理解，本发明同样适用于具有其它齿形如直线齿或螺旋齿的伞齿轮，本发明同样适用于其它应用的盆形齿轮。本发明的方法也适用于生产其它类型的伞齿轮，例如小齿轮。
图1，2和3显示了机动车辆直角驱动轴的已完成的典型根切准双曲面盆形齿轮1。齿轮1包括安装中心孔3、处于齿轮1背面的安装面4、带螺纹的安装孔5、轮齿6、锥形外表面8、内台阶9和锥形内表面10。轮齿6包括齿面12和13、齿根14、齿尖15、内端16和外端17。安装中心孔3和安装面4是齿轮的安装表面。本发明的方法和装置也适用于与如图1所示的形状有些不同的盆形齿轮，例如具有圆柱形外表面而不是锥形外表面8的齿轮，或者是不具有内台阶9的齿轮。
准双曲面盆形齿轮可被根切，这意味着当沿齿轮轴线方向来看齿轮表面时，无法看到所有的齿面或齿根。这种情况由图3来说明，其显示了根切齿轮1的齿6的侧视图。当齿轮轴线18的方向来看齿轮1的表面时，无法看到齿面13。然而可以看到齿面12。
图4，5和6显示了机动车辆直角驱动轴的已完成的典型未根切准双曲面盆形齿轮2。除齿6的形状之外，未根切齿轮2与根切齿轮1均相同。图6显示了未根切齿轮2的齿6的侧视图。在这种情况下，当沿齿轮轴线18的方向来看齿轮2的表面时，可以看到所有的齿面12和13。
图7示意性地显示了锻造盆形齿轮以使其足够精密来使轮齿6所需的唯一精加工是用配对小齿轮进行研磨的方法。图7所示方法的顺序是环形毛坯操作27、精密锻造操作30、淬火操作31、机加工操作32和研磨操作26。
操作27提供了环形毛坯，其最好由用于锻造的适当钢材制成。操作27所提供的环形毛坯的体积等于在图12和13中所示的锻造齿轮39的体积。环形毛坯最好是如图8所示的圆柱形环状毛坯35。圆柱形环状毛坯35具有与毛坯轴线46垂直的端面45、具有恒定半径的内中心孔47，以及具有恒定半径的外表面48。使用圆柱形环状毛坯35的优点是，它可以通过切开管形坯料来容易且精确地制造。最好对管形坯料进行挤压以得到均匀的晶粒流动。或者，如果锻造齿轮的尺寸需要另一种形状以在锻造期间帮助材料流动的话，环形毛坯可具有其它的形状。在图9，10和11中显示了其它形状的毛坯的例子。图9所示的特殊形状的切下毛坯36是从管形坯料中机加工出的更复杂形状的例子，其中此形状设计成可在锻造期间优化材料流动，如果需要的话。毛坯36比圆柱形毛坯35更不优选，这是因为生产毛坯36更复杂且浪费了材料。图10所示的平行四边形毛坯37可用于提高材料流动，如果需要的话。毛坯37无法设计成与特殊形状的切下毛坯36具有相同优化的材料流动，然而它具有可从管形坯料中切下来并不造成浪费的优点。图11所示的锻造毛坯38通常可通过锻造操作从圆柱形环状毛坯35中得到。锻造毛坯38的形状设计成可在锻造期间优化材料流动，如果需要的话。毛坯38比圆柱形毛坯35更不优选，这是因为它需要额外的锻造操作，然而毛坯38具有与特殊形状的切下毛坯36相比不产生废料的优点。
操作30将环形毛坯锻造成盆形齿轮，例如如图12和13所示的锻造盆形齿轮39。锻造盆形齿轮39具有成品齿轮的大致外尺寸和精密锻造的轮齿。精密锻造的轮齿实际上具有所需的最终尺寸和形状，但对最终操作来说其表面光洁度不足。
锻造操作30最好采用闭合锻造模具来进行。适当的闭合模具装置将在下文中作为本发明的另一方面来介绍。闭合模具意味着一旦在锻造期间金属变形开始，那么环形毛坯就完全地限制在闭合的型腔内，锻造是无毛边的，这意味着几乎没有或没有毛边形成。采用闭合模具提高了锻造操作的精度，并消除了材料的浪费。
