一种锥齿轮的精密塑性成形方法与流程

本发明属于金属塑性成形技术领域，具体涉及一种锥齿轮的精密塑性成形方法。

背景技术：

锥齿轮可以实现轴线相交的传动，广泛应用于汽车、机械、机床的传动系统中。传统的制造方法是采用棒料制坯或模锻制坯，然后用仿形铣削法、展成刨齿法等进行齿形的切削加工。采用切削加工进行锥齿轮的生产，需要逐齿成形，不仅生产效率低，材料利用率低；而且切削加工使得轧制获得的棒坯或者模锻坯料的金属流线被切断，降低了锥齿轮的抗疲劳强度和使用寿命。

而塑性成形方法是通过压力机迫使金属在模具内流动获取高精度齿形，采用精密锻造工艺获得的锥齿轮，不仅能充分利用材料，生产效率高，而且避免了切削加工对金属纤维的切断，金属流线沿齿廓分布，相对于切削加工生产的锥齿轮抗疲劳强度有着较大提升。因此，锥齿轮的精密塑性成形方法得到了广泛应用，目前国内外较多运用的是闭塞锻造工艺。

在用闭塞锻造工艺生产锥齿轮时，金属在凸模和凹模组成的封闭型腔内流动。由于锥齿轮的形状在径向和轴向均有较大变化，采用圆柱形坯料直接终锻成形经常会导致金属向模腔各部位流动不均匀，使得齿形充填不完整。加大压力机载荷可以提高齿形充填，但会导致金属变形超出极限，锻件沿齿向会出现开裂，模具受力也随之增大，寿命急剧降低。

增加预成形件可以将圆柱坯料预先成形为接近于终锻件的形状，在将预成形件放入终锻模具进行成形时金属流动距离短、变形均匀、充填饱满，能有效提高锥齿轮锻件产品质量，提高模具寿命。虽然增加了一副模具和设备，但能获取高精度的锥齿轮锻件，齿面仅需磨削即可应用，因此是有效的一种成形工艺。

但预成形件形状的设计是上述工艺的难点。对于预成形件的形状，既要保证由圆柱体坯料成形为预成形件的可行性，又要保证预成形件放入终锻模具时的充填能力。因此要求预成形件形状较简单同时又要接近于终锻件。对于锥齿轮零件，沿径向齿形的截面不断变化，绕轴向有周期的齿顶、齿根起伏，产品形状复杂。其预成形件的设计目前靠经验进行，没有系统完善的设计方法。

公开号cn102563010b的发明给出了内孔具有对称内圆头平键槽结构的伞齿轮的精锻方法和模具冲头，提出了预成形后精锻的工艺，其预成形件直接设计为齿形毛坯，后续通过粗成形、抛丸和精成形提高齿形精度。该方法对于金属的流动充填、模具受力情况的改善没有作用，只是通过在预成形件上增加了键槽定位坑，以便于在精成形时坯料的精确定位。

公开号为cn107252829a的发明给出了一种锥齿轮轴的精密近净成形工艺及装置，给出了根据锥齿轮轴的齿锥角和轴台阶的形状初步预成形锥毛坯。其锥毛坯锥形部位按锥齿轮轴的齿锥角而定，未考虑锥齿轮大端和小端截面的不同对成形时金属流动的影响，导致金属在径向上会有较多流动，增大了模具受力和模具的磨损。在该发明中是通过设置透气分流孔控制金属向内、外的流动，透气分流孔的直径依据经验而得。过大会导致锥齿轮充填不满，过小会导致模具开裂。预成形毛坯也未考虑锥齿轮精锻件绕轴向有周期的起伏特征。

舒其复、池成忠、陈翔、谢文智、伍太宾、陈晓伟等均给出了渐开线齿形截面积的计算公式，可以计算任意节锥处的轮齿面积，提出可以作为设计预锻毛坯形状的基础。但该公式是垂直于节锥方向建立而不是垂直于齿轮的径向，公式复杂、应用不便，而且只是齿形部位的截面积，未考虑除了轮齿之外的齿轮形状。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种锥齿轮的精密塑性成形方法，以解决现有技术中存在的锥齿轮预成形件形状设计靠经验，成形不稳定，充填不均匀，锻件精度低，模具寿命低等难题，实现了锥齿轮的精密塑性成形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种锥齿轮的精密塑性成形方法，所述方法包括如下步骤：

