一种大型齿轮局部感应加热挤压成形方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种材料加工方法，特别是用于大齿轮的塑性成形方法。

背景技术：
：

齿轮是机械传动中应用最为广泛的基础零部件之一，各国齿轮的年需求量均十分浩大，齿轮制造技术对于齿轮质量及其成本均有极大的影响。

齿轮制造，最关键的技术是其齿形加工。齿形加工方法很多，按加工过程中有无切削，可分为无切削加工和有切削加工两大类。

无切削加工法加工齿形，也叫塑性成形法，包括热轧齿轮、冷轧齿轮、精锻、精冲、粉末冶金等工艺。无切削加工具有生产率高，材料消耗少、成本低等一系列的优点，目前已推广使用。但因其加工精度较低，工艺不够稳定，生产批量小时成本偏高。另外无切削加工工艺所需要的成形力很大，故生产大型齿轮时，这种方法会受到设备吨位的限制。

齿形的切削加工，其加工原理可分为成形法和展成法两种。成形法所用刀具的切削刃形状与被切齿轮的齿形形状相同，成形刀具的切削刃就是工件外形。用成形法加工齿形的工艺技术主要有用齿轮铣刀铣齿、成形砂轮磨齿、齿轮拉刀拉齿等。这些方法由于存在分度误差及刀具的安装误差，所以加工精度较低，一般只能加工出9-10级精度的齿轮。此外，加工过程中需作多次不连续分齿，生产率也很低。因此，主要用于单件小批量生产和修配工作中加工精度不高的齿轮。

展成法是应用齿轮啮合的原理来进行加工的，用这种方法加工出来的齿形轮廓是刀具切削刃运动轨迹的包络线。齿数不同的齿轮，只要模数和齿形角相同，都可以用同一把刀具来加工。用展成原理加工齿形的方法主要滚齿、插齿、剃齿、珩齿和磨齿等。展成法的加工精度较高，刀具通用性好，所以在生产中应用十分广泛。

展成法及成形法与塑性成形法相比，其共同的缺点就是加工量大、加工工艺复杂、生产效率很低而生产成本高。

对于大型齿轮齿形，目前唯一的制造方法是切削加工，但其加工工时耗费巨大，导致制造成本很高。若采用通常的锻造方法加工其齿形，又需要大吨位的成形设备。如采用常规工艺方法，热锻一个外径1000mm的钢制齿轮，需要4万吨的自由锻造液压机，而热锻一个直径为1500mm齿轮，则需要10万吨的液压机。如此苛刻的设备条件，目前国内国际的机械制造领域，均无法满足。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可大幅度地降低大型齿轮齿形锻造时成形力的大型齿轮局部感应加热挤压成形方法。

本发明包括模具及加工方法。

一、模具

本发明的模具主要包括下模座、凹模、压头、导套、上模座、压头固定件、导柱、顶件器及顶出杆、感应加热线圈及控制系统。其中，凹模安装在下模座上，凹模在轴向分为“引入段”、“成形段”与“整形段”三部分。凹模的最上部为引入段，中间部分为成形段，下部为整形段。引入段上端开口大于下端开口，与成形段之间呈大圆弧光滑过度。引入段与成形段的交界是坯料外表面与凹模内表面的交界。成形段内表面与整形段亦采用大圆弧过度，且设有和齿轮齿形对应的凹槽，成形段凹槽由上至下尺寸逐渐接近整形段齿槽的尺寸。成形段凹模横截面上，以坯料原始外径所处的位置将凹模分为“内凸”区与“外凹”区。凹模整形段是母线为直线的柱体，其截面形状尺寸除了与所要制作的齿轮零件相对应以外，还留有适度的精加工余量。坯料从成形段进入整形段的过程中逐渐完成齿廓的成形。在凹模整形段内设有与其截面形状尺寸相对应的柱形顶件器，顶件器下端与顶出杆上端相连，顶件器上端面设置定位结构以便坯料放置时定位准确，顶出杆与成形设备的顶出机构相连。在凹模顶部设有内径大于坯料外径的感应加热线圈，其与控制系统相连，该控制系统采用工频电磁感应局部加热，通过调整控制系统的频率、功率、电压以及通电时间来控制被加热工件的温度及加热区范围。所述压头为圆盘形，其周边的外形及尺寸与成形后齿轮的外形及尺寸相同，其下表面有一个深度不小于5mm的凹坑，凹坑的径向尺寸比坯料的非加热区小3-5mm。该压头与压头固定件下端固定连接，压头固定件上端与上模座固定连接。

