专利名称：形成预成型件并从该预成型件形成部件的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及金属成型，更具体地，涉及从扁材(flat stock)制造挤出成型预成型件，特别是通过冷挤出成型工艺或旋压成型可以形成轮齿和凸轮斜面。
背景技术：
精确部件，如环形螺旋齿轮、其他齿轮形式，或单向离合器中的具有斜面的离合器环的冷挤出成型需要使用按紧密公差制造的预成型件或坯件。目前公认的实践涉及通过在高温下在圆柱形心轴上将钢坯(steel billet)拉延为近似圆柱形的形状来制造初始工件，该工艺称为心轴拉延(DOM， drawn over mandrel)。然后将这样形成的工件横向切割为纵向片段，再按紧密尺寸公差对这些片段进行精加工。 该工艺成本高，需要高能量输入，并会造成原材料的浪费，因为制造尺寸上可接受的预成型件需要大量机械加工。 自动变速器中使用的那类单向离合器的离合器环的精确机械加工需要多个操作，包括从管件机械加工得到预成型件、用拉刀(broach tool)切割出凸角(lobes)、精加工并最终去毛剌。 拉刀(broach bar)是昂贵的，需要磺化拉削油(sulfona ted broaching oil)，需要频繁的磨刃并且相对于其他机械加工或成型方法来说速度较慢。从碎片(chips)中去除油成本高并会造成整理工作方面的考虑，如碎片的存储、运输和丢弃，以及与带油表面相关的安全问题。拉削油非常昂贵并且在重复使用之前必须过滤以去除细微的金属颗粒。
金属成型领域中存在对一种制造成型的坯件和部件的方法的需要。这些坯件应成型为近似于净形(net shape)或完全为净形，从而可使用能够挤出成型螺旋齿轮或类似产品的制造厂通常配备的常规成型设备产生非常少的浪费。 优选地，该方法应能够消除在钢供应企业处进行惯常处理(custom processing)的需要，且该预成型件或坯件可以在能够进行齿轮挤出成型的供应企业中从平板或巻材(roll stock)制造。
发明内容
—种用于形成部件的方法包括使工件形成为与轴线同心并包括沿该轴线延伸的
内表面的中空预成型圆筒，在中空预成型圆筒内放置具有外表面的心轴，使中空预成型圆
筒的内表面和外表面旋压成型以使中空预成型圆筒的内表面符合心轴的至少部分外表面，
及将旋压成型的圆筒相对于该轴线横向地切割为片段，每个片段具有轴向长度。 从低成本的平板或巻材制造的预成型件或坯件消除了在钢供应企业处进行惯常
处理的需要。 预成型件可由能够执行圆柱形产品的冷成型、旋压成型、锻压成型(swaging)、落锤成型(hammer forming)的制造厂通常配备的常规成型设备制造。成型坯件近似为净形或完全为净形，产生很少的浪费。与DOM工艺相比，制造商可以极大縮短从钢供应企业处获
3得坯件的交付时间(lead time)。制造商可以控制用于凸轮成型(camforming)工艺的进入的原材料的数量、库存和质量。 根据本发明的另一方面，提供一种用于形成部件的方法。该方法包括下述步骤(a)在形成有外表面的模上形成具有基本上与轴线同心的孔的工件；(b)使该工件形成为与该轴线同心并包括沿该轴线延伸的内表面和外表面的中空预成型圆筒；(c)从中空预成型圆筒中去除该模并在中空预成型圆筒中放置具有外表面的心轴；(d)形成预成型圆筒的内表面以使所述内表面符合心轴的至少部分外表面及中空预成型圆筒的壁的厚度；及(e)将所形成的圆筒相对于该轴线横向地切割为片段，每个片段具有轴向长度。
根据本发明的又一方面，提供一种用于形成预成型部件的方法。该方法包括下述步骤(a)使工件形成为包括沿轴线延伸的内表面和外表面的中空预成型圆筒；(b)使用定位于中空预成型圆筒内并具有圆柱形外表面的第一心轴使中空预成型圆筒旋压成型，以使中空预成型圆筒的内表面符合所述第一心轴的圆柱形外表面的至少部分且中空预成型圆筒的长度为期望的长度；(c)将旋压成型的圆筒相对于所述长度横向地切割为旋压成型的片段，每个片段具有轴向长度；及(d)迫使具有外表面的第二心轴进入片段并沿片段长度的至少一部分移动以使片段的内表面符合第二心轴的至少部分外表面。在一个实施例中，步骤(b)还包括在中空预成型圆筒内放置心轴，所述心轴的外表面上形成有螺旋轮齿、圆柱形表面、花键，和用于单向离合器的离合器环的凸轮斜面中的一个。 根据本发明的再一方面，通过制备包括内表面的中空圆筒的工艺形成部件；在中空圆筒内放置具有外表面的心轴；使圆筒的内表面形成为符合心轴的至少部分外表面。
