专利名称：嵌压成形加工齿轮的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无切削加工制造齿轮的装置，尤其是能够加工制造齿轴和 非完整齿轮的嵌压成形加工齿轮的装置。 技术背景现有技术中的齿轮切削加工设备有滚齿机、插齿机、剃齿机、绗齿机、 拉齿机等，虽然都是能有效加工齿轮的成熟工艺，但大都是不能加工齿轴和非 完整齿轮，且有金属废屑，浪费材料的设备。现有技术中的铣齿法利用盘形齿轮铣刀配合分度机构在铣床上进行单齿加 工。虽然也能加工齿轴和非完整齿轮，但所得齿形常有较大误差，加工精度较 低，且生产效率低而成本高。这种方法只适于单件小批生产质量要求不高的齿 轮。《机械加工工艺手册》(机械工业出版社2007年版第4一50页)推荐的外 齿轮推削机，虽能加工齿轴和非完齿轮，但属有屑加工而浪费材料，且刀具昂 贵而使用寿命短，生产成本高。现有技术齿轮的无屑加工技术始于18世纪。1899年美国的0. J.比尔创造 了用冷挤法精整锥齿轮的工艺。20世纪初，英国的H.N.安德森首创热轧齿轮。 1951年，美国的H.厄恩斯特和B.格罗布研究成功冷轧齿轮工艺。20世纪50年 代，联邦德国研究成功精密模锻齿轮。60年代后，又发展了粉末冶金、粉末锻造和精密冲裁齿轮的方法。目前，利用金属的塑性变形或粉末烧结使齿轮的齿 形部分最终成形的无屑加工，分为工件在常温下进行加工的冷态成形和把工件 加热到100(TC左右进行加工的热态成形两类。前者包括冷轧、冷锻、冲裁等；后者包括热轧、精密模锻、粉末冶金等。无屑加工齿轮可使材料利用率从切削加工的40 50%提高到80 95%以上，生产率也可成倍增长，但因受模具强度 的限制， 一般只能加工模数较小的齿轮或其他带齿零件，同时对精度要求较高 的齿轮，在用无屑加工成形后仍需要利用切削加工最后精整齿形。无屑加工齿 轮需要采用专用的工艺装备，初始投资较大，只有在生产批量较大时(一般达万 件以上)才能降低生产成本。冷轧齿轮是将齿轮形的轧轮向轮坯径向进给，并按一定速比相互滚动，使 轮坯外周产生塑性变形轧出齿形。冷轧可加工直齿或斜齿圆柱齿轮、非圆齿轮 或带细齿的零件。对模数小于2.5毫米的齿轮，可从轮坏直接轧出齿形。模数大 于2.5毫米时,通常先采用切削加工粗切，或铸、锻出齿形，再用冷轧对齿面作 精整加工。由于滚动成形，故无法加工非完齿轮。冷锻齿轮是按轮坯塑性变形和成形力的方式不同有冷挤和冷镦两种。冷挤 是利用凸模和凹模的相对移动产生挤压力，使坯料在模具的约束下塑性流动而 得到齿形，常用于加工模数小于3毫米的直齿圆柱齿轮、内齿轮等。冷镦是利 用上模的锤击力使坯料在模具中受压縮而横向流动形成齿形，常用于加工锥齿 轮。通常需先把坯料头部镦粗，然后再镦锻齿形。冷镦后的齿轮带有飞边，需 用切削加工切去。对精度要求较高的齿轮，冷锻成形后需要再加一道研磨工序 精整齿形。属于少屑加工，且无法加工齿轴。冲裁齿轮是利用齿轮形的冲压模从板料冲切出齿轮,适于加工模数小于6毫米、厚度小于10毫米的片齿轮、齿条、棘轮、钟表齿轮和仪表齿轮等。不能加 工齿轴和较厚的非完整齿轮。热轧齿轮工作原理与冷轧相同，但热轧是在工件加热到100(TC以上的热塑 状态下进行的。热轧齿轮包括预热、轧制和整形等工序,单件生产时间平均不到 1分钟。对齿轮精度要求较高的齿轮，热轧时需要预留0.2毫米加工余量，然 后用剃齿机或蜗杆砂轮磨齿机精切齿形。该轧制法不能加工非完齿轮，且需要 付出加热成本和再次加工的成本。