二、本发明方法包括如下步骤：

(1)制坯：根据齿轮零件尺寸确定坯料的大小，坯料形状为圆柱体(或者与齿轮结构相似的圆环)，坯料横截面积等于齿轮横截面积的1.005-1.01倍，坯料高度与齿轮零件高度相等。坯料外表面须粗加工，坯料下表面设置与顶件器上表面相配合的定位结构。

(2)上料：成形设备的顶出机构将顶件器推出至其顶面略高于或等于感应加热线圈顶面的位置，将坯料放在顶件器上，并通过顶件器上表面与坯料下表面上设置的定位结构精准定位。

(3)加热：成形设备的顶出机构下降，坯料随之下移至感应加热线圈之间，通过控制系统向加热线圈通电对坯料进行加热，使坯料圆柱面表层温度达到相应材料的始锻温度，坯料加热层深度为齿轮齿高的1.5-1.8倍。

(4)挤压：在通用或专用液压机上对坯料进行挤压操作。在顶出力保持作用的条件下，通过压头将坯料压入凹模直至顶件器下表面与下模座上表面接触。成形设备的控制系统须使顶件器与压头同步运动。在此过程中，与凹模“内凸”区接触的坯料部分被挤入凹模“外凹”区，形成齿轮齿形。挤压过程中，除了表面加热层以外，坯料中的大部分区域温度较低而不产生任何塑性变形。

(5)热处理及精加工：根据齿轮的使用要求，对齿轮进行齿形表面必要的热处理及精加工以满足其设计需求。

本发明与现有技术相比具有如下优点：可以使大型齿轮锻造时的成形力降低85-90％，实现大型齿轮齿形的近净成形，为大齿轮的生产提供一个更经济、更有效的生产方法。

附图说明

图1是本发明模具主视剖面示意简图；

图2是本发明坯料加热位置示意简图；

图3是本发明凹模轴向剖面示意简图；

图4是本发明凹模成形段径向截面视图；

图中：1、下模座，2、凹模，2-1、凹模引入段，2-2、凹模成形段，2-3、凹模成形段，2-4凹模外凹区，2-5、凹模内凸区，3、压头，4、导套，5、上模座，6、压头固定件，7、感应加热线圈，8、坯料，8-1、坯料加热区，8-2、坯料非加热区，8-3，坯料外缘位置，9、导柱，10、顶件器，11、顶出杆，12、感应加热控制系统，13、测温计。

具体实施方式

在图1所示的大型齿轮局部感应加热挤压成形模具主视剖面示意简图中，凹模2安装在下模座1上，凹模最上部为引入段2-1，中间部分为成形段2-2，下部为整形段2-3，如图3所示。该凹模引入段上端开口大于下端开口，与成形段之间呈大圆弧光滑过渡。引入段与成形段的交界是坯料外表面与凹模内表面的交界。成形段内表面与整形段亦采用大圆弧过度，且设有和齿轮齿形对应的凹槽，成形段凹槽由上至下尺寸逐渐接近整形段齿槽的尺寸。成形段凹模横截面上，以坯料原始坯料外缘位置8-3将凹模分为“内凸”2-5区与“外凹”区2-4，如图4所示。凹模整形段是母线为直线的柱体，其截面形状尺寸除了与所要制作的齿轮零件相对应以外，还留有适度的精加工余量。在凹模整形段内设有与其截面形状尺寸相对应的柱形顶件器10，顶件器下端与顶出杆11上端相连，顶件器上端面设置定位结构，顶出杆与成形设备的顶出机构相连。在凹模顶部设有内径大于压头和压头固定件外径的感应加热线圈7，其与控制系统12相连，感应线圈选用材料为t3铜，截面形状为空心矩形的环形线圈。感应线圈通电后，在坯料8外层区域产生感应电流，将坯料加热区8-1加热到相应材料的锻造温度，而其非加热区8-2温度变化很小。所述压头3为圆盘形其周边的外形及尺寸与成形后齿轮的外形及尺寸相同，其下表面有一个深度不小于5mm的凹坑，凹坑的径向尺寸比坯料的非加热区小3-5mm。该压头通过紧固件与压头固定件6下端活动连接，该压头固定件上端与上模座5固定连接，导套4与导柱9(各两个)分别安装在上、下模座上，且在成形过程中相互配合起到导向作用。