闭合模具装置具有环形齿模具，其形状大致与轮齿6的形状相对应。环形齿模具最好应为整体式模具件，其包括轮齿6的所有特征，包括齿面12和13、齿根14、齿尖15、内端16和外端17。这允许精密地锻造出轮齿6，包括齿面12和13以及齿端16和17之间的圆角半径。环形齿模具的另一优点是，整体式模具件包括轮齿6的所有部分，其更耐磨。整体式齿模具件的另一优点是，与具有敞开的齿端部的模具相比，为模具中的齿端提供额外的侧向支撑可抵抗模具中的齿的断裂或变形。整体式齿模具件的另一优点是，可容易地对模具齿的形状进行修正，以补偿锻造期间的收缩或偏差，或者补偿后续淬火和回火期间的变形。为了从模具中释放出轮齿6，外齿端17在从齿根14到齿尖15的部分上必须不会形成向外的锥形。
为了得到精密锻造的轮齿，锻造操作30最好在将环形毛坯加热到适于温锻的温度下进行。钢的温锻是众所周知的，通常在从600℃到800℃的温度范围内进行。与热锻相比，温锻的优点是锻造精度高，鳞刺形成减少，并且脱碳也较少。与冷锻相比，温锻的优点是锻造载荷较小，加工硬化降低，并且残余应力较小。较小的加工硬化和残余应力提高了轮齿的最终精度，这是因为在冷锻齿轮的后续淬火中，加工硬化和残余应力被释放出来而产生了变形。
在锻造操作30期间使用的压力机最好是能量型压力机如螺旋压力机，而不是固定冲程的压力机如曲柄压力机。使用能量压力机以及闭合模具允许更不精确地控制由操作27所提供的环形毛坯的体积，这是因为在锻造操作30期间，一旦闭合模具型腔被充满，能量压力机就无法使模具完全地闭合。环形毛坯27的体积偏差会导致锻造齿轮39的体积偏差。如果锻造操作30所用的模具设计成使得锻造齿轮39的体积偏差可由锻造齿轮39的尺寸偏差来调节的话，那么这不存在问题，锻造齿轮39进行了后续机加工，例如加工出如图12所示的背面41。使用曲柄压力机的另一缺点是，它会使模具件和锻造齿轮39之间的接触时间较长，这使得产生了从锻造齿轮39到模具件的更多传热，并且可能需要随后对模具进行冷却。
如果正在锻造的盆形齿轮未被根切，例如如图4，5和6所示的未根切齿轮2，那么锻造齿轮无须旋转就可从环形齿模具42中顶出，如图19所示。如果正在锻造的盆形齿轮被根切，例如如图1，2和3所示的根切准双曲面盆形齿轮1，那么锻造齿轮在从环形齿模具43中顶出时必须旋转，如图18所示。
如果锻造齿轮39被根切，那么用于锻造操作30的模具装置最好包括用于使锻造齿轮39在从环形齿模具中顶出时如图18所示地旋转的装置。这最好通过模具装置中的顶出冲头来实现，顶出冲头与锻造齿轮39上的特征构件摩擦式地相接合，这些特征构件例如为锻造中心孔40、内台阶9或内锥形表面10，如图12所示。包括这种顶出冲头的模具装置将在下文中作为本发明的另一方面来介绍。或者，在锻造操作30期间，在锻造齿轮39的内台阶9上锻造出一个或多个凸起44，如图15和16所示。凸起44最好由模具装置的顶出冲头上的台阶中的对应凹腔来形成，其将在下文中作为本发明的另一方面来介绍。在从环形齿模具中顶出锻造齿轮39的过程中，顶出冲头与凸起44相接合，并在将其从模具中顶出时旋转锻造齿轮。如果需要的话，凸起44可在机加工操作32期间加工掉，如图17所示，在图中实线表示成品齿轮1，虚线表示锻造齿轮39。
操作31至少对锻造齿轮39的轮齿6进行淬火。也可采用脱碳、感应淬火或一些其它使钢硬化的方法。最好只对轮齿6进行淬火，这是因为这可使安装面和孔的后续机加工更容易。通常安装面和孔不需要淬火，这是因为它们不会产生运动接触。最好锻造齿轮39安装在夹具内，以防止在淬火操作31的过程中发生变形。
