专利名称：工件的扩大加工方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使由塑性材料制成并且具有轴线的工件的一部分变形并且 扩大的扩大加工方法，更具体地，使该工件的外表面的一部分变形并且扩大的扩大加工方法。
背景技术：
作为用于使由作为塑性材料的金属材料制成的轴部件设置有期望的阶梯结构的 方法，除了诸如切削加工、压制加工或模锻加工的方法之外，还已知一种扩轴加工方法(例 如，参见专利文献1)。根据专利文献1中描述的加工方法，在使轴部件旋转时，一边对该轴 部件施加弯曲一边在该轴部件的轴线方向上对该轴部件施加压缩力。所述压缩力和弯曲塑 性变形，即，扩大轴部件的外周表面的一部分使得该外周表面的该部分形成为扩大部。根据该扩大加工方法，与切削加工不同，不会产生切屑，并且显著地减少了加工时 间。此外，与用于实施压制加工或模锻加工的加工机器相比，能够使实施扩大加工方法所用 的加工机器小型化并且能够减小加工负荷。因此，近些年来，愈发关注扩大加工方法。现有技术文献专利文献专利文献1日本专利No. 3788751的说明书
发明内容
本发明要解决的问题专利文献1的扩大加工方法是基于塑性加工的机械原理。更具体地，在使轴部件 旋转的同时，使轴部分相对于其轴线以3°到6°的弯曲角弯曲，并且这种弯曲对该轴部件 反复增加旋转弯曲应力。结果，专利文献1的扩大加工方法利用所述旋转弯曲应力作为扩 大加工的驱动力，并且在该轴部件中产生逐次塑性变形而扩大了该轴部件的一部分。然而，在专利文献1的扩大加工方法的情况下，施加在轴部件的轴向上的压缩力 非常小以至于几乎不能补充由该轴部件的扩大而导致的该轴部件的轴向收缩，并且更具体 地，该压缩力小于工件的初始屈服强度。因此，当在扩大加工期间，轴部件弯曲超过上述弯 曲角时，轴部件受到所述弯曲的那部分与该轴部分的初始轴线大大地偏离，这很可能导致 轴部件的翘曲，并且难以在该轴部件上稳定地加工扩大部。本发明的目的是提供一种工件扩大加工方法，其可以在工件上稳定地形成扩大部 而不会引起工件的翘曲、需要较少的能来分解内能，并且在加工期间能够可靠地避免工件 的疲劳损坏。解决问题的方法为了实现上述目的，本发明提供了一种用于使由塑性材料制成的工件的外表面发 生塑性扩大变形的扩大加工方法，所述工件包括轴线以及在其外表面上的无约束目标扩大 区域。更具体地，根据本发明的方法包括保持工件，并且在施加使在工件中产生等于或大于初始屈服强度的缩压应力以增加该工件的内能的压缩能同时，在与所述轴线相交的横向 上施加使所述工件在其弹性限度内变形的交替能，由此，在分解和消耗由压缩能所增加的 内能的一部分的同时，所述交替能使目标扩大区域塑性变形并且扩大。
根据上述的本发明的方法，交替能几乎不增加引起工件在该工件的横向上弹性变 形的反复应力。然而，所述反复应力足以有效地分解由于压缩能的施加所增加的工件的内 能。因此，在形成工件的塑性材料中生成了塑性流动的同时，由内能的分解而获得的那部 分分解的内能被消耗，从而工件的处于无约束状态下的目标扩大区域中生成了塑性扩大变 形。更具体地，反复应力在工件的轴中心处变为最大并且在该工件的外周上变为零。 因此，内能在工件的轴中心处分解，并且从工件的轴中心引起了上述塑性流动。结果，只要 维持对工件施加压缩能和交替能，就能在消耗由于分解内能所获得分解能的同时，即，借助 分解能，基于所谓的机械棘轮效应(mechanical ratchet phenomenon)在目标扩大区域逐 渐且可靠地进行扩大变形。结果，能够将工件的目标扩大区域形成为期望的扩大部。更具体地，压缩能是在工件的轴向或径向中的一个方向上压缩该工件的压缩力， 并且在工件的横截面中施加交替能来作为每单位体积给定的交替剪切能。