专利名称：大模数高厚度直齿圆柱齿轮热冷复合精锻成形方法
技术领域：
本发明涉及一种复合精锻成形方法，尤其是大模数高厚度直齿圆柱齿轮热冷复合精锻成形方法，属于金属塑性加工技术领域。
背景技术：
直齿圆柱齿轮是汽车、航天航空、机械等行业中应用极为广泛的重要传动零件，其形状复杂，材料、尺寸精度、表面质量、机械性能都有较高要求。为了提高材料利用率与齿轮零件的机械性能，现在国内均采用锻造的方法生产齿轮锻件，再机加工为齿轮零件。小规格的直齿圆柱齿轮，目前国内部分厂家已实现冷精锻工艺生产，齿形面可实现少或无需机加工。采用冷精锻工艺生产小规格直齿圆柱齿轮，目前有两种主要方法一是闭塞锻造方法，二是冷正挤压方法。方法一解决了精锻直齿圆柱齿轮的齿形型腔角隅处充填困难的难题，闭塞模锻液压模架的应用，目前已能够成功地实现模数3以下、高径比1以内的小规格直齿圆柱齿轮的精锻生产，但闭塞模锻液压模架造价较高，并且仍需较大的成形力使得金属充满型腔，从而导致工作载荷的增加，精锻模芯寿命降低，生产成本增加。方法二是用上模将软化退火并润滑处理后的棒料直接推挤过一定形状的凹模工作带，使金属产生轴向与径向流动来获得齿形锻件，此方法优点是有效的减少了成形力，但是锻件下端会出现齿形填充不饱满的情况，需预留出机加工量，而且因金属材料流动的规律，当锻件高径比大于 1时，会产生从上到下的内倾锥度，即锻件下端外径小于上端外径，此方法更利于小高径比、 形状扁平的直齿圆柱齿轮锻件的成形，高径比较大的齿轮不适于用此方法。大规格的直齿圆柱齿轮，尤其是大模数与高厚度的直齿圆柱齿轮，行业内大批量生产的方法仍旧是热锻制成齿坯锻件，再采用机加工的方法精加工齿形面成为齿轮成品零件。虽然热锻设备投资较低、模具简单，但材料利用率低、生产效率低、能耗高等缺点无法克服，另外因为热锻时材料加热温度较高，锻件表面氧化皮等缺陷明显，需预留出较大加工余量，而且为了锻件齿形填充饱满、降低成形力、提高模具寿命等目的，往往需要提高坯料的始锻温度，较高的加热时间与温度会使锻件表面脱碳层加深，影响最终零件的性能。近年来也有企业和研究机构开始采用热锻加闭式冷精整的复合成形方法试制大规格的直齿圆柱齿轮，但大规格直齿圆柱齿轮的冷精整工序需较大的成形力，工作载荷的增加会使冷精整模芯寿命降低，生产成本增加，而且对于高径比较大的高厚度直齿圆柱齿轮来说，齿形角隅部分的填充在齿轮轴向方向是自上而下的进行，即金属材料先充满模具上端的齿形角隅部分再开始模具下端的填充，很容易造成模具上端的齿形模具应力集中，从而导致模具的开裂损坏，所以采用热锻加闭式冷精整的复合成形方法制造大规格的直齿圆柱齿轮目前仍处于试验阶段，并未批量应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有生产技术中的不足，提供一种可以实现齿形面等部分无需机加工，可以提高产品性能、材料利用率，模具寿命高的直齿圆柱齿轮的复合精锻成形方法，尤其是大模数高厚度的直齿圆柱齿轮的热冷复合精锻成形方法。本发明的技术方案是采用热模锻一冷正挤压一冷精整相结合的热冷复合精锻成形工艺，首先将圆钢棒料下料为一定长度的坯料，将坯料加热至始锻温锻后，采用热精锻工艺将坯料在压力机上镦粗一热模锻为齿形锻件毛坯，锻件毛坯的齿形为近似最终齿形的上半部分齿形，即近似于齿顶圆到分度圆部分的齿形。然后将齿形锻件毛坯进行退火和磷皂化润滑等中间处理，在液压机上采用冷正挤压工艺挤出锻件，成形出分度圆到齿根圆部分的齿形，冷正挤压模具的齿形为最终齿形向分度圆方向缩进一定数值所得的齿形，缩进的数值是以要保证冷正挤压后锻件能够放入冷精整工序的模具和预留出下一工序的精整量为选取原则，此工序得到的锻件接近最终锻件，但因金属材料流动的规律，仍会产生从上到下的内倾锥度，即锻件下端外径小于上端外径。最后，采用冷精整工艺技术，将冷正挤压得到的齿形锻件倒置，即下端在上放入冷精整模具，倒置的原因是利用闭式锻造中自上而下径向填充的材料流动规律，有效的消除冷正挤压后产生的内倾锥度与原下端齿形填充不饱满的缺陷，冷精整为齿面无需后续加工的最终锻件。冷精整工艺过程中为了避免最后阶段材料填充死角使载荷急速上升而造成模具损坏，需要在冷精整前在冷正挤压得到的锻件中心加工出一定直径的中心孔，利用中空分流原理提高模具的寿命，进一步保证金属在齿部的填充。