专利名称：一种辊式楔横轧蜗杆轴毛坯的成形模具及其方法
技术领域：
本发明属于金属塑性成形技术领域，特别提供了一种辊式楔横轧蜗杆轴毛坯的成形模具及其方法。
背景技术：
楔横轧技术是轴类零件塑性成形先进工艺，它的工作原理为两个带楔形模具的轧辊，以相同方向旋转，带动圆形棒料反向旋转，棒料在楔形孔型的作用下，轧制成形各种阶梯轴。它的主要变形是径向压缩轴向延伸。该技术主要用于生产批量大的轴类零件，包括汽车、拖拉机、摩托车、内燃机、五金工具、建筑机械、电力金具等上的轴类零件。该技术具有高效、节材、低耗等特点，是节材节能的先进生产技术。由于技术复杂，过去只生产各类阶梯轴零件。蜗杆轴广泛应用于各类机械的减速箱中，需求量大。其蜗杆轴的传统制造方法是台阶轴部分用车削或锻造加工，螺旋齿形部分用铣削加工，存在浪费材料，效率低下，生产成本高等不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种辊式楔横轧蜗杆轴毛坯的成形模具及其方法，可以高效率、高精度、高节材率的成形蜗杆轴毛坯(如图1)。
本发明的辊式楔横轧蜗杆轴毛坯的模具是一对外表面带有型腔的、有扇形缺口、扇形缺口内表面弧长为150～300mm，分为上模具和下模具(如图2)。上模具的型腔由螺旋齿形段和台阶轴成形楔段组成；下模具的型腔由接料段、螺旋齿形段和台阶轴成形楔段组成。上下模具型腔区的两侧是基圆面，基圆面到模具轴心线距离不变。
下模具接料段的弧长为80～200mm，用于圆棒料的放置。
在模具螺旋齿形段，上、下模具的螺旋齿形型腔与所轧的蜗杆轴毛坯的螺旋齿形热态尺寸相对应；上、下模具的螺旋齿形旋向相同，但与所轧的蜗杆轴毛坯的螺旋齿形旋向相反(图3)；上、下模具的螺旋升角为γ＝0°～30°与所轧的蜗杆轴毛坯的螺旋升角相对应；上、下模具螺旋齿形段的弧长相同，齿形型腔宽度相等，但上、下模具的齿形型腔沿轧件的轴向始终相差半个齿距(图3)。
上、下模具的螺旋齿形段均分为成形区和精整区两部分。在成形区和精整区，上、下模具螺旋齿形底面距模具轴心线的距离始终不变，齿底面低于模具基圆面1～10mm，模具齿形侧面与被轧蜗杆轴齿形侧面平行。成形区，上、下模具螺旋齿形起始点的齿顶面与齿底面的距离为基圆面与齿底面的距离，齿侧面与被轧蜗杆轴齿形的侧面平行，模具起始点的齿顶面宽度可以与被轧蜗杆轴毛坯的齿底面宽度相同，也可以小于被轧蜗杆轴毛坯的齿底面宽度；成形区终点齿形顶面、侧面与底面是一个完整的齿形，与被轧的蜗杆轴毛坯齿形热态尺寸完全对应。模具的齿形顶面从起始点开始沿螺旋升角方向上升到终点，上升角度为λ＝0°～4°；精整区，上、下模具的型腔是与所轧的蜗杆轴毛坯的螺旋齿形热态尺寸完全对应，型腔的螺旋齿形形状不变，齿形顶面与底面距模具轴心线的距离不变，齿形顶面距模具轴心线与齿形底面距模具轴心线的差值等于被轧蜗杆轴毛坯热态齿顶与齿底的高度。在该区轧件旋转1～4圈，对已基本成形的轧件进行整形，以提高轧件外观质量及尺寸精度。
在模具的台阶轴成形楔段，上模具和下模具的型腔完全一致。模具斜楔面的成形角α＝15°～45°(图5)，斜楔面的成形角可以是1个(图9)，也可以由2～10个成形角构成(图10)，也可由曲面，例如弧形面构成(图11)，弧形成形面其切线与轴线夹角α取值在0°～90°范围内；展宽角是指模具楔展开线与模具楔展开长度方向的夹角，展宽角β＝1°～12°(图5)，斜楔面的展宽角也可由1～10个角度变化的展宽角构成。该段也分为成形区与精整区两部分，成形区用于蜗杆轴毛坯的各台阶成形，精整区轧件旋转1～4圈，对已基本成形的各台阶进行整形，以提高轧件外观质量及尺寸精度。