精密模锻齿轮是把轮坯加热到1000 115(TC，取出放到锻锤的下模中，用 上模锤击数次锻出齿形；或先粗锻成形，然后精锻齿形。为了减少锻造过程中 高温加热的轮坯接触空气而产生氧化皮的机会并提高齿轮精度，自20世纪70 年代以来，较多采用高速锤进行高速锻造，使轮坯在热塑性较好的状态下一次 锤击成形。精密模锻后的齿轮需先去除飞边，再以轴孔为基准精加工齿轮外径 和其他部位。对于精度要求较高的齿轮，需要在模锻时预留0. 5毫米加工余量， 以便最后用机床精切齿形。其不足之处是工序多而成本很高，且难以加工齿轴。粉末冶金齿轮是将金属粉末原料在模具中压制成形，然后将轮坯在保护气 氛炉中以1100 1150。C的温度保温1.5 2.0小时进行烧结。烧结后的齿轮一般不必或很少切削加工。用粉末冶金虽然可加工各种齿形的齿轮，但制成的齿轮 内部通常含有5%以上的孔隙,材料密度为6.9 7. 2克/厘米3，制成的齿轮的 机械强度较低，且成本较高。现有技术无切削加工制造齿轮的冷轧机和热轧机，在轧轮(齿条)在轧制 过程中，每一齿都要受到很大的弯、剪、拉、压、扭各种外力，影响使用寿命， 提高了生产成本，且不能加工非完齿轮。上述现有技术虽然都能实现无切削加工制造齿轮，但成本都比较高，设备 较复杂，而且大都不能加工齿轴和非完齿轮，采用专用的工艺装备初始投资大， 不能降低生产成本。对于加工非完整齿轮齿廓的方法和设备一直是齿轮制造中的难题。真正能 够高效无切削加工制造非完整齿轮齿廓的方法设备，至今还未见有相关的文献 报道。其原因虽然很多，但最重耍的还是缺少高效率、高精度、低成本的工艺 加工装置。 发明内容本发明的目的是提供一种工艺装备初始投资小，工效高，能够显著降低生 产成本，既可以实现无屑加工齿轴和非完整齿轮，又可以加工完整齿轮的嵌压 成形加工齿轮的装置。本发明提供的一种嵌压成形加工齿轮的装置，具有一个制有导向孔和带有 端盖的圆桶形机壳，以及在其导向孔内作上下运动的锥形环，该锥形环内制有 上小下大的内锥孔，内锥孔中装配有若干个带有斜面的镶块座，镶块座上下表 面制有的导向体分别通过端盖下端面，和机壳底面柱台上端面制有的^S向导槽滑动配合，齿形镶块围绕中心被加工齿坯工件圆柱面分布，加压设备从上部对锥形环施加轴向压力Py ，使其锥形环下行推动内锥斜面产生径向压力Px，推 进环布齿坯工件轴面的齿形镶块沿上述径向导向槽移动，使齿形镶块的齿形刃 口沿接触路径，挤压齿坯工件的轴面坯料，使轴面坯料塑性变形成为与镶嵌模 块齿形一致的齿轮。本发明相比于上述现有技术具有如下有益效果。生产效率高。本发明通过加工容易、结构简单内置锥形环的圆桶形机壳，用带齿形的齿形镶块围绕齿坯，径向挤压齿坯材料变形成为齿轮的工艺装备， 加工周期短，初始投资小，生产成本低，工件无需转动就能成型为齿轮，实现 无切削加工，数秒钟即可一次成形一个齿轮，效率高，成品率高。成形后的齿轮强度高，使用寿命长，成本低，且省料。 一次成形的齿轮误 差小，尺寸准确，精度高，齿侧面轮廓光洁，通常无需精整齿形。克服了现有 技术粉末冶金加工各种齿形齿轮，因内部有孔隙所带来的机械强度低的问题。工、模具容易制造。齿形壤块和镶块座结构简单，易于制造，模块化程度 高，能够方便地对各种模数的直齿、斜齿标准化，并可反复使用而寿命长。单 件或批量生产同样适用。工件和模块只承受压力，不受弯、剪、拉、扭各种外 力的影响。适用范围宽。不仅能无屑加工出齿轴和非完齿轮及完整齿轮，而且还可以 根据不同齿形灵活地组装成多种形状结构齿轮的加工形式。无论是渐开线、圆 弧线、摆线的齿面，正齿、斜齿、锥齿的齿形，或是非圆齿轮都能实现无切屑 加工。