交替剪切能通过 使工件位于目标扩大区域的一侧上的端部在工件的轴向上强制移位，而在工件中产生反复 剪切应力，或者，通过将交替冲击扭曲施加于工件而产生交替剪切能。此外，当工件是中空管件时，所述交替能也可以由声能产生。更具体地，在使工件 的一端闭合的同时从该工件的另一端将超声波引入到该工件中。另一方面，当使目标扩大 区域变形和扩大时，可以使用外形约束件。将该外形约束件布置成环绕目标扩大区域，并且 该外形约束件的内表面结构限定了通过扩大目标扩大区域而获得的扩大部的外周结构。例 如，该外形约束件可以用于将扩大部形成为锥齿轮。此外，外形约束件可以一体地接合于扩 大部，并且在这种情况下，扩大部通过压力配合，即，接合配合，而连接于外形约束件。通过下面将描述的附图和本发明的各实施例，用于使工件的端部强制移位的详细 方法将更加清楚。本发明的有益效果本发明的扩大加工方法通过对所保持的工件施加产生等于或大于初始屈服强度 的压缩应力的压缩能以及在工件的横向上施加使该工件在其弹性限度内变形的交替能，而 使工件的目标扩大区域稳定地变形和扩大。根据本发明，不需要对工件施加过大的交替能， 并且因而，在扩大过程期间的工件中不存在产生翘曲变形或疲劳损坏的这种情况，从而可 以在工件上确定地形成期望的扩大部。此外，由于在工件内增大的内能的一部分用于形成扩大部，所以能够减少进行扩 大变形所需要的交替能以及伴随该扩大变形而产生的热量，使得有效地抑制了工件的温度 上升。结果，根据本发明的扩大加工方法，能够执行扩大过程，同时无需使工件冷却就能防 止诸如蓝脆性的工件的热变，从而显著地提升了扩大加工的可操作性。
图1是用于示意地说明本发明的扩大加工方法的机构的框图。图2是第一实施例的用于执行扩大加工方法的加工机器的示意图，其中(A)图示了加工机器在加工工件之前的状态，而(B)图示了加工机器在加工工件过程中的状态。图3示出了工件被加工时的状态，其中(A)是示出了工件的旋转数与工件的扩大 率之间的关系的曲线图，(B)是示出了旋转时间常数与扩大率之间的关系的曲线图，而(C) 是示出了工件的压缩应力与旋转时间常数之间的曲线图。图4是示出了第二实施例的用于执行扩大加工方法的加工机器的一部分的侧视 图，即，用于保持工件的一端的保持件的侧视图。图5是示出了保持图4的工件的另一端的旋转件内部的套筒保持器的平面图。图6是沿图5的线VI-VI截取的套筒保持器的剖视图。图7是示出了套筒保持器相对于旋转件的偏心的示意图。 图8图示了第三实施例的用于执行扩大加工方法的加工机器，其中㈧图示了加 工机器在加工工件之前的状态，而(B)图示加工机器在加工工件的过程中的状态。图9图示了第四实施例的用于执行扩大加工方法的加工机器，其中(A)图示了加 工机器在加工工件之前的状态，而(B)图示了加工机器完成了工件加工的状态。图10是示出了用于使图8的驱动件以往复的方式旋转的结构的示意图。图11是示出了图8的接受部的端面的示意图。图12是示出了用于对工件而不是图9的结构施加冲击扭矩，以执行第五实施例的 扩大加工方法的机构的示意图。图13是用于执行第六实施例的扩大加工方法的加工机器的示意图。图14是用于执行第七实施例的扩大加工方法的加工机器的示意图。图15是用于执行第八实施例的扩大加工方法的扩大加工机器的示意图。图16是示出了在图15的加工机器中使用的外形约束件的实例的示意图。图17是示出了形成为扩大部的锥齿轮的透视图。参考标号I、2套筒保持器4、5支撑件6 保持件7 套筒保持器8 旋转件9 凹槽10 丝杠11、12套筒保持器21、22套筒保持器23、24 支撑件25 衬圈26 驱动件30 电动机32 振动发生器33 超声波发生器34 封闭板
35外形约束件H扩大部W工件X基准线