图14显示了将对锻造齿轮39进行的典型机加工量，实线显示了成品齿轮1，虚线显示了锻造齿轮39。如果需要的话，锻造齿轮39的锻造中心孔40可形成为锥形，以帮助从模具中顶出。作为最少的情况，只有安装面4、孔5和中心孔3需要在锻造后进行机加工。如果需要的话也可对其它表面进行机加工。操作32采用轮齿6作为基准来加工安装面4、孔5、中心孔3，如果需要的话还可加工其它表面。这可通过采用轮齿6来定位锻造齿轮39的机加工夹具来实现。通过在机加工操作32之前进行淬火操作31可以使轮齿6硬化，使得在机加工期间将齿6用于定位锻造齿轮39时齿6不会损坏，并且机加工表面不会因后续淬火而产生变形。
操作26通过用配对小齿轮进行研磨而完成了齿轮1。研磨操作26实际上只提高齿面13和12的表面光洁度，并且基本上不会改变轮齿6的形状或精度。用于研磨的配对小齿轮通常与成品环形齿轮1保持在一起，以形成配对的齿轮组。或者，研磨可用标准小齿轮来进行，其用于研磨超过一个环形齿轮。
图20显示了用于锻造盆形齿轮、例如图12和1 3所示的锻造盆形齿轮39的模具装置的第一实施例。模具装置51可进行精密锻造操作30，以便生产出如图19所示的无须旋转就可从模具顶出的那种类型的锻造盆形齿轮，例如未根切的盆形齿轮。
模具装置51包括上模具组件52和下模具组件53。上模具组件52连接到可动压板54上，而下模具组件53连接到固定压板55上。
上模具组件52包括上支承56、环形冲头57、独立的可动环形模具件58、环形活塞59和压力控制装置60。环形冲头57固定在上支承56上。环形冲头面77与锻造齿轮39的背面41的大小和形状相对应。环形模具件58与环形冲头57同轴。环形模具件58的中心孔包括圆柱形内表面78和内锥形表面79。内圆柱形表面78具有与环形冲头的外圆柱形表面75为最小的间隙。内锥形表面79与锻造齿轮39的锥形外表面8的大小和形状相对应。环形模具件58可轴向运动并与轴向偏压装置相连，在这种情况下，轴向偏压装置为环形活塞59。环形模具件58和环形冲头57在过度磨损时可被更换。形成于上支承56内的腔61可容纳液压流体62。压力控制装置60包括供应口68、止回阀69、可调减压阀70以及到油箱端口的回路71。
下模具组件53包括下支承63、顶出冲头64和环形齿模具65。齿模具65包括环形齿型腔66，其成形为与锻造齿轮39的轮齿6的形状相对应。齿模具65为整体式模具件，其包括轮齿6的所有特征，包括齿面12和13、齿根14、齿尖15、内端16和外端17。整体式齿模具件的优点在本发明的第一方面已进行了介绍。齿模具65在过度磨损时可以更换。齿模具65还包括处于齿型腔66附近的锥形表面87，其大小和形状对应于锻造齿轮39的内锥形表面10。顶出冲头64的轴线与齿模具65的轴线重合。顶出冲头64可通过作用在与顶出冲头64的端部相连的杆74上的未示出的促动器而轴向运动。环形冲头57的轴线与齿模具65的轴线重合。顶出冲头的头部83具有上方圆柱形表面84，其光滑地过渡到下方的稍微锥形的表面85。表面85为锥形，以帮助从顶出冲头64中释放出锻造齿轮，然而它也可以是圆柱形。锥形表面85的大小和形状对应于锻造齿轮39的中心孔40。顶出冲头的头部台阶86处于锥形表面85之下，其大小和形状对应于锻造齿轮39的内台阶9。顶出冲头的头部台阶86可以被另一特征部分例如第二锥形表面来代替，只要此特征部分在顶出冲头头部83的底部处具有其最大直径。上圆柱形表面84具有距环形冲头的内圆柱形表面76为最小的间隙。
下面将参考图21到27来介绍模具装置51的操作。首先参见图21，采用未示出的装载机构将环形毛坯例如圆柱形环状毛坯35放置在下模具组件53中。环形毛坯通常被预加热到适于温锻的温度。采用未示出的外部泵并经供应端口68来在腔61中填充液压流体62。止回阀69、减压阀70和活塞密封件72可保证流体62不会从腔61中流出。板73将环形活塞59固定在上模具支承56上。