为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施例，同时参照附图，来描 述本发明，其中图1为本发明齿轮嵌压装置B-B的主剖视图。左半图为施压终结情形时的 示意图；右半图为尚未施压或施压后退回原处准备取出工件到放置新工件情形 时的示意图。图2是图1的A—A向剖面图，所表示的是加工非完齿轮的情况。 图3是图2的C""0向剖面图。图4显示的是齿形镶块在P力作用下，对齿坯嵌压加工到一半行程时的示意图。图5显示的是对工件齿坯嵌压加工终结时的示意图。附图中l.工件齿坯，2.齿形镶块，2a,扇形镶块，3.弹性夹具，4.镶块座，4a-扇 形镶块座，5.锥形环，6.机壳，7.螺栓，8.复位弹簧，9.端盖，IO.传力柱， ll.顶尖，12.导向槽，13.锥形环行程空位，14.装卸孔，15.导向槽，16.齿形 镶块前端刃口， Py.轴向压力，Px.径向压力，W.锥角。
具体实施方式
在图l、图2中，圆桶形的机壳6其内制有导向孔。它的顶部端口上装有一 个中心制有装卸孔14的端盖9。该装卸孔14可以是一个锥孔，它既是装卸工件， 观察工作情形，又是加油，冷却，清洁内部预留的一个窗口。机壳6可正置、 倒置、侧置。端盖9上还制有可供6至12根传力柱10穿过的均布圆孔。端盖9 由螺栓7固定在机壳6端口上。机壳6底部中央制有向上延伸的圆柱台，圆柱 台中心有一个供工件齿坯1竖立的顶尖11，其外围有弹性夹具3。机壳6内有 一个可上下运动的锥形环5，锥形环5环外与机壳6的内壁滑动配合，环内设有 锥角W形成上小下大的锥孔。被加工工件齿坯1置于机壳6中央顶尖11上，被 弹性夹具3夹持，其轴线与机壳轴线0~0重合，并处于垂直状态。在锥形环5 上端环形均布的传立柱10，在上部加压设备未示出的作用下，对锥形环5施加 轴向压力Py,使锥形环5下行，直达机壳6底部的预留的锥形环行程空位13， 使其锥形环5由内锥斜面产生的水平径向压力Px传给齿形镶块2，使齿形镶块 2前端的齿形刃口 16嵌入和挤压齿坯工件1坯料表面，产生局部塑性变形，嵌 入部分成为齿谷，隆起部分成为齿顶，最终形成所需的齿轮。在图1的右半图中，显示的是尚未施压或施压后退回原处，准备取出工件 齿坯1并放置新工件时的情形。由于锥形环5还在最高处，镶块座4退离中心0，每两个镶块座4之间有间隙，齿形镶块2与工件齿坯1之间也还未接触，也还 有间隙。为使镶块座4能随着锥形环5的向上运动而退出挤压状态，便于取出 工件和安装新齿坯，在镶块座4和机壳6之间安装有复位弹簧8。左半图中显示的施压终结时的情形，当传立柱受轴向外力Py向下运动时， 锥形环5的内锥斜面产生水平径向分力Px，推动镶块座4及齿形镶i央2朝中心 轴线O—O方向移动，齿形镶块2的前端刃口 16嵌入和挤压工件齿坯1表面， 使齿坯外周产生塑性变形，成为齿轮。其工作原理是制有导向孔圆桶形机壳6和在其导向孔内作上下运动的锥 环5，径向装配有若干个带有斜面的镶块座4。且每个镶块座4上固接^"一个齿 形镶块2，均布在被加工齿坯工件l的周围。端盖9的下端面制有径向导槽15， 机壳6的底面中部向上延伸柱台上端面有径向导槽12，分别与镶块座4上下表 面突出的导向体构成滑动配合作水平运动。端盖9上均布六至十二个圆孔，加 压设备的传力柱10从上部通过该圆孔对锥形环5施加轴向压力Py ，使其锥形 环5下行推动内锥斜面产生径向压力Px，推动与镶块座4连接的齿形镶块2向 导向槽水平方向移动，使齿形镶块2的齿形刃口挤压齿坯工件1的轴面坯料， 使坯料局部塑性变形，凹下部分成为齿根，隆起部分成为齿顶，最终形成与镶 嵌模块2形状一致的齿轮。