将本发明所述的模具安装在辊式楔横轧机上，加热后的棒料，通过送料装置送进楔横轧机中(图2所示)，被安装在轧机上的两个表面带有型腔的上模具1和下模具3同向旋转，加热的金属圆形棒料2在模具的作用下反向旋转，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，逐渐成形包括蜗杆齿形在内的各个台阶(图1)。蜗杆轴毛坯的螺旋齿形部分由模具的螺旋槽齿形部分完成，台阶轴部分由模具的楔形部分完成。轧辊旋转一周生产一个蜗杆轴毛坯(图1)。
本发明所述的辊式楔横轧蜗杆轴毛坯成形方法可轧制普通圆柱蜗杆轴毛坯、圆弧圆柱蜗杆轴毛坯，还可轧制单头、多头蜗杆轴毛坯。
本发明的优点在于与锻造、车削、铣削方法相比本发明具有如下优点1)提高材料利用率。由于可以直接轧制出蜗杆的螺旋齿形部分及阶梯杆部分，轧件尺寸更接近最终产品尺寸，实现近净成形，提高了材料利用率；2)减少机加工工序，降低机械加工费用。由于轧件尺寸更接近最终产品尺寸，机加工量显著减少，明显降低机械加工工序及刀具的费用。
3)生产效率高。由于楔横轧每分钟可生产6～20个蜗杆轴毛坯，生产效率提高3-10倍。
4)产品质量好，由于蜗杆轴是轧制成形，蜗杆轴表层组织致密，纤维组织连续，故机械性能得到提高。
5)生产成本低。楔横轧与现有技术比较，具有效率高、节材、减少加工工序等特点，其生产成本可下降15～30％。
图1蜗杆轴毛坯示意图。
图2辊式楔横轧成形蜗杆轴毛坯原理图，其中1为上模具，2为轧件，3为下模具。
图3辊式楔横轧成形蜗杆轴毛坯齿形部分原理图的主视图，其中1为上模具，2为轧件，3为下模具。
图4辊式楔横轧成形蜗杆轴毛坯齿形部分原理图的侧视图，其中1为上模具，2为轧件，3为下模具，4为螺旋齿形顶面，5为模具的基圆面，6为螺旋齿形底面。
图5辊式楔横轧成形蜗杆轴毛坯台阶部分原理的主视图，其中，1为上模具，2为轧件，3为下模具。
图6辊式楔横轧成形蜗杆轴毛坯台阶部分原理图的侧视图，其中，1为上模具，2为轧件，3为下模具，4为螺旋齿形顶面，5为模具的基圆面，6为螺旋齿形底面，7为模具斜楔面。
图7上模具齿形部分示意图，其中III为成形区，IV为精整区，S为型腔距模具边的距离，L为齿型型腔的宽度，P为齿距。
图8下模具齿形部分示意图，其中V为成形区，VI为精整区，S为型腔距模具边的距离，L为齿型型腔的宽度，P为齿距。
图9单一成形角示意图。
图10多成形角示意图。
图11多成形面为弧形示意图。
图12本发明成形蜗杆轴毛坯的示例轴。
图13本发明成形蜗杆轴毛坯示例轴的A-A剖面图。
图14本发明成形蜗杆轴毛坯示例的上模具孔型展开图。
图15本发明成形蜗杆轴毛坯示例的上模具孔型展开图的B-B剖面图。
图16本发明成形蜗杆轴毛坯示例的上模具孔型展开图的C-C剖面图。
图17本发明成形蜗杆轴毛坯示例的下模具孔型展开图。
图18本发明成形蜗杆轴毛坯示例的下模具孔型展开图的D-D剖面图。
图19本发明成形蜗杆轴毛坯示例的下模具孔型展开图的E-E剖面图。
图20本发明为成形示例蜗杆轴毛坯的直台阶槽型图。
具体实施例方式
图1～20为本发明的具体实施方式
。
首先将直径为58mm的圆棒料截成260mm长，然后将棒料在中频感应加热炉中加热至1100～1150C，通过送料装置送进楔横轧机中如图2所示，被安装在轧机上的两个表面带有型腔的上模具1和下模具3同向旋转，加热的金属圆形棒料2在模具的作用下反向旋转，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，先轧制出蜗杆轴毛坯中间螺旋齿形部分，再逐渐成形蜗杆轴两端的阶梯轴部分。轧辊每旋转一周生产一个蜗杆轴毛坯(图11)。成形示例蜗杆轴毛坯上、下模具的螺旋升角γ＝4.75°，齿形顶面上升角度为λ＝0.9°；斜楔成形角α＝28°；展宽角β＝8°；齿形精整长度和台阶精整长度均为200mm；下模具接料长120mm；模具螺旋齿形与所轧蜗杆轴毛坯齿形的热态尺寸相对应；直台阶槽型图也与所轧蜗杆轴毛坯的热态尺寸相对应。
权利要求