再参见图22，促动压力机以使压板54和上模具组件52向下运动，直到环形模具件58的端面80与齿模具65的上表面81接触而形成了闭合的模具型腔82为止。在这一阶段，圆柱形环状毛坯35尚未发生任何变形。闭合模具型腔82的边界包括环形冲头的表面77、环形模具件的内圆柱形表面78、环形模具件的内锥形表面79、环形齿型腔66、齿模具的锥形表面87、顶出冲头的头部台阶86、顶出冲头的头部锥形表面85以及顶出冲头的头部圆柱形表面84。环形模具件58和环形冲头57之间、环形冲头57和顶出冲头头部83之间的最小间隙防止了在锻造期间形成毛边。
再参见图23，继续促动压力机直到模具装置51完全地闭合，这可生产出锻造盆形齿轮39。当模具完全地闭合时就形成了闭合的模具型腔，其具有与锻造盆形齿轮39相同的形状和大小。闭合模具型腔的边界包括环形冲头的表面77、环形模具件的内锥形表面79、环形齿型腔66、齿模具的锥形表面87、顶出冲头的头部台阶86以及顶出冲头的头部锥形表面85。在锻造期间，环形模具件58保持与齿模具的上表面81相接触。这就要求液压流体62具有作用在活塞59上的足够压力，以抵抗由载荷矢量88所示的施加在环形模具件58的锥形表面79上的锻造载荷。流体62中的足够压力由减压阀70来实现，其可控制流体62经端口71流回到外部油箱中，如箭头89所示。减压阀70包括弹簧90和杆91。减压阀70打开时的压力和流体62的压力很大程度上由弹簧90的预加载决定。为了将由流经减压阀70的流体62所损失的能量降至最小，流体62中的高压只在锻造的最后阶段中产生，这是在模具装置51完全地闭合之前的上模具组件52的向下冲程中的最后一部分，在此期间在锻造材料中产生高压。这可通过可改变弹簧90的预加载的杆91来实现。在锻造的最后一个阶段中，杆91与连接在下支承63上的止动件92相接触。随着模具继续闭合，弹簧90的预加载逐渐地增大到最大值，因此流体62中的压力在模具完全地闭合时逐渐增大到最大值。减压阀70可由更简单的定压减压阀来代替，其可起相同作用但效率更低。
如果环形毛坯锻造成具有大于闭合模具型腔的体积，那么独立的可动环形模具件58还可防止对模具装置51的损伤。如果在锻造期间闭合模具型腔被充满但压力机冲程并未完成，那么环形模具件58会被迫上升，允许在它和齿模具的上表面81之间形成毛边，防止了产生非常大的锻造压力。
接着参见图24，模具装置51打开，锻造齿轮39通过顶出冲头64从齿模具65中顶出。顶出冲头64通过促动器向上运动，例如与杆74相连的液压缸。顶出冲头64将锻造齿轮39附带在顶出冲头的头部台阶86上。一旦模具装置51打开，腔61就由未示出的外部泵并经供应端口68和止回阀69来再填充液压流体62。
接着参见图25，卸料装置93移动到顶出冲头64的周围并处于锻造齿轮39之下。卸料装置93安装在未示出的机械手或类似机构上。卸料装置93如图28和29所示。半圆形部分94a和94b可绕枢轴95a和95b旋转。促动器96a和96b使半圆形部分94a和94b旋转。图28中的实线显示了卸料装置93处于其闭合位置，而图28中的虚线显示了卸料装置93处于其打开位置。当卸料装置93运动到如图25所示的位置时，其处于打开位置以便可从顶出冲头64中通过。一旦卸料装置93就位，促动器96a和96b使半圆形部分94a和94b旋转到闭合位置。卸料装置的下表面97靠在齿模具的上表面81上。