对完成的离合器环凸轮斜面(clutch race cam ramps)不需要机械加工。不需要润滑流体，且工具成本低于拉削工具(broach tooling)的成本。 优选实施例的适用范围通过下面的详细说明、本申请的权利要求书和附图将变得明晰可见。应理解，说明书和具体示例虽然表示出本发明的优选实施例，但仅用于说明目的。对所述实施例和示例的各种改变和修改将对于本领域技术人员变得明晰可见。
图1示出用于制造预成型圆筒的一系列工艺步骤的示意 图2是图1所示预成型件通过旋压成型形成的轮廓的侧视 图3是从图1所示的杯状预成型件冷成型得到的圆筒的透视 图4是从图3所示圆筒切割得到的圆柱形坯件的透视图； 图5A至5D是示出使用模和心轴从平板冷成型得到环形齿轮和离合器环的工艺步骤的横截面； 图6是示出切割为片段之前的图5A至5D所示环形齿轮和离合器环的横截面； 图7是单向离合器的外环的正视图； 图8是具有螺旋内轮齿的环形齿轮的透视图； 图9是从预成型圆筒冷成型并切割得到并准备成型为离合器环的一系列片段的透视图；及 图10是从预成型圆筒冷成型并切割得到并准备成型为环形齿轮的一系列片段的透视图。
具体实施例方式
结合附图参考下面的说明，可以更容易地理解本发明。 现参考附图，图1示出工件10，该工件IO优选地为板或碳钢的板巻，并通过常规的冷锻、热锻或拉延方法形成具有中孔11的拉长的杯形12。在使杯形的预成型件12退火以软化材料从而使预成型件12较不脆并释放内部应力之后，通过各种方法、包括通过旋压成型操作加工杯形的预成型件12，以制造具有内表面16、外表面18和由径向法兰22部分地封闭的端部20的净形预成型件14。 图2所示的旋压成型过程使用具有外表面26的心轴24。净形预成型件14套在心轴上并通过尾座28夹持法兰22以在其端部20固定到心轴的端部。迫使围绕轴线32互相成角度隔开的若干个滚子30与预成型件14的外表面接触。每个滚子30围绕各自的轴线34旋转并沿轴32向左平移。 通过预成型件14和滚子30之间的接触压力及滚子在心轴24和预成型件上的运动，使预成型件14的外表面18旋压成型为圆筒40。预成型件14的内表面16由于预成型件14和心轴24的外表面之间的接触压力而旋压成型。当滚子30和滚子进给装置(rollerfeed) 36作为一个单元沿轴线32移动并在角度上和径向上相对于该轴线移动时，预成型件14的圆柱形壁的材料在轴向和径向上相对于轴线32流动。 以此方式可以使预成型件14旋压成型，以使其外表面和内表面与如图3所示的长圆筒40相同。如图1、图5A至5D和图6所示，圆筒40的轴向端部可以形成有孔11、52。
或者，预成型件14的外表面18可以不是均匀的圆柱形，而是使圆筒41形成有外部特征(exterior features)，如由于当滚子30既在轴向上围绕轴线32移动又在径向上相对于轴线32移动、如图2所示在轴线32上方移动时，预成型件的圆柱形壁的材料在轴向上和径向上相对于轴线32流动，该圆筒41的壁厚可以变化。 类似地，心轴24的外表面26可以不同于圆柱形。例如，心轴24的外表面26可以形成有沿心轴的至少部分长度延伸的螺旋轮齿，或心轴24的外表面可以形成有用于单向离合器的外环的凸轮斜面(cam ramps)，这些凸轮斜面围绕轴线32设置并沿心轴的至少部分长度延伸。在这些情况下，预成型圆筒14的内表面16将旋压成型为具有螺旋轮齿或者凸轮斜面。 如图4所示，然后通过多种技术中的任何技术、包括激光切割，将旋压成型的圆筒40、41相对于轴线32横向切割为多个环形片段或坯件42。优选地，通过从喷嘴44在轴向上隔开的位置处引导至旋转的圆筒上的高压水集中喷射、优选地水中包含石榴石金刚砂(garnet)，将圆筒40、41切割为片段15、42。然后，对片段42进行精加工(finishmachined)、热处理并上涂层。 参考图5A至5D描述称为模内成型(in-die forming)的用于形成预成型圆筒的替代工艺。冲压具有中心导孔52且优选地由超低碳钢制成的圆板或片50，使中心导孔具有约2. 54厘米(=1. 0英寸)的直径。板50具有上表面54和下表面56。如果板50由高碳钢制成，则在执行渐进成型阶段之前使其退火。 板50放置在以轴线32为中心的实心模58上。模58包括具有内半径64的肩部62和具有外表面68的主体66。液压机(未示出)迫使与板50的上表面54接触的拉延环