获取锥齿轮精锻件的表征参数；

通过所述表征参数获得波浪线数据和引导线；

根据所述波浪线数据和引导线进行预锻模具的制造；

将圆柱体坯料放入所述预锻模具中进行闭式模锻获得预成形件。

进一步的，所述表征参数包括齿数、大端模数、齿宽和分锥角。

进一步的，所述波浪线数据包括锥齿轮精锻件的齿形大端处对应的波浪形半径、齿形大端处对应的波浪形高度、齿轮大端处对应的波浪形波浪高度、齿形小端处对应的波浪形半径、齿形小端处对应的波浪形高度和齿轮小端处对应的波浪形波浪高度。

进一步的，所述齿形大端处对应的波浪形半径通过如下公式获得：re＝(me×z+2×ha×cosδ)/2-δ；

所述齿形大端处对应的波浪形高度设置为he＝0；齿轮大端处对应的波浪形波浪高度为0～(ha+hf)/2；

齿形小端处对应的波浪形半径为：

ri＝re-b×sinδ；

齿形小端处对应的波浪形高度设为：

hi＝he+b×cosδ

齿轮小端处对应的波浪形波浪高度为：

0～[ha-b×sin(δa-δ)+hf-b×sin(δ-δf)]/2；

其中，me为大端模数，z为锥齿轮齿数，ha为齿顶高，δ为分锥角，δa为顶锥角，δf为根锥角，b为齿宽，hf为齿根高，δ为预成形件能置入终锻模具的单边空隙，取0.5～1mm。

进一步的，所述引导线获取方法包括：

计算所述锥齿轮精锻件沿径向多个位置的截面面积；

将所述截面面积按圆柱面转换为高度，连接各径向位置的高度点；

对所述高度点进行修正，获得预成形件在径向上与锥齿轮精锻件一一对应的引导线。

进一步的，所述预锻模具的制造方法包括：

获取波浪线的三维空间坐标值；

在三维空间中，以大端和小端波浪线作为截面，通过引导线扫掠获得预成形件的上表面图形；

通过预成形件的上表面图形为依据制备预锻模具。

进一步的，所述波浪线的三维空间坐标值通过如下公式计算：

xt＝r×cosθ

yt＝r×sinθ

zt＝hw×sin(θ×z)+h

式中，xt、yt和zt分别为波浪线在给定参数下的三维空间内的x、y和z三个坐标方向上的坐标值，r为波浪形半径，hw为波浪形高度，θ为0～360°，z为锥齿轮齿数，h为波浪形波浪高度。

进一步的，所述预成形件的径向尺寸比锥齿轮精锻件的径向尺寸小0.5～1mm。

进一步的，从中心轴到齿形小端，预成形件与锥齿轮精锻件在任一径向位置处的圆柱面截面积比为1：1；

从齿形小端到齿宽中点，预成形件与锥齿轮精锻件在任一径向位置处的圆柱面截面积之比由(1～1.05)：1线性变化到1：1；

从齿宽中点到齿形大端，预成形件与锥齿轮精锻件在任一径向位置处的圆柱面截面积之比由1：1线性变化到(1～1.05)：1。

进一步的，所述方法还包括：将所述预成形件置入终锻模具中进行齿形部位的闭塞镦挤成形，得到具有完整齿形的锥齿轮精锻件。

进一步的，从锥齿轮的中心轴沿径向向外，预成形件与锥齿轮精锻件在任一径向位置处的圆柱面截面积ar一一对应；在锥齿轮轴向方向上，齿形部位的预成形件圆柱形截面具有波浪形。

进一步的，根据公式hp＝ar/(2πrp)计算出径向为rp处预成形件表面平均高度hp，修正后绘出引导线；

进一步的，所述预成形件与锥齿轮精锻件的各个齿相对应。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过预成形件的三维模型设计方法，在径向上，利用三维造型软件，根据建立的锥齿轮精锻件模型，获取径向上各位置圆柱面截面面积，建立径向引导线；在轴向上，给出了波浪线公式，直接代入锥齿轮精锻件的齿数、大端模数、齿宽等参数可直接获得大端和小端波浪线，然后根据大端和小端波浪线、引导线建立预成形三维模型，该方法简单，易用；

(2)增加预成形件可以将圆柱坯料预先成形为接近于终锻件的形状，在将预成形件放入终锻模具进行成形时金属流动距离短、变形均匀、充填饱满，能有效提高锥齿轮锻件产品质量，提高了模具寿命，虽然增加了一副模具和设备，但能获取高精度的锥齿轮锻件，齿面仅需磨削即可应用，因此是有效的一种成形工艺；

