一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法
【专利摘要】本发明公开了一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，分别将坯料和模具加热至温度大体一致，再将坯料放入模具中，然后以较小的应变速率将坯料在模具中锻压成形，经过后处理得到直齿锥齿轮；其中，所述较小的应变速率小于0.1mm/s，所述模具采用闭式模锻结构。本发明首先将坯料和模具的温度加热至相等或基本相等，避免了模具温度低于坯料的温度时产生的激冷作用，提高了坯料的塑性流动；其次，模具采用闭式模锻结构，在锻造过程中坯料承受三向压应力，有利于坯料的成形；再次，本申请采用小于0.1mm/s的应变速率使坯料单位时间的变形量小，变形充分，更有利于坯料成形。
【专利说明】
一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法
技术领域
[0001]本发明属于金属塑性成形领域，具体涉及一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法。
【背景技术】
[0002]锥齿轮是圆锥齿轮的简称，它用来实现两相交轴之间的传动，两轴交角S称为轴角，其值可根据传动需要确定，一般多采用90°。锥齿轮的轮齿排列在截圆锥体上，轮齿由齿轮的大端到小端逐渐收缩变小。由于这一特点，对应于圆柱齿轮中的各有关“圆柱”在锥齿轮中就变成了“圆柱”，如分度锥、节锥、基锥、齿顶锥等。锥齿轮的轮齿有直齿、斜齿和曲线齿等形式。
[0003]直齿锥齿轮传统的加工方法为切削加工，主要有刨齿(适合小批量，多品种直齿锥齿轮的加工且转化产品容易)和铣齿(效率较高但调整机床困难)，但是这些传统的加工方法存在很多的缺点:齿轮的弯曲强度、接触疲劳强度等力学性能降低;材料的利用率相对较低;齿轮批量生产的效率低等。
[0004]随着塑性成形技术的发展，传统的齿轮成形方法已逐渐地由冷锻、温锻、热锻等精密成形工艺所代替。虽然齿轮精锻技术经过60多年的发展已经比较成熟，但是仍然存在齿形填充不饱满、齿轮精度低、成形力高等问题。
【发明内容】
[0005]为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，可实现齿面无需二次加工，并且零件精度高、成形载荷小。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案为:
[0007]—种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，分别将坯料和模具加热至温度大体一致，再将坯料放入模具中，然后以较小的应变速率将坯料在模具中锻压成形，经过后处理得到直齿锥齿轮;其中，所述较小的应变速率小于0.lmm/s，所述模具采用闭式模锻结构。
[0008]本发明首先将坯料和模具的温度加热至相等或基本相等，避免了模具对坯料的激冷作用，提高了坯料的塑性流动;其次，模具采用闭式模锻结构，在锻造过程中坯料承受三向压应力，有利于坯料的成形;再次，本申请采用小于0.lmm/s的应变速率使坯料单位时间的变形量小，变形充分，更有利于坯料成形。
[0009]优选的，其步骤为:
[0010](I)坯料和模具的准备:对棒料钢材进行下料并进行初步处理得到坯料，然后分别将坯料和模具加热至温度大体一致，再将坯料放入模具中匀热调整模温；
[0011 ] (2)等温锻造:齿形模下行将坯料镦粗，当背锥模和齿形模封闭后，由上冲头和下冲头相对挤压坯料将模具型腔填满同时形成具有一定厚度的冲孔连皮，成形结束，脱模后即得锻件；
[0012](3)将锻件进行后处理得到直齿锥齿轮。
[0013]进一步优选的，所述步骤(I)中坯料的加热过程为，首先将坯料预热到80-120°C，喷涂商用水基石墨润滑剂，然后继续加热到锻造温度。预热是为了避免坯料直接加热到过高温度时产生裂纹，同时预热到一定的温度后有助于将润滑剂均匀喷涂在坯料外表面。
[0014]进一步优选的，所述步骤(3)的后处理包括冲孔，所述冲孔的步骤为将获得的锻件放入冲孔模中，利用余温以齿形定位冲出盲孔，然后空冷至室温。与常规的热冲孔相比，该步骤利用等温锻造的余温进行冲孔，减少了热冲孔前的加热；与常规的冷冲孔相比，该步骤的成形力较低，冲孔难度较小。
[0015]进一步优选的，所述步骤(3)的后处理包括表面清理，所述表面清理采用抛丸或者喷砂去除表面氧化皮。在生产条件较好的情况下，选用喷丸处理不仅可以去除氧化皮，还可以消除零件的残余应力，减少热处理后零件变形，提高零件表面耐磨和受压能力。而喷砂处理可以人工操作，简单易行不需要自动化的抛丸设备，也可较好地去除氧化皮。