570在多个渐进的阶段中向下移动以使该板符合肩部62的表面、半径64及表面68。
如图5C所示，当拉延环70沿轴线32向下移动时，孔52的直径增加，以期望的长度形成径向法兰22，且由于迫使拉延环70在预成型板上移动时模和板之间的接触压力，迫使预成型板50符合模58的外表面68的形状。 当板50成型为图2中的轴线32下方示出的预成型圆筒14的形状时，将模58从预成型圆筒中移除并由心轴24替代该模。使用尾座28以将法兰22夹持到心轴24的轴向端部。然后迫使滚子30与预成型件14的外表面18接触。每个滚子30围绕各自的轴线34旋转并沿轴线32平移。 预成型件14的外表面由预成型圆筒14和滚子30之间的接触压力及滚子在心轴24和预成型件上的移动旋压成型。预成型圆筒14的内表面由于迫使预成型件与心轴24的外表面26接触的接触压力而旋压成型。当滚子30在轴向上沿轴线32移动、在周向上围绕该轴线移动，并在径向上相对于该轴线移动时，预成型件14的圆柱形壁的材料在轴向上和径向上相对于轴线32流动。 优选地，心轴24的外表面26形成为具有圆筒71、螺旋轮齿72 (如在自动变速器的行星齿轮组中的环形齿轮的内表面上形成的螺旋轮齿)，或凸轮斜面73(如在单向离合器的离合器环的内表面上形成的凸轮斜面)。在执行旋压成型步骤时，预成型件14成为圆筒40、41的形状且预成型件14的内表面符合心轴24的外表面26上的形状。以此方式，可以在心轴24的外表面26上旋压成型出螺旋轮齿72、凸轮斜面73或圆筒71。
在执行旋压成型步骤之后，旋压成型的圆筒40、41将具有图6所示的形状。对内表面16进行渗碳和感应加热。接下来，将圆筒40、41的外表面磨削为其最终形状。
然后，如参考图3和图4所述使用激光切割方法或高压水集中喷射将旋压成型的圆筒40、41相对于轴线32横向切割为多个片段或环形坯件76。取决于心轴24的外表面26的形状，片段76将具有直圆柱环78、环形齿轮80或单向离合器的离合器环82的形状。
图7示出单向离合器的离合器环82，该离合器环具有在离合器环的内表面上形成的凸轮斜面74。离合器环82的凸轮斜面74在使用过程中由接合元件接合，如由滚子、楔块(sprag)或球接合，以在离合器的内环和外环之间产生传动连接。 图8示出具有螺旋内轮齿84的用于自动变速器的行星齿轮组的环形齿轮80，该螺旋内轮齿84是通过在模具(die tooling)中在预成型圆筒40、41的内表面上挤出成型产生轮齿净形而冷成型得到的。 参考图9描述用于在模具中通过挤出成型产生凸轮斜面净形以冷成型得到离合器环90的替代方法。如参考图1至图4或图5A至5D和图6所述，使预成型圆筒40、41旋压成型并切割为具有圆柱形内表面16和外表面18的片段42。优选地，预成型圆筒40、41的长度足以产生约十个片段42，并从每个片段42形成离合器环90。 对每个圆柱形片段42进行球化退火并用标准的磷酸盐/润滑皂涂层(phosphate/so即coating)涂覆，这些处理是金属成型操作中的常规处理。 如图9所示，片段42靠住精确磨削成型心轴94放置在挤出成型模具(extrusiontooling)上，该心轴94的外表面上形成有将在离合器环90的内表面上形成的凸轮斜面74的互补形状(negative)。标准的液压机设备用于迫使心轴94沿轴线96进入并穿过圆柱形片段42以在片段42的内表面16上形成凸轮斜面74。
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在片段42的内表面16上形成凸轮斜面74之后，在紧密公差之内磨削片段的外表 面18且内表面16具有围绕轴线96成角度设置并形成近净形(near net shape)的一系列 凸轮斜面74。然后，对离合器环90进行精加工、热处理并上涂层。 参考图10描述用于通过在模具中挤出成型产生轮齿净形以冷成型得到环形齿轮
