专利名称：一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法
技术领域：
本发明涉及一种机械加工方法，特别涉及一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法。
背景技术：
齿轮作为传递运动和动力的最基本零件之一，在工程领域特别是在制造业有着非常广泛的应用。其中，直齿圆柱齿轮不仅形状复杂，而且尺寸精度、表面质量及综合力学性能要求很高，并且具有生产批量大的特点。目前，直齿轮生产大多采用传统的切削加工方法，材料利用率低，生产效率低，产品成本高，同时由于金属纤维被切断而导致齿轮强度和使用寿命降低。总之，目前的直齿圆柱齿轮的加工工艺存在以下不足1、材料利用率低；2、生产效率低；3、产品成本高；4、产品强度和使用寿命低等。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种直齿圆柱齿轮精制坯的加工工艺。为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的方案一
一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法，其具体步骤如下第一步下料根据目标齿轮确定坯料的尺寸，进行下料，坯料下部为圆柱形，上部为圆锥形，底部圆柱直径比目标齿轮分度圆直径大69TlO%，顶部倒角为12° 15° ；第二步模具预热使用乙炔焰将模具预热至200°C ^250°C,以减少坯料与模具接触时的热量损失；第三步坯料加热在坯料表面涂抹润滑剂后，通过中高频感应加热对坯料实施差温加热，使坯料外部温度达到温挤压的温度范围，而内部保持较低温度；第四步第一次挤压对坯料进行第一次挤压，挤压前在模具表面涂抹润滑剂，使摩擦系数达到O. 4^0. 6 ；这时所得的工件头部存在一定尺寸的塌角，若直接进行后续加工会造成较多的材料浪费。第五步镦粗对坯料再次加热后进行一定镦粗比的镦粗；第六步反向第二次挤压将镦粗后的坯料塌角段朝上，即将第一次挤压的坯料放置状态调转180°后，进行第二次挤压。这样就可以得到符合尺寸要求的齿轮精制坯，并且具有很高的材料利用率。在方法一第四步中所述的模具包括凸模和凹模，所述的凸模采用具有不完全齿形的类齿轮设计，相当于所要生产的目标齿轮被切去齿顶部分后的形状；这样设计的凸模避免了圆柱类凸模在挤压过程中由于对齿形部分无约束而造成的金属反向流动，产生较大的毛刺。未采用完全齿形设计是因为允许金属适量的反向流动，从而降低成形力，对凹模起到保护作用。所述的凹模包括凹模入模段和凹模成形段；
所述的凹模成形段的内轮廓与目标齿轮平面投影形状一致，而尺寸偏大，是由目标齿轮齿廓向外偏置一定的数值所得；这样设计凹模成形段的目的是，即使挤压过程中轮齿部分角隅填充困难，未能完全充满，也能保证挤压成形后的齿形轮廓达到或稍大于目标齿轮，满足齿轮精制坯的要求。所述的入模部分是具有相应入模角度的倾斜段，入模段高度和入模角度是根据目标齿轮的参数确定的。如齿轮模数为2,入模角度一般选为35° 55° ,入模角过大或过小都会导致工件端部形成较大塌角或充形不足。入模段轮廓是从凹模轮齿中部齿根圆部分一点向成形段过渡的三个过渡曲面。这样设计是为了使充足的金属流向成形段，满足充形的需求。方案二一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法，其具体步骤如下第一步下料按照设计的坯料尺寸下料，坯料下部为圆柱形，上部为圆锥形，底部圆柱直径比目标齿轮分度圆直径大69TlO%，顶部倒角为12° 15° ；第二步模具预热使用乙炔焰将模具预热至200°C ^250°C,以减少坯料与模具接触时的热量损失；第三步坯料加热在坯料表面涂抹润滑剂后，通过中高频感应加热对坯料实施差温加热，使坯料外部温度达到温挤压的温度范围，而内部保持较低温度；第四步第一次挤压对坯料进行第一次挤压，挤压前在模具表面涂抹润滑剂，使摩擦系数达到O. 