接着参见图26，顶出冲头64下降，使得锻造齿轮39传送到卸料装置93上。卸料装置93包括形成于半圆形部分94a和94b上的锥形表面98a和98b，如图28和29所示。锥形表面98a和98b将锻造齿轮39支撑在锻造齿轮的内锥形表面10上。这用于防止轮齿6的变形，如果卸料装置93将锻造齿轮39支撑在轮齿6上就会产生这种变形。将锻造齿轮39从顶出冲头64的头部83上取下来所需的卸料装置93上的载荷通过卸料装置的下表面97而传递到齿模具的上表面81上，因此装有卸料装置93的机械手或类似机构不承受载荷。
最后参见图27，卸料装置93从模具装置51上取走锻造齿轮39，锻造工艺结束。
如果需要的话，模具装置51可以反过来，使得上模具组件52连接在固定压板55上，并且下模具组件53连接在可动压板54上。在这种操作模式下，环形毛坯如圆柱形环状毛坯35置于上模具组件52而不是下模具组件53中。这种模式下的模具装置51的操作与上述介绍基本上相同，不同之处在于，未示出的卸料装置93的替代件必须设置成可防止锻造齿轮39在从齿模具65中顶出之后从倒转的下模具组件53中掉出来。
图30显示了用于锻造盆形齿轮的模具装置的第二实施例。模具装置99进行精密锻造操作30，以生产出如图18所示的在从模具中顶出时必须旋转的那种类型的锻造盆形齿轮，例如已根切的准双曲面盆形齿轮。模具装置99与模具装置51大致相同，不同之处在于，在顶出冲头64的下端设置了另外的一个或多个螺旋突出部100，它们可在形成于固定在下支承63上的衬套101中的相应螺旋槽内滑动。在顶出冲头64向上运动以将锻造齿轮39从齿模具65中顶出时，螺旋槽100和衬套101迫使顶出冲头64和锻造齿轮39以预定的方式旋转，使得可从齿型腔66中释放出轮齿6而不会造成干涉或损伤。由于在锻造齿轮的中心孔40和顶出冲头的头部锥形表面85之间存在着摩擦接触，因此锻造齿轮39将具有与顶出冲头64相同的旋转运动。可采用除螺旋槽以外的其它装置来控制顶出冲头64的旋转。
图31显示了用于锻造盆形齿轮的模具装置的第三实施例。模具装置102进行精密锻造操作30，以生产出如图18所示的在从模具中顶出时必须旋转的那种类型的锻造盆形齿轮，例如已根切的准双曲面盆形齿轮。模具装置102与模具装置99大致相同，不同之处在于，在顶出冲头的头部台阶86的上边缘中形成了另外的一个或多个凹腔103。在锻造期间，凹腔103在锻造齿轮39的内台阶9上形成了对应的凸起44，如图15和16所示。在从齿模具65中顶出锻造齿轮39的过程中，凸起44与凹腔103相接合，使得齿轮39被迫与顶出冲头64一起旋转，保证轮齿6可从齿型腔66中释放出来且不会造成干涉或损伤。可在锻造齿轮39的内台阶9上形成除凸起之外的其它特征构件，以便使齿轮39与顶出冲头64旋转式地接合。
图32和33显示了用于锻造盆形齿轮的模具装置的第四实施例。模具装置104与模具装置51大致相同，不同之处在于，压力控制装置60由滑阀压力控制装置105代替。压力控制装置105包括滑杆106、弹簧107、端口108和腔109。当模具装置104如图32所示地打开时，滑杆106打开，这意味着滑杆颈111与通道112大致对齐。在此位置中，腔61和109通过未示出的外部泵并经端口108来填充液压流体62。
图33显示了处于完全闭合位置的模具装置104，这是锻造冲程的结束。与模具装置51一样，在锻造期间环形模具件58与齿模具的上表面81保持接触。这需要液压流体62具有作用在活塞59上的足够压力，以抵抗由载荷矢量88所示的施加在环形模具件58的锥形表面79上的锻造载荷。为了提高效率，流体62中的高压只在锻造的最后阶段中产生，这是在模具装置51完全闭合之前的上模具组件52的向下冲程中的最后一部分，在此期间在锻造材料中产生高压。这可通过滑杆106与连接在下支承63上的止动件110相接触来实现。这会使滑杆106向上运动，从而逐渐地闭合了通道112。随着通道112的闭合，流体62中的压力增大，这是因为滑杆106限制了流体62经通道112和端口108流回到油箱中。在锻造的最后阶段中的某一时间点处，滑杆106完全地闭合了通道112，如图33所示。从这一时间点到模具完全地闭合为止，腔61和109中的流体62被腔61内的活塞59的相对运动而在体积上被压缩。在此压缩期间流体62中的压力升高取决于流体62的可压缩性以及腔61和109的组合体积。