具体实施例方式在图1中，工件W被图示为由塑性材料制成的轴部件，更具体，由 金属材料制成的 轴部件。通过对工件W施加等于或大于该工件的初始屈服强度的压缩应力作为压缩能并且 在与工件W的轴线相交的横向上施加交替能来增加工件W的内能而实施本发明的扩大加工 方法，并且交替能在工件W的弹性限度内施加反复应力并且被抑制到使工件W变形的程度。 在图1中，压缩能由在工件W的轴向上从该工件W的两端施加于该工件W的压缩力表示。当在工件W的横向上反复地施加交替能时，在工件的横截面内生成反复应力。该 反复应力分解工件W的内能，从而产生分解能。当在工件中发生塑性流动时，消耗了部分分 解能。由于反复弯曲应力在工件W的轴中心处变为最大，而在工件W的外周上变为零，所 以从工件W的轴中心引发了塑性流动。因此，在维持将压缩能和交替能施压于工件W并且 该工件具有处于无约束状态的目标扩大区域(相当于图1所示的实例中工件W的整个轴向 区域的外周表面)的情况下，借助于目标扩大区域中的分解能，促进了从工件W的轴中心引 发的塑性流动，并且该目标扩大区域基于所谓的机械棘轮效应而逐渐变形并扩大。图2的(A)和(B)示意地示出了第一实施例的执行扩大加工方法的加工机器。该 加工机器包括基准线X和一对套筒保持器1、2。这些套筒保持器1、2设置在基准线X上并 且沿着该基准线X彼此间隔开。套筒保持器1能够绕着基准线X旋转，并且还能够在基准 线X上倾斜，即，关于倾斜中心0倾斜。此外，在图2所示的加工机器中，能够单独调节套筒 保持器1相对于基准线X的倾斜角θ和倾斜中心0。在另一方面，套筒保持器2绕着基准线X被可旋转地支撑，并且能够沿着该基准线 X运动，即，能够朝向和远离套筒保持器1运动。此外，套筒保持器2可以受到指向套筒保 持器1给定压力。分别具有套筒孔的套筒保持器1、2以及这些套筒孔可以在相应端部处容 纳工件W的端部。容纳在套筒孔中的工件W的两端由支撑件4、5支撑，并且这些支撑件4、 5设置在相应的套筒保持器1、2中。因此，工件W以其轴线与基准线X —致的状态而保持在 支撑件4、5之间。在该实施例的情况下，工件W是由金属材料制成的实心轴部件。图2的㈧示出了工件W被设定在套筒保持器1、2之间的初始状态，S卩，在使工件 W扩大之前的状态。以这种方式，当工件W处于初始状态时，套筒保持器1、2沿着基准线X 以给定距离Ltl彼此间隔开。在这种情况下，工件W的目标扩大区域由该工件W从套筒保持 器1、2露出的外周表面所定义，并且处于无约束状态。尽管套筒保持器1的倾斜中心0朝 着套筒保持器2的一侧与套筒保持器1间隔了给定距离，但是倾斜中心0存在于工件W在 目标扩大区域内的轴线上。当从初始状态开始对套筒保持器2施加压力时，工件W在其轴向上受到压缩能， 即，压缩力。压缩力在工件W中产生了等于或大于该工件的初始屈服强度的压缩应力，从而 增加了工件W的内能。在使套筒保持器1开始绕着基准线X旋转，同时该套筒保持器1开始以上述压缩状态倾斜时，工件W与套筒保持器1、2 —起绕其轴线旋转，同时工件W与套筒 保持器1 一起从与倾斜中心O —致的弯曲中心弯曲。抑制工件W的倾斜角Θ，使得工件W 的弯曲变形落在其弹性限度的变形范围内。工件W的 旋转和弯曲动作引发了工件W在位于套筒保持器1内的那部分强制移 位。该强制移位在工件W的与其轴线(基准线X)以直角相交的横截面中产生了交替能，更 具体地，每单位体积产生特定的交替剪切能。交替剪切能将反复的剪切应力添加到工件W 的横截面中，并且该反复的剪切应力分解了由压缩能所增加的工件W的内能的一部分。由 该分解而获得的分解能通过在工件W内引发材料从轴中心塑性流动而被消耗。结果，在维持对工件W施加压缩能和交替剪切能的情况下，借助于在工件W的目标 扩大区域内的分解能，即，工件W的处于无约束状态下的那部中的分解能，促进了材料的塑 性流动。换句话说，基于机械棘轮效应在工件W的目标扩大区域中产生了扩大变形，并且如 图2的(B)所示，目标扩大区域变形为径向向外扩大，从而在工件W中形成了扩大部H。