(3)在锥齿轮精锻件的径向上，预成形件与锥齿轮精锻件在任一径向位置处的圆柱面截面积一一对应，在轴向方向上，齿形部位的预成形件圆柱形截面具有波浪形，本发明通过预成形件的设计，其金属体积分配与最终锥齿轮精锻件的体积在径向上保持一致，在终锻时金属主要沿轴向流动变形，沿径向的流动几乎没有，预成形件在轴向上完成了齿形部位的预分配，减小了终锻时充填满齿形的难度和金属流动距离，使得锥齿轮的精锻金属流动距离短，有效减少了金属流动阻力，提高了金属充填能力，减少了金属充填载荷需求，降低了模具受力，提高了模具寿命。

附图说明

图1是锥齿轮精锻件的示意图；

图2是锥齿轮精锻件在任一径向位置处的圆柱面截面示意图；

图3是锥齿轮精锻件在多个径向位置处的圆柱面截面示意图；

图4是锥齿轮预成形件表面设计示意图，包含大端和小端波浪线、径向引导线；

图5是锥齿轮的预成形件表面大端和小端波浪线所用设计参数；

图6是锥齿轮预成形件的表面示意图；

图7是本发明提出的一种锥齿轮预成形件示意图；

图8是本发明提出的一种锥齿轮预成形件示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种锥齿轮的精锻件，齿数z为30，大端模数me为2.5，齿宽b为15mm，分锥角δ为75°。在用圆柱体坯料直接成形时，齿形难以充满，影响了产品质量，为了解决该技术难题，采用了如下所述的锥齿轮的精密塑性成形方法。

下料及坯料预处理：

将20crmnti圆棒料表面剥皮为锯切下料15mm高的棒料，获得所需规格的圆柱形坯料，然后根据需要进行磷皂化润滑、软化退火处理，获得圆柱体坯料。

预成形件径向设计：

对图1所示锥齿轮精锻件取径向某一位置截面，该截面包括圆柱面与锥齿轮部分，测量圆柱面截面面积，的如图2所示，沿径向测量多个位置的截面面积，如果图3所示，将所得截面面积按圆柱面转换为高度，连接各径向位置的高度点，并进行修正，获得预成形件在径向上与锥齿轮精锻件一一对应的引导线，如图4所示。

预成形件轴向设计：

如图4所示，分别计算锥齿轮精锻件的齿形大端处对应的波浪形半径re，齿形大端处对应的波浪形高度设置为he＝0，齿轮大端处对应的波浪形波浪高度为hwe取0～(ha+hf)/2，hwe取2，计算齿形小端处对应的波浪形半径为ri，齿形小端处对应的波浪形高度hi，齿轮小端处对应的波浪形波浪高度为hwi取0.8，按所述波浪线函数用软件作出大端和小端波浪线，本实例波浪线所用参数见图5。

预成形件设计：

如图6所示，以大端和小端波浪线作为截面，以沿径向截面积的变化曲线为引导线扫掠获得预成形件的上表面图形，与锥齿轮精锻件的各个齿相对应，以所得预成形件的上表面图形为依据，完成预成形件形状设计，如图7所示。

预成形：

按前述预成形件形状进行预锻模具的设计与制造，将的圆柱体坯料放入与预成形形状对应的预锻模具中进行闭式模锻获得预成形件。

终锻：将预成形件置入终锻模具中进行齿形部位的闭塞镦挤成形，得到具有完整齿形的锥齿轮精锻件。

锻后处理：根据需要用砂轮对闭塞锻造时从模具间隙挤出的金属毛刺进行切除打磨，以提高锻件的表面质量。然后进行热处理以改善锥齿轮的强韧性，对齿形部位进行少量磨削加工，进一步提高齿形的精度。

图8为一齿数z为15，齿轮大端处对应的波浪形波浪高度hwe取2，小端处对应的波浪形波浪高度hwi取0即小端为一圆形时的预成形件。

因此，依据锥齿轮的齿数、模数、分锥角、齿宽等参数以及承载齿形的基体形状，快速高效得设计锥齿轮的预成形形状，使其在终锻成形时减少沿径向的流动，降低沿轴向流动的难度，保证齿形部位的成形；降低模具受力，避免开裂，减少金属流动，降低模具磨损，对锥齿轮精密塑性成形工艺的应用推广具有重要的经济意义和技术价值。

该方法特别适合直齿锥齿轮，也可用于斜齿锥齿轮、弧齿锥齿轮、零度锥齿轮、摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮的大批量精密成形。

预成形件形状与终锻件形状接近，与锥齿轮零件对应，沿径向齿形的截面不断变化，绕轴向有周期的起伏，同时预成形件形状较简单，由圆柱体坯料经预锻成形容易获得。

本发明也可用于轴向和径向有规律特征的回转体零件的预成形设计。

上述内容仅为本发明的一种实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的各种等价形式的修改和变化等，均应归属于本发明的权利要求所限定的范围。