图2为图1的A—A剖面图。显示的是加工非完齿轮时的情况。工件齿坯的 中心与机壳6的中心O相重合，齿形镶块2与镶块座4固接，锥形环5在镶块 座4外围和机壳6之间上下运动。右半图表示尚未施压时，没有径向力Px出现， 相邻两个齿形镶块2之间有间隙，齿形镶块2与工件之间也有间隙，便于取出 工件和安装新齿坯。左半图表示施压终结时，出现了径向力Px，齿形镶块2与10镶块座4之间没有了间隙；非完齿轮的非加工部位，其锥形环5相应部位不是锥面，而是圆柱面5a，并且该部位改为与机壳6固接的扇形镶块座4a和扇形镶 块2a;当锥形环5上下运动时，该部位不传递任何外力，所以该部位齿坯不产 生变形，因而整个工件成为非完整齿轮。图3是图2的C一0剖面图。它显示的是图2中下部约占整个圆形三分之一 的无齿部分的扇形镶块2a，使在加工非完齿轮时，用以保护工件齿坯l非齿轮 部分的轴向柱面。此部分的锥形环5的内壁和镶块座4的外壁均为柱面而不是 锥面；如图3中显示锥形环的矩形截面5a和扇形镶块座的矩形截面4a。扇形镶 块2a与机座固接，是固定不动的，不参加齿轮的挤压成形，而是非完齿轮非加 工面的定位镶块。上述图2 图3描述的是制造非完齿轮的一个实施例。除上述制造非完齿轮 外，本发明同样适用于加工完整齿轮。加工完整齿轮时，没有扇形镶块2a，扇 形镶块座4a。齿形镶块2和镶块座4的数量与所需齿轮的齿数相同，且锥形环 5的内孔是一个完整的棱锥孔或圆锥孔。图4显示的是加工非完整齿轮时，施压到锥形环5行程达一半时的情形。 齿形镶块2被径向力Px推向中心0，其前端刃口 16已有一部分嵌入齿坯工件l, 同时产生挤压，迫使齿坯表层材质塑性变形，嵌入部分正在成为齿谷，受挤压 而隆起部分正在成为齿顶。图4中显示的齿形镶块2之间还有间隙，齿坯材料 也还未填满齿形镶块2前端刃口 16之间的空间，施压还应继续进行。齿形镶块2前端工作面的前端刃口 16的横截面几何参数，与所需齿轮的一 个齿谷的横截面几何参数相同。通过更换不同几何参数的齿形镶块2，便可加工 出不同的齿轮。其齿形曲线可以是渐开线、圆弧线、摆线；齿面形状可以是正齿轮、斜齿轮、锥齿轮。加工非完整齿轮时，齿形镶块2的数量比所需齿轮的齿数多1，而与所需齿 轮的齿谷数量相同；加工完整齿轮时，齿形镶块2的数量则与所需齿轮的齿数 相同。来自加压设备的原动力，可以是该设备提供的液压力、气压力、机械力或 电动力。图5显示的是施压终结时的情形。径向压力Px作用于齿形镶块2，直到各 个齿形镶块2之间的间隙为零时才停止。使齿坯工件1表面产生局部塑性变形， 逐渐形成沟状齿谷和条状齿顶，齿坯工件1变形为非完整齿轮。当外力Py拉动 锥形环5向上运动时，镶块座4在复位弹簧8的推力作用下沿水平线背离中心 移动，出现空隙，取出齿轮工件，完成一个齿轮的加工周期。本发明的原理是与所需齿轮的齿数相同的齿形镶块2，围绕待加工齿坯工 件1环布，能沿设定的径向导槽往复运动，当其受外力Px的作用时，多个齿形 镶块2同时同步协调作向心运动。结果，齿形镶块2的前端刃口 16迫使齿坯工 件1的表层材质塑性变形，刃口嵌入部分成为齿谷，受挤压而隆起部分成为齿 顶，得到所需的齿轮。
权利要求