冷精整后最终齿轮齿廓无需机加工，减少了机械加工余量，降低了金属的消耗量， 使锻件的形状和尺寸更接近于成品的零件，提高了材料利用率，减少了机加工工时。采用上述技术方案，在三个成形工序中合理的分配了变形量，热模锻工序成形出了一定的齿形后，采用冷挤压工序进一步成形出齿形，并且冷正挤压中的径向与轴向材料流动可以充分消除热锻件表面氧化皮等缺陷，形成较好的表面质量；冷精整前的加工中心孔工序能够有效的降低闭式冷精整时的应力集中现象，提高模具寿命；冷精整工序可以进一步提高齿面精度的同时，消除冷挤压工序中产生的齿轮断面填充不饱满的缺陷，最终锻件的齿形面可以在直接达到滚齿、铣齿的精度，只需局部机加工锻件端面和内孔就可成为齿轮成品零件。因此，本发明是一种适用于批量生产的材料利用率高、机加工工时少、齿轮锻件精度高、性能好、表面质量高、质量稳定的大模数高厚度直齿圆柱齿轮热冷复合精锻成形方法。
附图为本发明的工艺路线示意图。图中，1为下料，2为加热后镦粗，3为热模锻，4 为退火中间处理，5为冷正挤压，6为加工中心孔，7为退火中间处理，8为冷精整。
具体实施例方式下面进一步说明
具体实施例方式
大模数高厚度直齿圆柱齿轮冷挤压复合成形方法的步骤为(1)下料一(2)加热后镦粗一(3)热模锻一(4)退火中间处理一(5)冷正挤压一(6)加工中心孔一(7)退火中间处理一(8)冷精整。(1)下料将圆钢棒料下料为一定长度的坯料，并通过电子称重检验后，得到合格原始坯料。(2)加热后镦粗通过加热设备将坯料加热始锻温度，将加热后坯料在压力机上的镦粗工位镦粗为鼓形。(3)热模锻将镦粗后的坯料热模锻为齿形锻件毛坯，锻件毛坯的齿形为近似最终齿形的上半部分齿形，即近似于齿顶圆到分度圆部分的齿形。(4)退火中间处理将齿形锻件毛坯进行退火和磷皂化润滑等中间处理。(5)冷正挤压在液压机上采用冷正挤压工艺挤出锻件，成形出分度圆到齿根圆部分的齿形。(6)加工中心孔在冷正挤压得到的锻件中心，加工出一定直径的中心孔。(7)退火中间处理将齿形锻件毛坯进行退火和磷皂化润滑等中间处理。(8)冷精整将冷正挤压得到的齿形锻件倒置，即下端在上放入冷精整模具，冷精整为齿面无需后续加工的最终锻件。
权利要求
1.大模数高厚度直齿圆柱齿轮热冷复合精锻成形方法，其特征是采用热锻一冷正挤压一冷精整相结合的热冷复合精锻成形工艺，其工艺过程为下料、加热后镦粗、热模锻、退火中间处理、冷正挤压、加工中心孔、退火中间处理、冷精整。
2.如权利要求1所述的大模数高厚度直齿圆柱齿轮热冷复合精锻成形方法，其特征是所述的热模锻工序，其模具齿形为近似最终齿形的上半部分齿形，即近似于齿顶圆到分度圆部分的齿形。
3.如权利要求1所述的大模数高厚度直齿圆柱齿轮热冷复合精锻成形方法，其特征是所述的冷正挤压工序，其模具齿形为最终齿形向分度圆方向缩进一定数值所得的齿形， 缩进的数值是以保证冷正挤压后锻件能够放入冷精整工序的模具和预留出下一工序的精整量为选取原则。
4.如权利要求1所述的大模数高厚度直齿圆柱齿轮热冷复合精锻成形方法，其特征是所述的加工中心孔，是指在冷精整工序前，在冷正挤压得到的锻件中心加工出一定直径的通孔。
全文摘要
本发明提供了一种适用于大模数高厚度直齿圆柱齿轮的热冷复合精锻成形方法，属于金属塑性加工技术领域。本发明采用下料→加热后镦粗→热模锻→退火中间处理→冷正挤压→加工中心孔→退火中间处理→冷精整的热冷复合精锻成形工艺，在三个成形工序中合理的分配变形量，利用热模锻工序成形出一定的齿形后，采用冷正挤压工艺进一步成形出完整齿形，利用径向与轴向材料流动形成较好的表面质量；加工中心孔工序能够有效的降低闭式冷精整时的应力集中现象，提高模具寿命；冷精整工序可以进一步提高齿面精度的同时，消除冷挤压工序中产生的齿轮断面填充不饱满的缺陷，最终锻件的齿形面可以直接达到滚齿、铣齿的精度。
文档编号B21C23/14GK102489978SQ20111039574
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月4日 优先权日2011年12月4日
发明者边翊, 钟志平 申请人:北京机电研究所, 机科发展科技股份有限公司