一种大模数直齿圆柱齿轮渐进式齿形成形方法与流程

本发明涉及一种大模数直齿圆柱齿轮的齿形成形方法，属于齿轮塑性成形技术领域。

背景技术：

齿轮传动因具有效率高，结构紧凑，稳定等优点而被广泛应用于机械传动。目前齿轮的制造加工工艺主要有切削加工与塑性成形加工，其中切削加工材料利用率低，生产效率低，齿轮表层金属流线被切断，力学性能较差；而塑性成形加工的齿轮，金属流线完整且沿齿廓连续分布，齿轮强度高、寿命长，正被逐渐推广应用。

齿轮塑性成形方法主要包括模锻成形、摆辗成形、楔横轧成形和轧制成形等。对于小模数的中小尺寸的直齿圆柱齿轮，可采用闭式模锻成形及滚轧成形。对于较大尺寸的大模数齿轮，由于其体积大，采用整体模锻成形的成形力过大，对模具要求高，设备吨位不足，且锻件残余应力大，易引起变形。齿轮滚轧成形以展成法为基础，使坯料在一个或几个旋转滚压轮的作用下产生塑性变形得到所需齿轮或齿坯的塑性成形工艺，是成形轧制(纵轧)的一种特殊形式。与传统的切削加工方法和整体式模锻成形相比，齿轮滚轧成形具有材料利用率高、生产效率高、加工进程短、齿面强度高、原材料消耗少、成形件内部组织连续性好、综合力学性能好等诸多优点。

圆柱齿轮的滚轧成形依据成形温度不同主要分为冷滚轧和热滚轧。采用冷滚轧工艺制造小模数齿形零件(如齿轮、花键)已经发展成熟，但由于金属材料普遍存在加工硬化现象，使得冷滚轧工艺局限于小模数齿形零件。用热轧方法成形大模数齿轮是对坯料进行加热并在高温状态下进行齿形的轧制成形，既具备轧制成形工艺设备简单、效率高的优点，也摆脱了金属材料加工硬化的限制，提高了金属流动性，非常适合于大模数大尺寸齿轮的成形。由于成形过程中齿部金属纤维保持连续，且晶粒得到细化，与切削加工的齿轮相比，齿的抗弯曲能力和抗冲击能力均得到提髙，成形力仅为锻造工艺的几十分之一，切削量大幅减少，节省了原材料，同时提髙了生产效率。

但轧制成形所需滚压轮组所占空间较大，且运动关系复杂，如图1所示，滚压轮的尺寸一般要远大于成形齿轮尺寸，且滚压轮需要同速同向旋转并同步径向相向进给，受设备尺寸及大型滚压轮复杂运动难以精确控制的限制，大模数大尺寸齿轮的热滚轧成形存在较大难度。

技术实现要素：

本发明针对目前大模数大尺寸直齿圆柱齿轮难以用传统的模锻、冷滚轧等方式成形且切削加工成形存在的材料利用率和生产效率低等问题，提出一种简单、高效、低成本的大模数大尺寸直齿圆柱齿轮渐进式齿形成形方法。

本发明的大模数直齿圆柱齿轮渐进式齿形成形方法，包括单齿径向压入成形过程和精整过程：

①单齿径向压入成形过程：采用与拟成形齿轮齿槽相同或相近的单齿成形模具对加热至坯料材料再结晶温度以上的热态坯料进行逐个齿形的分道次径向压入成形；成形过程中，单齿成形模具径向压入坯料，进行第一个齿的第一道次成形，完成后径向回退到初始位置，然后坯料旋转一个齿形的角度，单齿成形模具再次径向压入坯料，进行第二个齿的第一道次成形，依次完成拟成形齿轮各个齿形的第一道次成形；按上述过程完成拟成形齿轮各个齿的第二道次成形，如此直至完成拟成形齿轮各个齿的成形；拟成形齿轮各个齿成形时的相同道次的进给量(单齿成形模具的进给量)是一致的；

②精整过程：利用与拟成形齿轮齿槽形状一致的精整模具沿径向顺次压入齿坯各齿，进行精整，逐次修正各个齿形轮廓。

所述精整过程是在单齿成形模具在圆柱形初始坯料表面径向压入的总深度s为1.20-1.25倍的拟成形齿轮模数时进行。

所述单齿成形过程中各道次的进给量按先大后小的原则(第一道次进给量大于第二道次进给量，第二道次进给量大于第三道次进给量，……)。

所述单齿成形过程中共有四个道次，第一道次进给量、第二道次进给量、第三道次进给量和第四道次进给量分别占总进给量s(1.20-1.25倍的拟成形齿轮模数)的50％、30％、15％、和5％。

所述与拟成形齿轮齿槽相同的单齿成形模具的齿形轮廓与拟成形齿轮齿槽轮廓相同，由三维造型与拟成形齿轮进行布尔运算所得。

所述与拟成形齿轮齿槽相近的单齿成形模具的齿形轮廓为等腰梯形，齿高为拟成形齿轮模数的2.25倍，梯形上底长度为拟成形齿轮模数的0.9～1.1倍，梯形下底长度根据梯形体积与拟成形齿轮齿槽体积相等求得。