100的替代方法。首先，参考图1至图4或图5A至5D和图6所述，使图3所示的预成型圆
筒40、41成型并切割为具有圆柱形内表面16和外表面18的片段42。优选地，预成型圆筒
40、41的长度足以产生约十个片段42，并从每个片段42形成环形齿轮100。 对每个圆柱形片段42进行球化退火并用标准的磷酸盐/润滑皂涂层涂覆，这些处
理是金属成型操作中的常规处理。 如图10所示，片段42靠住精确磨削成型的心轴104放置在挤出成型模具中，该 心轴104的外表面上形成有将在环形齿轮100的内表面上形成的螺旋轮齿84的互补形状 106。标准的液压机设备可用于迫使心轴104沿轴线96进入并穿过圆柱形片段42以在片 段42的内表面16上形成轮齿84。 在片段42的内表面上形成轮齿84之后，在紧密公差之内磨削片段42的外表面18 且内表面16具有围绕中心轴线96成角度设置并形成近净形的轮齿。然后，对环形齿轮IOO 进行精加工、热处理并上涂层。 根据专利法律的规定，已描述了优选实施例。然而，应注意，可以实施与具体示出 和描述的实施例不同的替代实施例。
权利要求
一种用于形成部件的方法，所述方法包括下述步骤(a)使工件形成为与轴线同心并包括沿所述轴线延伸的内表面和外表面的中空预成型圆筒；(b)在中空预成型圆筒内放置具有外表面的心轴；及(c)使中空预成型圆筒的内表面和外表面旋压成型，以使中空预成型圆筒的内表面符合心轴的至少部分外表面。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括在工件形成为中空预成型圆筒之前，冲压工件以在工件上形成贯穿板的厚度并以所述轴线为中心的孔；使中空预成型圆筒冷成型为具有法兰，所述法兰相对于所述轴线在径向上延伸、位于 中空预成型圆筒的轴向端部并围绕所述孔； 将尾座插入所述孔；及通过迫使尾座靠着法兰和迫使心轴与法兰接触将中空预成型圆筒固定在心轴上。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)还包括通过模使中空预成型圆 筒冷成型为具有相对于所述轴线在轴向上延伸的法兰的步骤；且所述方法还包括迫使心轴与所述法兰接触以将中空预成型圆筒固定在心轴上。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括下述步骤 在中空预成型圆筒内放置心轴，所述心轴的外表面上形成有螺旋轮齿、圆柱形表面、花键，和用于单向离合器的离合器环的凸轮斜面中的一个。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括下述步骤 在中空预成型圆筒内放置心轴，所述心轴的外表面上形成有围绕所述轴线设置并沿心轴的至少部分长度延伸的螺旋轮齿。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括下述步骤 在中空预成型圆筒内放置心轴，所述心轴的外表面上形成有围绕所述轴线设置并沿心轴的至少部分长度延伸的多个凸轮斜面。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下述步骤将旋压成型的中空预成型圆筒相对于所述轴线横向地切割为片段，每个片段具有轴向 长度，以使中空预成型圆筒的外表面符合期望的形状且中空预成型圆筒的壁具有期望的厚 度。
全文摘要
本发明涉及形成预成型件并从该预成型件形成部件，提供一种用于形成部件的方法，该方法包括使工件形成为与轴线同心并包括沿该轴线延伸的内表面的中空预成型圆筒，在中空预成型圆筒内放置具有外表面的心轴，使中空预成型圆筒的内表面和外表面旋压成型以使中空预成型圆筒的内表面符合心轴的至少部分外表面，及将旋压成型的圆筒相对于该轴线横向地切割为片段，每个片段都具有轴向长度。通过本发明，可制造出近似为净形或完全为净形的成型坯件，并减少材料浪费，降低成本。
文档编号B21D28/24GK101712058SQ200910179348
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年10月3日
发明者基思·休斯, 约瑟夫·斯祖巴, 罗德尼·G·怀特贝克 申请人:福特汽车公司