另一方面，随着扩大变形逐渐进行，被持续施加到套筒保持器2的压力，S卩，压缩 能(压缩力)使套筒保持器2朝着套筒保持器1移动。之后，当扩大部H发展成为具有期 望直径的套圈并且套筒保持器1、2之间的空间从Ltl减小到L时，在使套筒保持器1的倾斜 角逐渐减小的同时使套筒保持器1恢复到停留在基准线X上，然后，停止套筒保持器1的旋 转。之后，从套筒保持器1、2之间移除加工过的工件W。在扩大加工过程中，能够控制工件W的弯曲，S卩，套筒保持器1的倾斜角θ或工件 W的弯曲中心0的位置。这些控制不仅仅可靠地抑制了工件W在其弹性限度内弯曲，而且能 够有效使得反复剪切应力在工件W的横截面内的大小和分布适当，从而使得能够实现扩大 部H的稳定形成。工件W的扩大变形不仅仅在扩大部H中产生，而且在工件W位于套筒保持器1、2 内的那部分中也产生。因此，随着工件W的扩大加工的进行，套筒保持器1、2紧紧地且牢固 地夹持工件W的两端部分。因此，套筒保持器1、2不需要用于工件W的专用夹具。在图3中，(A)示出了当将工件W的压缩应力和倾斜角θ设定为给定值时执行工 件W的扩大加工的时候，工件W的扩大变形随着工件W的转数N增大而进行。在图3的(A) 中，DnZDci表示扩大部H的扩大率。S卩，Dn和Dtl分别表示工件W的外径和扩大部H的外径。这里，Dn/D0能够从图3的(A)中所述的表达式获得，该表达式中的符号表示如下 内容ε Q:平均轴向歪曲N0 旋转时间常数NcT=Ntl的弯曲角依存系数oc:工件W的轴向压缩应力θ 倾斜角α i 用于Ntl的倾斜角依存指数α 2 用于Ntl的压应力依存指数另一方面，图3的⑶示出了利用工件W的转数作为参数，图3的㈧被替换为旋 转时间常数Ntl和扩大率DnZDci之间的关系的结果。图3的(C)示出了利用倾斜压缩应力
作为参数，工件W的倾斜角θ与旋转时间常数Ntl之间的关系。图3的(A)表示扩大率Dn/D0 随着转数N的增大而收敛于特定值，而图3的(B)表示扩大率DnZDci随着旋转时间常数Ntl 的减小而增大。此外，从图3的(C)可以清楚的看出，在旋转时间常数Ntl保持恒定时，为了 获得相同的扩大率，使压缩应力0。增大而使倾斜角θ减小。因此，根据上述实施例，在使得工件W的压缩应力等于或大于其初始屈服强度的 情况下，同时将倾斜角θ抑制为在工件W内产生在其弹性限度内的弯曲变形的这种程度 时，能够在工件W中快速且有效地形成扩大部H。S卩，如从3的(C)清楚的示出的，在上述的 专利文献1公开的传统的扩大加工方法中，基于将工件W的压缩应力作为基本载荷以及将 由于工件W的旋转弯曲而被反复添加到工件W的拉力和压缩应力作为逐次塑性变形的驱动 力，来进行工件W的扩大加工。与此相对，在本发明的扩大加工方法中，通过由于工件W的压缩应力(压缩能)而 增加累积在工件W中的内能，同时利用由工件W的旋转弯曲而产生的交替剪切能作为诱因 来分解这样增加的内能的一部分并且利用由分解获得的分解能作为用于逐次塑性变形的 驱动力，来进行工件W的扩大加工。因此，根据本发明的扩大加工方法，与传统方法相比，工件W所需要的倾斜角θ仅 仅是传统方法的倾斜角的十分之一的数量级。这意味着能够使工件W进行高速旋转，并且 还能够大大地减小扩大加工所需要的时间。图4至图7示意地示出了执行第二实施例的扩 大加工方法的加工机器的一部分。第二实施例的加工机器包括与上述套筒保持器1、2对应的保持件6和套筒保持器 7。如图4所示，保持件6牢固地保持工件W的一端，并且在该实施例的情况下，工件W是中 空的轴部件。另一方面，如图5和图6所示，尽管套筒保持器7保持工件W的另一端，但是 工件W的该另一端可以相对于套筒保持器7旋转。更具体地，盘状旋转件8接合于套筒保持器7，并且套筒保持器7可以相对于旋转 件8的轴心偏心。具体地，套筒保持器7可滑动地配合在旋转件8的凹槽9中，并且使其能 够通过丝杠10而沿着该凹槽9运动。