图34显示了用于锻造盆形齿轮的模具装置的第五实施例。模具装置113与模具装置51大致相同，不同之处在于，作用在环形模具件58上的偏压装置包括作用在活塞59上的弹簧114而不是液压流体62。这一实施例的优点在于简单，然而其缺点是缺乏控制性，并且需要足够坚固的弹簧。
图35显示了用于锻造盆形齿轮的模具装置的第六实施例。模具装置115与模具装置51大致相同，不同之处在于，齿模具65由可旋转的平台116支撑并与之相连。可旋转的平台116可绕顶出冲头64的轴线旋转并由滚柱轴承117支撑。可以采用其它类型的轴承，例如油膜轴承。顶出冲头64仍可轴向运动，但其通过键118而不可旋转。在可旋转的平台116上连接了扇形齿轮119。可控制的旋转促动器121如伺服电动机以使齿轮120旋转，其与扇形齿轮119相啮合以使平台116和齿模具65旋转。在锻造冲程期间，齿模具65旋转以帮助材料流动，并防止模具齿断裂，在锻造根切盆形齿轮时尤其如此。这由图36，37和38显示。图36显示了在锻造开始时圆柱形毛坯35靠在环形齿模具65上。图37显示了在锻造冲程的大致中间时的圆柱形毛坯35和齿模具65。图38显示了在锻造冲程的最后模具完全闭合时的锻造齿轮39和齿模具65。在这种情况下，齿模具的齿122不对称，这意味着齿模具的齿面123比齿模具的齿面124更陡峭。与图37和38不同，如果齿模具65在锻造期间不旋转，那么齿模具的齿面124上的锻造载荷将高于更陡峭的齿模具的齿面123上的载荷，这使得齿模具的齿122断裂或过度变形，或者使齿模具的填充不完全。齿模具的旋转量由旋转促动器121控制，其为上模具组件52的向下运动的函数。可在环形冲头的表面77上设置凸起125，以抵抗锻造期间圆柱形毛坯35的旋转。凸起125的大小对应于成品盆形齿轮1的安装孔5，以便减少精加工孔5所需的机加工量。
模具装置115还可用于从齿模具65中释放出根切齿轮，这是通过在顶出冲头64顶出锻造齿轮时使齿模具65旋转来实现的。在顶出期间，键118可防止顶出冲头64旋转。
在另一未示出的实施例中，可对模具装置115进行改进，省略扇形齿轮119和可控制的旋转促动器121，使得在锻造操作期间齿模具65可自由地旋转。这可使齿模具由锻造力作用而旋转，使得模具齿中的压力最小。
虽然上述实施例的模具装置适于无毛边式地温锻具有精密锻造齿的盆形齿轮，然而此装置也适用于在其它温度下锻造盆形齿轮，和/或锻造随后还需要对轮齿进行精加工的盆形齿轮。
应当理解，虽然在上述实施例中所介绍的锻造盆形齿轮的方法针对于生产盆形齿轮，然而此方法也可用于锻造其它类型的伞齿轮，例如小伞齿轮和准双曲面的小伞齿轮。小伞齿轮与盆形齿轮类似，但小伞齿轮具有从齿轮中心延伸出的轴向杆而不是中心孔。杆通常用于驱动齿轮组和安装支撑轴承。
锻造小伞齿轮的方法与图7示意性显示的方法类似，然而提供了实心毛坯而不是环形毛坯，机加工不同的安装表面，并且用配对伞齿轮研磨锻造的小伞齿轮。实心毛坯最好是实心的钢柱。锻造操作通常对柱体的一个端部进行镦锻，使其膨胀到具有与小伞齿轮的齿形状相对应的形状的模具中。或者，实心毛坯可包括在其一端的轴和在其另一端的较大直径的锥形头部，齿在锥形头部端进行锻造，以便降低锻造期间的材料流动量。采用齿作为基准来加工的安装表面通常最小为杆的外径，以及可对齿轮进行轴向定位的齿轮上的特征构件，例如小伞齿轮的背面。