4^0. 6 ；第五步反向第二次挤压将第一次挤压的坯料放置状态调转180°后，进行第二次挤压。方法二流程与上述方法一流程的不同点是使用了两套凹模，其中第一次挤压所用凹模较第二次挤压所用凹模齿形轮廓更大，可认为将上述方法一流程中的第一次挤压和镦粗工序合并。应当注意的是，为了避免坯料放置时发生倾斜造成设备偏载导致模具受损，在坯料放置时，应将顶出杆顶出至合适位置，将坯料平稳放置在顶出杆上端面，顶出杆随坯料一同压回。本发明提供的一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法，保留了塑性成形方法所具有的材料利用率高、生产效率高、产品机械性能好等特点。同时，克服了其它塑性成形方法遇到的成形力大，角隅填充困难，模具使用寿命低等问题。再配以后续的精加工，有望在塑性成形领域实现直齿圆柱齿轮的工业化生产。本发明主要是直齿圆柱齿轮温挤压工艺成形模具的设计；坯料形状尺寸的设计；齿轮加工的工艺流程；成形过程中润滑条件的实现；模具预热的方法等。由于采用上述技术方案，本发明与传统的直齿圆柱齿轮加工工艺相比，具有这样的有益效果1、采用本发明的工艺方法大大提高了材料利用率和生产效率；2、本发明采用挤压成 形工艺，坯料受三向压应力状态，使材料晶粒细化，提高致密度，并且塑性成形保留了金属纤维的完整性，使产品性能大幅提高；3、本发明采用温成形并结合差温法，降低了氧化皮对加工精度的影响，保证了精制坯的精度；4、本发明的工艺方法所需的模具设计独特，可有效提高模具的使用寿命，降低生产成本。
图1是本发明实施例1直齿圆柱齿轮精制坯示意简图；图2是本发明实施例1坯料形状示意简图；图3是本发明实施例1模具总装图；图4是本发明实施例1凸模轮廓示意简图；图5是本发明实施例 1凹模轮廓示意简图； 图6是本发明实施例1挤压示意简图；图7是本发明实施例2两次挤压凹模轮廓对比图；图中1.底座、2.套筒、3.螺母、4.坯料、5.导柱、6.导套、7.上模座、8.凸模固定套、9.螺钉、10.凸模、11.压环、12.螺钉、13.上垫环、14.凹模、15.套环、16、下垫环、17.螺钉、18.顶杆
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述以模数为2，齿数为31，压力角为20°的标准直齿圆柱齿轮精制坯的温挤压成形为例。材料为20Cr2Ni4，精制坯形状尺寸如图1所示，齿宽B=17. 5mm ;分度圆直径D=62mm ；齿顶圆直径01=66· 9mm ;精制坯与标准齿轮的轮廓偏差Λ =0. 3mm。方法一第一步下料将Φ70的棒料进行切割、车削，得到设计坯料形状尺寸，如图2所示。底部圆柱直径为D=67. 5mm ;顶部直径d=57. 5mm ；H=35mm ;h=15mm。用此坯料一次可生产两个齿厚的齿轮坯。第二步模具预热使用乙炔焰对模具进行预热，使模具和顶杆端部温度达到200°C左右。模具设计如图3所不。凸模如图4所不D=62mm。凹模如图5所不D=65mm ；Da = 100mm ;Db=67mm ;De=55mm ;H=45mm ;h=ll. 5mm ;入模角 a =36。。第三步坯料加热先将提前配置好的润滑剂涂覆于坯料表面，然后使用中高频感应加热对坯料进行加热，使外部温度达到温成形温度范围，而内部保持较低温度。第四步第一次挤压将润滑剂均匀涂抹于模具表面，然后将坯料平稳放置在顶出杆端部，使用Y315压机进行第一次挤压，如图6所示。第五步镦粗将第一次挤压后的坯料重新加热后进行一定镦粗比的镦粗。第六步第二次挤压
将镦粗后的坯料塌角段朝上，即将第一次挤压的坯料放置状态调转180°后，进行第二次挤压。方法二第一步一第三步工序与方法一相同；第四步第一次挤压将润滑剂均匀涂抹于模具表面，然后将坯料平稳放置在顶出杆端部，使用Y315压机进行第一次挤压。第五步第二次挤压将第一次挤压后的坯料重新加热，然后塌角段朝上，即将第一次挤压的坯料放置状态调转180°后，进行第二次挤压。两次挤压所用凹模对比，如图7所示。
权利要求