此外，使得旋转件8能够相对于该旋转件8的轴线， 艮P，工件W的轴线倾斜。当将工件W保持在保持件6与套筒保持器7之间时，套筒保持器7被设置成与旋 转件8偏心。在这种状态下，工件W的两个末端被保持件6和套筒保持器7保持。之后，在 使旋转件8倾斜的同时，使得套筒保持器7相对于旋转件8偏心达给定的偏心量Ε。因此， 如图7所示，工件W的另一端从与旋转件8同心的位置Po移动到偏心位置Pe。以上述方式 所描述的工件W的另一端的运动，如图4的虚线所示，对位于旋转件8侧上的工件W的端部 We施加弯曲。如第一实施例那样，能够将工件W的在此发生的弯曲抑制在其弹性限度内。在这种状态下，使旋转件8旋转，并且经由保持件6而施加到工件W的压力产生了 等于或大于其初始屈服强度的压缩应力。因此，端部We在摆动的同时旋转。这种摆动旋转 运动对工件W赋予了强制移位。这种强制移位根据套筒保持器7的偏心量E而反复地弯 曲工件W的端部We，并且在工件W的横截面中产生了反复的剪切应力，S卩，交替剪切能。因 此，基于与上述第一实施例类似的结构，使工件W的目标扩大区域变形和扩大，从而在该目 标扩大区域中形成了扩大部。由于能够调节套筒保持器7的偏心量E和旋转件8的倾斜角，所以在第二实施例 的情况下，在扩大加工期间，也优选地控制摆动旋转运动的摆动角以及摆动中心的位置。摆动角和摆动中心的控制不仅仅在防止对工件W施加过大的交替剪切能方面是有效的，而且 在使得交替剪切能的大小和分布适合于要形成的扩大部的尺寸方面也是有效的。图8的(A)和(B)示意地示出了执行第三实施例的扩大加工方法的加工机器。该 第三实施例的加工机器也包括与第一实施例的套筒保持器1、2对应的套筒保持器11、12。 然而，由该套筒保持器 11、12保持的工件W不是轴部件，而是带状板件。更具体地，套筒保 持器11、12具有能够容纳工件W的端部的矩形孔。使套筒保持器11、12不能够绕着基准线 X旋转，而是仅仅使套筒保持器11能够绕着基准线X作为中心交替地倾斜。套筒保持器11 的交替倾斜对工件W的端部赋予了摇摆振动。摇摆运动使工件W的端部We在与工件W的 较宽表面直角相交的方向上以往复方式倾斜，并且对该端部We赋予强制移位。因此，同样，在第三实施例的情况下，端部We以端部We的变形被限制为落入其弹 性限度内的状态而被反复地弯曲，从而，剪切应力，即，交替剪切能被反复地施加到工件W 的横截面中。另一方面，在通过经由套筒保持器12而施加到工件W的压力而将等于或大于 工件W的初始屈服强度的压缩应力施加到工件W的情况下，基于与上述实施例类似的机械 棘轮效应，交替剪切能和压缩应力(压缩能)在位于套筒保持器11、12之间的工件W的目 标扩大区域中形成了扩大部H。在该第三实施例的情况下，由于套筒保持器11、12，即，工件 W不绕着其轴线旋转，所以工件W的扩大部H形成为从该工件W的两侧凸起的肋。同样在此实施例中，在扩大加工期间，控制套筒保持器11的交替倾斜的倾斜角和 倾斜中心位置，由此不会发生过大的交替剪切能施加于工件W的情况，从而使得交替剪切 能是合适的。图9的(A)和(B)示意地示出了第四实施例的执行扩大加工方法的加工机器。该 第四实施例的加工机器包括与第一实施例的套筒保持器1、2对应的套筒保持器21、22。使 得套筒保持器21能够绕着基准线X旋转，而套筒保持器22不能这样旋转。更具体地，在本实施例的情况下，工件W是实心的轴部件，并且将工件W的两端部 分插入到套筒保持器21、22中。支撑件23、24分别设置在套筒保持器21、22中，并且这些 支撑件23、24都具有阶梯状的圆筒形状。工件W的两端被支撑在支撑件23、24的内端处， 即，支撑件23、24的小直径端处，从而，工件W被保持在支撑件23、24之间。此外，具有套筒 形状的衬圈25设置在套筒保持器21内，并且该衬圈25协同套筒保持器21环绕支撑件23 和工件W的端部。