上述实施例中所介绍的模具装置不适于锻造小伞齿轮，这是因为这种模具装置只适于从环形毛坯中锻造齿轮。
对本领域的技术人员来说很明显，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明的方法和装置进行大量的变化和修改。
权利要求
1.一种用于生产盆形齿轮的方法，所述盆形齿轮包括安装表面，所述方法包括步骤在锻造模具中无毛边式地温锻环形毛坯，生产出具有精密锻造齿的盆形齿轮；对所述齿进行淬火操作；然后通过用配对的伞齿轮来研磨所述齿，从而不通过机加工就完成所述齿的精加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述精密锻造齿作为机加工所述盆形齿轮的安装表面的基准。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配对的小伞齿轮与研磨后的所述盆形齿轮装配起来，形成配套的齿轮组。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配对的小伞齿轮为标准齿轮，其用于研磨超过一个盆形齿轮。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盆形齿轮为准双曲面盆形齿轮。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盆形齿轮为螺旋型盆形齿轮。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盆形齿轮可被根切。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盆形齿轮在从所述锻造模具中顶出时进行旋转。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环形毛坯为圆柱形环。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述圆柱形环从管材中切成。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无毛边式的温锻采用能量型压力机来进行。
12.一种用于在压力机中从环形毛坯中锻造盆形齿轮的模具装2置，所述模具装置包括可沿纵向轴线相对朝向地运动的第一和第二组件，所述第一组件具有第一支承、环形齿型腔和顶出冲头，所述环形齿型腔和顶出冲头具有与所述纵向轴线重合的公共轴线，所述环形齿型腔由所述第一支承支撑，其形状与所述盆形齿轮的齿形状相对应，并朝向所述第二组件，所述顶出冲头可沿所述纵向轴线相对于所述第一支承运动，并具有从所述第一支承中突出的头部，其特征在于，所述顶出冲头的至少一部分头部的形状与所述盆形齿轮的至少一部分中心孔的形状相对应，所述第二组件具有第二支承、环形冲头和环形模具件，所述环形冲头和环形模具件具有与所述纵向轴线重合的公共轴线，所述环形模具件可沿所述纵向轴线相对于所述第二支承运动，所述环形模具件的至少一部分形状与所述盆形齿轮的至少一部分外表面的形状相对应，所述环形冲头由所述第二支承支撑，所述环形冲头的至少一部分形状与所述盆形齿轮的至少一部分背面的形状相对应，其中，在所述模具装置的操作期间，所述环形毛坯置于所述模具装置中，所述第一和第二组件相对朝向地运动，直到将所述环形毛坯锻造成所述盆形齿轮的形状为止。