1.一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法，其特征在于该方法的具体步骤如下第一步下料根据目标齿轮确定坯料的尺寸，进行下料，坯料下部为圆柱形，上部为圆锥形，底部圆柱直径比目标齿轮分度圆直径大69TlO%，顶部倒角为12° 15° ；第二步模具预热使用乙炔焰将模具预热至200°C ^250°C,以减少坯料与模具接触时的热量损失；第三步坯料加热在坯料表面涂抹润滑剂后，通过中高频感应加热对坯料实施差温加热，使坯料外部温度达到温挤压的温度范围，而内部保持较低温度；第四步第一次挤压对坯料进行第一次挤压，挤压前在模具表面涂抹润滑剂，使摩擦系数达到O. 4^0. 6 ；第五步镦粗对坯料再次加热后进行一定镦粗比的镦粗；第六步反向第二次挤压将镦粗后的坯料塌角段朝上，即将第一次挤压的坯料放置状态调转180°后，进行第二次挤压。
2.根据权利要求1所述的一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法，其特征在于在第四步中所述的模具包括凸模和凹模，所述的凸模采用具有不完全齿形的类齿轮设计，相当于所要生产的目标齿轮被切去齿顶部分后的形状；所述的凹模包括凹模入模段和凹模成形段；所述的凹模成形段的内轮廓与目标齿轮平面投影形状一致，而尺寸偏大，是由目标齿轮齿廓向外偏置一定的数值所得；所述的入模部分是具有相应入模角度的倾斜段，入模段高度和入模角度是根据目标齿轮的参数确定的。
3.一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法，其特征在于该方法的具体步骤如下第一步下料按照设计的坯料尺寸下料，坯料下部为圆柱形，上部为圆锥形，底部圆柱直径比目标齿轮分度圆直径大69TlO%，顶部倒角为12° 15° ；第二步模具预热使用乙炔焰将模具预热至200°C ^250°C,以减少坯料与模具接触时的热量损失；第三步坯料加热在坯料表面涂抹润滑剂后，通过中高频感应加热对坯料实施差温加热，使坯料外部温度达到温挤压的温度范围，而内部保持较低温度；第四步第一次挤压第四步第一次挤压对坯料进行第一次挤压，挤压前在模具表面涂抹润滑剂，使摩擦系数达到O. Γ0. 6 ；第五步反向第二次挤压将第一次挤压的坯料放置状态调转180°后，进行第二次挤压。
4.根据权利要求3所述的一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法，其特征在于在第四步中所述的模具包括凸模和凹模，所述的凸模采用具有不完全齿形的类齿轮设计，相当于所要生产的目标齿轮被切去齿顶部分后的形状；所述的凹模包括凹模入模段和凹模成形段；所述的凹模成形段的内轮廓与目标齿轮平面投影形状一致，而尺寸偏大，是由目标齿轮齿廓向外偏置一定的数值所得；所述的入模部分是具有相应入模角度的倾斜段，入模段高度和入模角度是根据目标齿轮的参数确定的。
5.根据权利要求3所述的一种直齿圆柱齿轮的温挤压成形方法，其特征在于在所述的第四步中的第一次挤压所用凹模较所述的第五步中的第二次挤压所用凹模齿形轮廓要大。
全文摘要
本发明公开了直齿圆柱齿轮的温挤压成形工艺方法，旨在采用温成形并结合差温成形对坯料进行加热，合理的模具设计和润滑的选择，其技术方案的要点是方法一挤压+镦粗+反向第二次挤压(同一套挤压模具)；方法二挤压+反向第二次挤压(不同尺寸的凹模)。此成形工艺可有效降低成形力，同时齿形充形良好。其优点是不仅克服了切削加工方法材料利用率低，生产效率低，产品成本高，同时由于金属纤维被切断而导致齿轮强度和使用寿命降低等缺点。同时，克服了其它塑性成形方法遇到的成形力大，角隅填充困难，模具使用寿命低等问题，有望在塑性成形领域实现直齿圆柱齿轮的工业化生产。
文档编号B21C23/02GK103056179SQ201310009770
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者赵军, 王炜, 马瑞 申请人:燕山大学