支撑件23的外端，即，大直径端连接于驱动件36，并且该驱动件36具有筒状并且 设置在套筒保持器21的外侧。驱动件26在与驱动保持器21相对的一侧上具有外端面，并 且在该外端面的外周部分上形成有凸起27。该凸起27沿着基准线X伸出，并且从图10显 而易见的是，该凸起27形成为扇形。将该凸起27配合在曲柄连杆28的一个端部中，而该 曲柄连杆28的另一个端部连接于连接杆29的一端。连接杆29的另一端偏心地接合于具 有减速齿轮的电动机30的输出轴30d。根据第四实施例的加工机器，当驱动电动机30时，电动机30的旋转经由曲柄连杆 28和凸起27而传递到驱动件26，使得被转换成往复摆动运动，由此，驱动件26使支撑件23 绕着基准线X为中心在给定的角度范围内以往复的方式旋转。此外，如图11所示，在支撑 件23、24的内端面上形成有多个齿31，并且这些齿31以相等的间隔圆周地布置在相应的内 端面上。
当工件W被保持在支撑件23、24的内端之间，并且经由支撑件24对工件W施加压 力时，支撑件23、24上的齿31咬合到工件W的相应端面中。因此，支撑件23、24与工件W 一体地连接。优选将工件W的两个端面保持为与切削该工件W时得到的结果一样粗糙。当 此发生时，齿31深深地咬合到工件W的端面中，从而支撑件23、24能够将工件W保持在其 之间。如上所述，使得工件W在支撑件24中的端部不能旋转，并且支撑件23、24与该工 件W —体地连接。此外，压力在工件W中产生了等于或大于该工件的初始屈服强度的压缩 力。在这种情况下，当对支撑件23施加往复摆动运动时，由于该往复摆动运动绕着工件W 的轴线对该工件W面向套筒保持器21的端部施加交替扭转(圆弧)动作，所以工件W在其 弹性限度 内受到强制移位。更具体地，交替扭转运动在横向上对工件W施加交替剪切能，并且该交替剪切能 被传播到工件W中。因此，反复剪切应力被施加到工件W位于套筒保持器21、22之间的目 标扩大区域的横截面中。结果，与上述各实施例中的情况类似，基于机械棘轮效应使工件W 的目标扩大区域变形并扩大，从而在工件W中形成了类似图9的(B)中所示的那种扩大部 H0同样在该实施例中，在扩大加工期间控制工件W的扭转角，使得不仅防止在工件W 中产生过大的交替剪切能，而且实现了合适的交替剪切能。在第一到第四实施例中的任何 一个中，通过对工件W的端部赋予强制移位而在工件W中产生每单位体积的交替剪切能。然 而，在本发明中，除了强迫地使工件W的端部移位之外，还可以通过对工件W的端部施加交 替冲击扭矩作为交替剪切能而使工件W的目标扩大区域基于机械棘轮效应而变形和扩大。具体地，图12示出了第五实施例的用于执行扩大加工方法的加工机器，并且该加 工机器对工件W施加交替冲击扭矩。当与第四实施例的加工机器相比较时，第五实施例的 加工机器与第四实施例的加工机器的不同之处仅仅在于游隙，即，在驱动件26上的凸起27 与曲柄连接杆28之间确保间隙G。因此，当曲柄连接杆28以往复方式摆动时，该曲柄连接 杆28能够经由凸起27对驱动件26，即工件W，施加交替冲击扭矩。交替冲击扭矩在工件W的横截面中产生了交替扭转剪切应力波(交替剪切能)。 这种扭转剪切应力波在工件W内传播，并且如上述实施例那样，基于机械棘轮效应在工件W 的目标扩大区域中形成了扩大部。此外，图13示出了第六实施例的用于执行扩大加工方法的加工机器。图13的加 工机器包括振动发生器32并且该振动发生器32对工件W的横截面施加弯曲或扭转振动。 弯曲或扭转振动也能够在工件W中产生交替扭转剪切应力波(交替剪切能)。结果，图13 的加工机器也能够如上述各实施例的情况那样，基于机械棘轮效应而在工件W中形成扩大 部。另一方面，在工件W是中空管部件的情况下，也能够采用第七实施例的扩大加工 方法。