实施例1

某大齿轮模数为25，齿数为40，齿宽为200mm，齿轮内孔直径为250mm，材料为42crmo合金钢，本案例是通过以下步骤实现的：

(1)制坯：该齿轮的横截面积为730577.969mm²，车削加工一个内径为250mm，外径为1000mm，厚度为200mm的环形坯料8，坯料的横截面积为736310.78mm²，是齿轮环节面积的1.008倍。坯料下端面加工一个直径为400mm的锥形浅凹坑作为定位结构。

(2)上料：成形设备的顶出机构将顶件器推出至其顶面略高于感应加热线圈顶面的位置，将坯料放在顶件器上，并通过顶件器上表面的锥形凸台与坯料下表面上设置的锥形凹坑精准定位。

(3)加热：成形设备的顶出机构下降，坯料随之下移至感应加热线圈之间，通过控制系统向加热线圈通电对坯料进行加热，如图2所示，加热到所用材料的热成形温度1180°-1200°，坯料加热层8-1深度为100mm(是齿轮齿高的1.78倍)，如图2阴影部分所示。

(4)挤压：借助如图1所示的模具，在吨位不小于60mn的通用液压机上对环形坯料的被加热区进行挤压操作。在顶出力保持作用的条件下，通过压头将坯料压入凹模直至顶件器下表面与下模座上表面接触。成形设备的控制系统须使顶件器与压头同步运动。在此过程中，与凹模“内凸”区2-5接触的坯料部分被挤入凹模“外凹”区2-4，形成齿轮齿形。

(5)精整：结合产成品的设计要求，采用微量塑性加工或者微量切削加工对齿形进行精加工，使齿形满足精度要求。

实施例2

某大齿轮模数为20，齿数为60，齿宽为240mm，齿轮内孔为280mm，，材料为45钢，本案例是通过以下步骤实现的：

(1)制坯：该齿轮的横截面积为1064486.820mm²，车削加工一个内径为280mm，外径为1203mm，厚度为240mm的环形坯料8，坯料的横截面积为1075060.mm²，是齿轮环节面积的1.01倍。坯料下端面加工一个直径为500mm的锥形浅凹坑作为定位结构。

(2)上料：成形设备的顶出机构将顶件器推出至其顶面高于感应加热线圈顶面的位置，将坯料放在顶件器上，并通过顶件器上表面的锥形凸台与坯料下表面上设置的锥形凹坑精准定位。

(3)加热：成形设备的顶出机构下降，坯料随之下移至感应加热线圈之间，通过控制系统向加热线圈通电对坯料进行加热，加热到所用材料的热成形温度1180°-1200°，坯料加热层8-1深度为80mm(是齿轮齿高的1.78倍)。

(4)挤压：借助如图1所示的模具，在吨位不小于80mn的专用液压机上对环形坯料的被加热区进行挤压操作。在顶出力保持作用的条件下，通过压头将坯料压入凹模直至顶件器下表面与下模座上表面接触。成形设备的控制系统须使顶件器与压头同步运动。在此过程中，与凹模“内凸”区2-5接触的坯料部分被挤入凹模“外凹”区2-4，形成齿轮齿形。

(5)精整：结合产成品的设计要求，采用微量塑性加工或者微量切削加工对齿形进行精加工，使齿形满足精度要求。