[0016]进一步优选的，所述步骤(3)的后处理包括机加工，所述机加工包括中心孔加工和背锥球面加工，齿面无需二次加工。该步骤与其他工艺相比，减少了对锥齿轮齿面的加工，因此提高了材料的利用率和零件的生产效率。
[0017]进一步优选的，所述步骤(3)的后处理包括热处理，所述热处理包括渗碳、淬火和回火。经过热处理后可以使锥齿轮达到硬度HRC59-63，渗碳淬火深度09 ±0.1。
[0018]更进一步优选的，所述渗碳需对炉子进行分段加热，每个加热阶段的煤油和甲醇的滴入量都有所不同；
[0019]所述淬火方式采用20-40°C的油淬；
[0020]所述回火步骤为将炉温升至180°C，保温2小时后，自然冷却至室温。热处理后的锥齿轮具有较高的表面硬度、冲击韧性和心部强度。
[0021]进一步优选的，所述步骤(3)的后处理依次包括冲孔、表面清理、机加工和热处理。采用该顺序下的后处理步骤锻造的直齿锥齿轮的质量更好。
[0022]优选的，所述模具的加热装置为两个壁内绕有电阻丝的中空陶瓷筒，齿形模和背锥模分别固定在两个中空陶瓷筒内。
[0023]优选的，保温装置采用硅酸铝纤维棉和石棉板。
[0024]优选的，所述模具材料为N3合金。该合金是一种采用固溶强化、第二相强化和碳化物及施82晶界强化的镍基铸造高温合金，具有良好的高温强度、抗氧化和热疲劳性能，能够满足1100等温锻造的要求。
[0025]优选的，所述等温锻造的过程中使用的设备为等温模锻用液压机。
[0026]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0027]1、大大提高了材料的塑性，能更好地填充型腔的大端齿形部位，并且得到的锻件无残余热应力、精度高；
[0028]2、采用的闭式模锻结构更有利于实现直齿锥齿轮的近净成形，提高了材料利用率，降低了生产成本；
[0029]3、同传统的切削加工相比，锻件保留了连续的纤维组织，具有较高的弯曲强度、接触疲劳强度等力学性能。
【附图说明】
[0030]图1为本发明直齿锥齿轮的等温锻造的方法的流程图；[0031 ]图2为本发明等温锻造闭式模锻结构示意图；
[0032]图3为加热装置的结构示意图；
[0033]其中，1.齿形模，2.背锥模，3.上冲头，4.坯料，5.下冲头，6.电阻丝，7.中空陶瓷筒O
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0035]实施例1
[0036]如图1所示，本发明直齿锥齿轮的等温锻造的方法包括以下几个步骤:
[0037]第一步:坯料的算料和下料。根据锥齿轮锻件图，结合体积不变理论计算坯料尺寸。采用剪切机对棒料钢材进行下料，然后取出棒料表面氧化皮，车削外表面、倒角得到所需的毛坯形状和尺寸。
[0038]第二步:模具加热以及坯料的加热和润滑。模具的加热装置采用电阻丝陶瓷加热圈，如图3所示，为两个壁内绕有电阻丝6的中空陶瓷筒7。坯料的加热方法选用中频感应炉进行感应加热。首先将坯料预热到80_12(TC，喷涂商用水基石墨润滑剂，然后继续加热到锻造温度。坯料加热后放入热模具中，均热5-15min调整模温。
[0039]第三步:等温锻造成形过程。模具采用闭式模锻结构，如图2所示，齿形模I以
0.05mm/s的速度下行将坯料4镦粗，当背锥模2和齿形模I封闭后，由上冲头3和下冲头5以相同的0.05mm/s的速度相对挤压坯料将模具型腔填满同时形成具有一定厚度的冲孔连皮，成形结束后，脱模。应变速率即为齿形模I的下行速度及上冲头3和下冲头5对坯料挤压的速度。
[0040]第四步:冲孔。将上一工序获得的锥齿轮放入冲孔模中，利用上一工序的余温以齿形定位冲出盲孔，然后空冷至室温。
[0041]第五步:表面清理。采用二次喷丸或者喷砂去除表面氧化皮。
[0042]第六步:机加工。包括中心孔加工和背锥球面加工，齿面无需二次加工。机加工时均以齿形定位，保持定位方式一致以免出现定位基准不同而造成的误差累计过大。
[0043]第七步:热处理。该阶段包括渗碳、淬火和回火。渗碳阶段需对炉子进行分段加热，每个加热阶段的煤油和甲醇的滴入量都有所不同；淬火方式采用20-40°C的油淬；回火阶段将炉温升至180°C，保温2小时后，自然冷却至室温。
[0044]第七步中所述的渗碳阶段，具体的加热段和原料的滴入量为:I)工件入炉后持续加热使炉温到850°C时，滴入煤油，约50滴/每分钟，并点燃所排放的废气；2)继续加热升温至|J930°C，保证煤油滴入量100-110滴/每分钟，甲醇滴入量30滴/每分钟；3)炉温达到930°C后，保温8小时，经常查看煤油和甲醇的滴入剂量，并观察滴入孔和排气孔是否通顺。本实施例所需设备为等温模锻用液压机，所需模具材料为N3镍基铸造高温合金。