第七实施例的执行扩大加工方法的加工机器包括将工件W的一端封闭的封闭板34， 以及设置在工件W的另一端处的声能发生源，更具体地，声波发生器33。该声波发生器33 将超声波从工件W的另一端引入到该工件W中。这样引入的超声波是一种振动能，并且因 此，该超声波在工件W的中空内部传播，使得在工件W的横截面中施加每单位体积特定的交 替剪切能。因此，如上述各实施例的情况那样，图14的加工机器也能够基于机械棘轮效应而 在工件W中形成扩大部。当将诸如超声波的声能用于工件W的扩大加工时，在工件W内传播的超声波优选 不是驻波，在这种情况下，超声波能够以优良的效率对工件W的横截面施加交替剪切能。此 夕卜，图15示出了第八实施例的用于执行扩大加工方法的加工机器。当与第一至第六实施例 的加工机器相比较时，图15的加工机器与它们的不同之处仅仅在于，该加工机器还包括外 形约束件35。具体地，外形约束件35是阴型成型模具，并且具有多边形内齿形状或者阶梯形状 的内表面结构。这样构造的外形约束件35被设置成围绕工件W的目标扩大区域。在这种 情况下，扩大部形成在外形约束件35内侧的工件W中，并且扩大部的外形由外形约束件35 的内表面构造所确定。即，扩大部具有与外形约束件35的内表面构造一致的外形。因此， 扩大部形成为任意的最终形状，诸如多边形、齿轮状或阶梯状的形状，这避免了否则需要在 扩大部上进行后加工的必要性。当将该外形约束件35用作为阴型成型模具时，该成型模具受到诸如淬火的硬化 处理，以防止磨损或塑性变形。由于此，当在成型模具的内表面上存在拐角部分时，引起了 在工件W的扩大加工期间由于在拐角部分上的应力集中而在该成型模具中产生裂纹的忧 虑。为了防止这种忧虑的发生，在成型模具例如具有图16所示的六角孔的内表面结构的情 况下，外形约束件35在其内表面上包括六个圆孔36和六个径向狭隙37。每个径向狭隙37 都具有在六角孔的相应拐角中开口的一端，以及连接于圆孔36的另一端。圆孔36和狭隙 37可靠地防止了由于应力集中而在外形约束件35中产生裂纹。当将形成锥齿轮的成型模具用作为外形约束件35时，图17示出了利用该成型模 具，即锥齿轮，形成在工件W中的扩大部。此外，外形约束件35可以一体地连接于工件W的 扩大部。在这种情况下，外形约束件35与工件W之间的扩大部实现了作为一种压力配合的 扩大配合。本发明并不局限于上述第一至第八实施例。例如，工件即不局限于轴部件，也不局 限于板件，而是可以具有各种形状。此外，施加到工件的交替能也可以通过将第一至第七实 施例中公开的强制移位与振动或声能相结合来获得。此外，施加到工件的压缩能还可以通过在径向上推压工件而获得。具体地，在这种 情况下，例如，将中空管件用作为工件，并且阴型的成型模具，更具体地，用于形成齿条的成 型模具紧压工件的外圆周表面的一部分。即，成型模具在工件的径向上对该工件施加压缩 能。在这种状态下，在交替扭转运动的情况下，即，对工件施加交替剪切能的情况下，工件的 扩大部在成型模具中成长，并且工件形成为齿条。此外，施加到工件W的倾斜运动、摆动运动或摇摆运动的中心不是必须位于目标 扩大区域中。例如，在图2所示的实施例的情况下，工件W的倾斜中心0可以定位在一个套 筒保持器中。此外，工件W不是必须由金属材料形成，而是可以由诸如烧结陶瓷的非金属材 料形成。简言之，可以使用任何材料，只要该材料能够塑性变形即可。最后，对图示的加工 机器当然可以做各种修改。
权利要求