1.一种嵌压成形加工齿轮的装置，具有一个制有导向孔和带有端盖(9)的圆桶形机壳(6)，以及在其导向孔内作上下运动的锥形环(5)，该锥形环(5)内制有上小下大的内锥孔，内锥孔中装配有若干个带有斜面的镶块座(4)，镶块座(4)上下表面制有的导向体分别通过端盖(9)下端面，和机壳(6)底面柱台上端面制有的径向导槽(15、12)滑动配合，齿形镶块(2)围绕中心被加工齿坯工件圆柱面分布，加压设备从上部对锥形环(5)施加轴向压力Py，使其锥形环(5)下行推动内锥斜面产生径向压力Px，推进环布齿坯工件(1)轴面的齿形镶块(2)沿上述径向导向槽移动，使齿形镶块(2)的齿形刃口沿接触路径，挤压齿坯工件(1)的轴面坯料，使轴面坯料塑性变形成为与齿形镶块(2)齿形一致的齿轮。
2. 按权利要求1所述的嵌压成形加工齿轮的装置，其特征在于，加工完整 齿轮时，齿形镶块(2)的数量与该完整齿轮的齿数相同；加工非完整齿轮时， 齿形镶块(2)的数量与该非完整齿轮的齿谷数量相同，同时在齿坯工件的非加 工部位，安装一个与镶块座(4)固接的扇形镶块。
3. 按权利要求1或2所述的嵌压成形加工齿轮的装置，其特征在于，加工 完整齿轮时，锥形环(5)的内锥孔是一个完整的锥孔；加工非完整齿轮时，锥 形环(5)的内锥孔是一个非完整的局部内锥孔，而另一部分则为圆柱孔。
4. 按权利要求1或2或3所述的嵌压成形加工齿轮的装置，其特征在于， 锥形环(5)的斜面角度(W)与镶块座(4)斜面角度(W)相吻合，其锥形 环(5)内锥孔的锥面是棱锥面或圆锥面。
5. 按权利要求1或2或3所述的嵌压成形加工齿轮的装置，其特征在于， 围绕待加工齿坯工件(1)环布的齿形镶块(2)可拆卸地连接于镶块座(4)的 内侧面，用以方便更换和加工不同几何参数的齿轮。
6. 按权利要求1所述的嵌压成形加工齿轮的装置，其特征在于，齿形镶块 (2)的工作面即前端刃口部位横截面的几何参数，与所需齿轮的一个齿谷的齿形几何参数相吻合。
7. 按权利要求1所述的嵌压成形加工齿轮的装置，其特征在于，端盖(9) 的中心制有一个工件装卸孔(14)。
8. 按权利要求1所述的嵌压成形加工齿轮的装置，其特征在于，机壳(6) 底部中央制有向上延伸的柱台，其上有顶尖(11)和供齿坯工件(1)定位的弹 簧夹具(3)。
9. 按权利要求1所述的嵌压成形加工齿轮的装置，其特征在于，镶块座(4) 和机壳(6)及端盖(9)之间安装有复位弹簧(8)。
10. 按权利要求6所述的嵌压成形加工齿轮的装置，其特征在于，齿形镶块 (2)的齿形工作面的几何参数和形状，包括渐开线、摆线、圆弧线的齿面，正齿、斜齿、锥齿的齿形形状。
全文摘要
本发明公开的一种嵌压成形加工齿轮的装置，具有一个制有导向孔的圆桶形机壳(6)，以及在其导向孔内作上下运动的锥形环(5)，其中装配的镶块座(4)的径向导槽上滑配有齿形镶块(2)，齿形镶块(2)围绕中心被加工齿坯工件圆柱面分布，加压设备从上部对锥形环施加轴向压力Py，推动锥形环内锥斜面下行产生径向压力Px，使齿形镶块(2)的齿形刃口沿接触路径，挤压齿坯工件(1)的轴面坯料，使轴面坯料塑性变形成为与齿形镶块(2)齿形一致的齿轮。本发明可以通过更换不同的齿形镶块，加工出齿轴和非完齿轮或完整齿轮。适合渐开线、摆线、斜齿、锥齿等各种齿形加工。加工的齿轮成品率高；工模刃具易标准化，可反复使用，效率高，成本低。
文档编号B21C23/14GK101249524SQ20081004423
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月11日 优先权日2008年4月11日
发明者袁正敏 申请人:袁正敏