13.根据权利要求12所述的模具装置，其特征在于，在所述模具装置的至少一部分操作期间，偏压装置朝向所述第一组件推动所述环形模具件，所述环形模具件与所述第一组件相接触。
14.根据权利要求13所述的模具装置，其特征在于，所述偏压装置包括高压液压流体，其作用在与所述环形模具件相连的活塞上。
15.根据权利要求14所述的模具装置，其特征在于，所述液压流体容纳在以所述活塞作为其部分表面的腔内，并设置成使得在所述模具装置的操作期间，所述环形模具件相对于所述第二支承的运动可减小所述腔的容积。
16.根据权利要求15所述的模具装置，其特征在于，通过限制从所述腔中流出的液压流体来在所述液压流体中产生压力。
17.根据权利要求16所述的模具装置，其特征在于，采用阀来限制液压流体从所述腔中流出，所述阀的开度可作为所述第一和第二组件之间的距离的预定函数而变化。
18.根据权利要求15所述的模具装置，其特征在于，所述液压流体无法从所述腔中流出，压力通过在所述模具装置的操作期间压缩所述腔内的液压流体来产生。
19.根据权利要求13所述的模具装置，其特征在于，所述偏压装置包括至少一个作用在所述环形模具件上的弹簧。
20.根据权利要求12所述的模具装置，其特征在于，所述顶出冲头可作为所述顶出冲头相对于所述第一支承的轴向运动的预定函数而相对于所述第一支承旋转。
21.根据权利要求20所述的模具装置，其特征在于，所述顶出冲头的头部包括至少一个凸起，在所述模具装置的操作期间，其可在所述盆形齿轮的中心孔上锻造至少一个对应的凹腔，使得所述盆形齿轮与所述头部可旋转地接合。
22.根据权利要求20所述的模具装置，其特征在于，所述头部包括至少一个凹腔，在所述模具装置的操作期间，其可在所述盆形齿轮的中心孔上锻造至少一个对应的凸起，使得所述盆形齿轮与所述头部可旋转地接合。
23.根据权利要求12所述的模具装置，其特征在于，所述环形齿型腔可绕所述纵向轴线相对于所述第一支承旋转。
24.根据权利要求23所述的模具装置，其特征在于，所述第一组件还包括旋转装置，以便在所述模具装置的操作期间以受控方式旋转所述环形齿型腔。
25.根据权利要求12所述的模具装置，其特征在于，所述环形齿型腔的形状与准双曲面盆形齿轮的齿形状相对应。
26.根据权利要求12所述的模具装置，其特征在于，所述环形齿型腔的形状与螺旋盆形齿轮的齿形状相对应。
27.一种生产伞齿轮的方法，所述伞齿轮包括安装表面，所述方法包括步骤在锻造模具中无毛边式地温锻毛坯，生产出具有精密锻造齿的伞齿轮；对齿进行淬火操作；然后通过用配对的伞齿轮来研磨所述齿，从而不通过机加工就完成齿的精加工。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述伞齿轮为盆形齿轮。
29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述伞齿轮为小伞齿轮。
30.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述伞齿轮为准双曲面小伞齿轮。
全文摘要
一种生产伞齿轮、尤其是盆形齿轮的方法，所述伞齿轮包括安装表面。所述方法包括步骤在锻造模具中无毛边式地温锻毛坯、优选为环形毛坯，生产出具有精密锻造齿的伞齿轮；对齿进行淬火操作；然后通过用配对的伞齿轮来研磨所述齿，从而不通过机加工就完成齿的精加工。还公开了用于在压力机中从环形毛坯中锻造盆形齿轮的模具装置。
文档编号B23P15/14GK1511069SQ02807473
公开日2004年7月7日 申请日期2002年3月28日 优先权日2001年3月29日
发明者K·J·罗斯科, A·W·哈斯塞特, K J 罗斯科, 哈斯塞特 申请人:毕晓普创新有限公司