1.一种用于使由塑性材料制成的工件的外表面发生塑性扩大变形的扩大加工方法，其 中，所述工件包括轴线以及在该工件的外表面上的无约束目标扩大区域，该方法包括保持工件，并且在施加使在工件中产生等于或大于初始屈服强度的缩压应力以增加该工件的内能的 压缩能同时，在与所述轴线相交的横向上施加使所述工件在其弹性限度内变形的交替能， 其中在分解和消耗由所述压缩能所增加的内能的一部分的同时，所述交替能使所述目标扩 大区域塑性变形并且扩大。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压缩能是在工件的轴向或者径向中的一个 方向上压缩所述工件的压缩力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述工件的横截面上，施加所述交替能，作为 每单位体积给定的交替剪切能。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述交替剪切能通过使所述工件在位于所述目 标扩大区域的一侧上的端部在该工件的轴向上强制移位，而在该工件中产生反复剪切应 力。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述端部的强制移位是通过使所述工件绕其轴 线旋转的旋转以及具有弯曲中心的所述端部在所述轴线上的弯曲的结合所产生的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在使所述目标扩大区域变形并扩大的过程期间， 控制所述端部的弯曲角和所述弯曲中心，以防止过度施加所述交替剪切能。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述端部的强制移位是通过该端部的摆动旋转 运动而产生的，其中，该摆动旋转运动具有在所述轴线上的中心。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述端部的强制移位是通过该端部的摇摆运动 而产生的，其中，该摇摆运动具有在所述轴线上的中心。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述端部的强制移位是通过所述端部以所述轴 线为中心的交替扭转运动而产生的。
10.根据权利要求3所述的方法，其中，所述交替剪切能是通过对所述工件施加交替冲 击扭矩而产生的。
11.根据权利要求3所述的方法，其中，所述交替剪切能是通过对所述工件施加弯曲或 扭转振动而产生的。
12.根据权利要求2所述的方法，其中，当所述工件是中空管件时，所述交替能是通过 使所述工件的一端封闭而从所述工件的另一端引入到该工件中的声能而产生的。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，利用外形约束件来环绕所述目标扩大区域，并 且该外形约束件的内表面结构限定了通过扩大所述目标扩大区域而获得的扩大部的外周结构。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述外形约束件使所述扩大部形成为锥齿轮。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述外形约束件一体地连接于所述扩大部。
全文摘要
提供了一种工件扩大加工方法，通过该方法，能够在诸如轴部件的工件的一部分上稳定地形成扩大部，并且能够减小形成该扩大部所需要的驱动力。该工件扩大加工方法通过关于该工件(W)施加产生等于或大于初始屈服强度的压缩应力的压缩能以增加工件(W)的内能的压缩能的同时，在其横向上施加交替剪切能以将工件(W)的变形抑制在弹性限度内，从而通过交替剪切能分解增大的内能的一部分并且借助于由分解获得的分解能使工件(W)的目标扩大区域变形并扩大，而在工件(W)上形成扩大部。
文档编号F16H55/17GK102112251SQ200980130200
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月21日 优先权日2008年7月31日
发明者冈部永年, 山下英治 申请人:冈部永年, 高周波热錬株式会社