1.一种辊式楔横轧蜗杆轴毛坯的成形模具，其特征在于，模具是一对外表面带有型腔的、有扇形缺口，扇形缺口内表面弧长为150～300mm，分为上模具和下模具；上模具的型腔由螺旋齿形段和台阶轴成形楔段组成；下模具的型腔由接料段、螺旋齿形段和台阶轴成形楔段组成；上下模具型腔区的两侧是基圆面，基圆面到模具轴心线距离不变；下模具接料段的弧长为80～200mm，用于圆棒料的放置；在模具螺旋齿形段，上、下模具的螺旋齿形型腔与所轧的蜗杆轴毛坯的螺旋齿形热态尺寸相对应；上、下模具的螺旋齿形旋向相同，但与所轧的蜗杆轴毛坯的螺旋齿形旋向相反；在模具的台阶轴成形楔段，上模具和下模具的型腔完全一致；模具斜楔面的成形角α＝15°～45°，斜楔面的成形角由1～10个成形角构成，或由曲面，构成，弧形成形面其切线与轴线夹角α取值在0°～90°范围内；展宽角是指模具楔展开线与模具楔展开长度方向的夹角，展宽角β＝1°～12°，斜楔面的展宽角由1～10个角度变化的展宽角构成。
2.按照权利要求1所述的成形模具，其特征在于，上、下模具的螺旋升角为γ＝0°～30°与所轧的蜗杆轴毛坯的螺旋升角相对应；上、下模具螺旋齿形段的弧长相同，齿形型腔宽度相等，但上、下模具的齿形型腔沿轧件的轴向始终相差半个齿距；上、下模具的螺旋齿形段均分为成形区和精整区两部分；在成形区和精整区，上、下模具螺旋齿形底面距模具轴心线的距离始终不变，齿底面低于模具基圆面1～10mm，模具齿形侧面与被轧蜗杆轴齿形侧面平行；成形区，上、下模具螺旋齿形起始点的齿顶面与齿底面的距离为基圆面与齿底面的距离，齿侧面与被轧蜗杆轴齿形的侧面平行，模具起始点的齿顶面宽度与被轧蜗杆轴毛坯的齿底面宽度相同；成形区终点齿形顶面、侧面与底面是一个完整的齿形，与被轧的蜗杆轴毛坯齿形热态尺寸完全对应；模具的齿形顶面从起始点开始沿螺旋升角方向上升到终点，上升角度为λ＝0°～4°；精整区，上、下模具的型腔是与所轧的蜗杆轴毛坯的螺旋齿形热态尺寸完全对应，型腔的螺旋齿形形状不变，齿形顶面与底面距模具轴心线的距离不变，齿形顶面距模具轴心线与齿形底面距模具轴心线的差值等于被轧蜗杆轴毛坯热态齿顶与齿底的高度；在该区轧件旋转1～4圈。
3.一种采用权利要求1所述的模具成形蜗杆轴毛坯的方法，其特征在于，将模具安装在辊式楔横轧机上，加热后的棒料，通过送料装置送进楔横轧机中，被安装在轧机上的两个表面带有型腔的上模具(1)和下模具(3)同向旋转，加热的金属圆形棒料(2)在模具的作用下反向旋转，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，成形包括蜗杆齿形在内的各个台阶；蜗杆轴毛坯的螺旋齿形部分由模具的螺旋槽齿形部分完成，台阶轴部分由模具的楔形部分完成；轧辊旋转一周生产一个蜗杆轴毛坯。
4.按照权利要求3所述的成形方法，其特征在于，成形的蜗杆轴毛坯包括圆柱蜗杆轴毛坯、圆弧圆柱蜗杆轴毛坯，单头或多头蜗杆轴毛坯。
全文摘要
一种辊式楔横轧蜗杆轴毛坯的成形模具及其方法，属于金属塑性成形技术领域。将模具安装在辊式楔横轧机上，加热后的棒料，通过送料装置送进楔横轧机中，被安装在轧机上的两个表面带有型腔的上模具(1)和下模具(3)同向旋转，加热的金属圆形棒料(2)在模具的作用下反向旋转，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，逐渐成形包括蜗杆齿形在内的各个台阶。蜗杆轴毛坯的螺旋齿形部分由模具的螺旋槽齿形部分完成，台阶轴部分由模具的楔形部分完成。轧辊旋转一周生产一个蜗杆轴毛坯。优点在于单机生产率高；材料利用率高；机加工工序减少；成本低，清洁生产，产品质量好。
文档编号B21B27/02GK101073816SQ20071011901
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月18日 优先权日2007年6月18日
发明者刘晋平, 胡正寰, 闫华军, 杨翠苹, 潘广文 申请人:北京科技大学