[0045]实施例2
[0046]本实施例与实施例1相同，不同之处在于，第三步的等温锻造成形过程中，齿形模I以0.08mm/s的速度下行将坯料4镦粗，当背锥模2和齿形模I封闭后，由上冲头3和下冲头5以相同的0.08mm/s的速度相对挤压坯料将模具型腔填满同时形成具有一定厚度的冲孔连皮，成形结束，脱模。
[0047]实施例3
[0048]本实施例与实施例1相同，不同之处在于，第三步的等温锻造成形过程中，齿形模I以0.03mm/s的速度下行将坯料4镦粗，当背锥模2和齿形模I封闭后，由上冲头3和下冲头5以相同的0.03mm/s的速度相对挤压坯料将模具型腔填满同时形成具有一定厚度的冲孔连皮，成形结束，脱模。
[0049]实施例4
[0050]本实施例与实施例1相同，不同之处在于，第三步的等温锻造成形过程中，齿形模I以0.0lmm/s的速度下行将坯料4镦粗，当背锥模2和齿形模I封闭后，由上冲头3和下冲头5以相同的0.0lmm/s的速度相对挤压坯料将模具型腔填满同时形成具有一定厚度的冲孔连皮，成形结束，脱模。
[0051]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，分别将坯料和模具加热至温度大体一致，再将坯料放入模具中，然后以较小的应变速率将坯料在模具中锻压成形，经过后处理得到直齿锥齿轮;其中，所述较小的应变速率小于0.lmm/s，所述模具采用闭式模锻结构。2.如权利要求1所述的一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，其步骤为: (1)坯料和模具的准备:对棒料钢材进行下料并进行初步处理得到坯料，然后分别将坯料和模具加热至温度大体一致，再将坯料放入模具中匀热调整膜温； (2)等温锻造:齿形模下行将坯料镦粗，当背锥模和齿形模封闭后，由上冲头和下冲头相对挤压坯料将模具型腔填满同时形成具有一定厚度的冲孔连皮，成形结束，脱模后即得锻件； (3)将锻件进行后处理得到直齿锥齿轮。3.如权利要求2所述的一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，所述步骤(I)中坯料的加热过程为，首先将坯料预热到80-120°C，喷涂商用水基石墨润滑剂，然后继续加热到锻造温度。4.如权利要求2所述的一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，所述步骤(3)的后处理包括冲孔，所述冲孔的步骤为将获得的锻件放入冲孔模中，利用余温以齿形定位冲出盲孔，然后空冷至室温。5.如权利要求2所述的一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，所述步骤(3)的后处理包括表面清理，所述表面清理采用二次喷丸或者喷砂去除表面氧化皮。6.如权利要求2所述的一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，所述步骤(3)的后处理包括机加工，所述机加工包括中心孔加工和背锥球面加工，齿面无需二次加工。7.如权利要求2所述的一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，所述步骤(3)的后处理包括热处理，所述热处理包括渗碳、淬火和回火。8.如权利要求7所述的一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，所述渗碳需对炉子进行分段加热，每个加热阶段的煤油和甲醇的滴入量都有所不同； 所述淬火方式采用20-40 °C的油淬； 所述回火步骤为将炉温升至180°C，保温2小时后，自然冷却至室温。9.如权利要求2所述的一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，所述步骤(3)的后处理依次包括冲孔、表面清理、机加工和热处理。10.如权利要求1所述的一种直齿锥齿轮的等温锻造的方法，其特征是，所述模具的加热装置为两个壁内绕有电阻丝的中空陶瓷筒，齿形模和背锥模分别固定在两个中空陶瓷筒内。
【文档编号】B21J1/06GK105921672SQ201610327787
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】赵新海, 刘丹丹, 吴向红, 刘广荣, 徐洪强, 王新云, 宋立彬, 郑超, 栾贻国
【申请人】山东大学, 华中科技大学