所述精整模具具有2-5个齿槽(一般为3个)，其齿形由三维造型与拟成形齿轮的齿槽进行布尔运算所得，包括用于限制金属流动的两翼部分。

本发明针对大模数直齿圆柱齿轮，在齿轮冷轧与精密模锻工艺的基础上进行改进，以单齿成形模具对热态下的圆柱形坯料进行多道次径向进给，实现各个轮齿的渐进式成形。该方法适用于冷滚轧或精密模锻难以成形的大模数直齿圆柱齿轮，工艺过程及工装模具简单，成形载荷小；与现有的切削成形方法相比，具有成形齿轮力学性能好、生产效率及材料利用率高等优势。

附图说明

图1是现有齿轮滚轧成形工艺的原理示意图。

图2是本发明中与拟成形齿轮齿槽相同的单齿成形模具的结构示意图。

图3是本发明中与拟成形齿轮齿槽相近(梯形)的单齿成形模具的结构示意图。

图4是本发明中精整模具的齿形结构示意图。

图5是本发明中采用单齿成形模具进行单齿径向压入成形过程的原理示意图。

图6是本发明中采用单齿成形模具进行单齿径向压入每道次进给量分配示意图。其中(a)为第一道次，(b)为第二道次，(c)为第三道次，(d)为第四道次。

图7是本发明中采用多齿形精整模具进行精整的原理示意图。

具体实施方式

本发明的大模数直齿圆柱齿轮渐进式齿形成形方法，是采用单齿成形模具对热态下的圆柱形坯料进行多道次径向压入，依次完成拟成形齿轮各个齿形的成形，再采用精整模具径向顺次压入，对齿形外廓进行修正。本发明与现有的齿轮精密模锻成形不同之处在于，本发明为轮齿逐个成形，为局部塑性变形，成形载荷小；与现有的齿轮冷轧成形不同之处在于，本发明为热成形，模具体积小且仅做径向短距离直线往复运动，模具结构及工装简单，模具运动便于控制。

本发明采用的与拟成形齿轮齿槽相同的单齿成形模具如图2所示，其外形由三维造型软件中与拟成形齿轮进行布尔运算所得。

本发明采用的与拟成形齿轮齿槽相近的单齿成形模具如图3所示，齿形截面(凸起部分)为等腰梯形，齿高为拟成形齿轮模数的2.25倍，上底长度为拟成形齿轮模数的0.9～1.1倍，梯形下底长度根据梯形体积与拟成形齿轮齿槽体积相等求得。

本发明采用的精整模具如图4所示，为多齿形，具有2-5个齿形(图4中为3个)。其齿形轮廓由三维造型软件中与拟成形齿轮进行布尔运算所得，包括相邻的三个齿形及用于限制金属流动的两翼部分。两翼长度以可以覆盖被精整的两个轮齿相邻轮齿的齿顶为准。

直齿圆柱齿轮滚轧成形的初始坯料为圆柱形棒料，坯料直径为拟成形齿轮的分度圆直径。该直径尺寸的坯料体积略大于拟成形齿轮体积，以满足后续清除表面氧化皮及切削加工等所需的余量。

本发明大模数直齿圆柱齿轮的齿形成形方法中的单齿径向压入成形如图5所示，具体过程如下所述：

坯料中心固定，可绕中心旋转，加热至材料再结晶温度以上。模具均需预热。单齿成形模具径向压入坯料，进行第一个齿形的第一道次成形，完成后径向回退到初始位置，然后坯料沿顺(逆)时针转动一个齿形的角度，即360°/z(z为拟成形齿轮齿数)。单齿成形模具再次径向压入坯料，进行第二个齿形的第一道次成形，依次完成拟成形齿轮的各个齿形的第一道次成形。按上述过程完成拟成形齿轮各个齿的第二道次成形，如此直至完成拟成形齿轮各个齿的成形。拟成形齿轮各个齿成形时的相同道次的进给量(单齿成形模具的进给量)是一致的。单齿成形过程中共有四个道次。

单齿成形过程中各道次的进给量按先大后小的原则，第一道次进给量大于第二道次进给量，第二道次进给量大于第三道次进给量，第三道次进给量大于第四道次进给量，第四道次进给量应尽量小。第一道次进给量、第二道次进给量、第三道次进给量和第四道次进给量分别占总进给量s(1.20-1.25倍的拟成形齿轮模数)的50％、30％、15％和5％，如图6所示，其中(a)为第一道次进给量，(b)为第二道次进给量，(c)为第三道次进给量，(d)为第四道次进给量。

本发明大模数直齿圆柱齿轮的齿形成形方法中的精整成形过程如下：

如图7所示，3齿形的精整模具每次可修正相邻的两个轮齿。精整模具从初始位置向坯料径向进给，进给至其齿形的齿顶位置位于拟成形齿轮齿根圆位置，之后径向退回至初始位置，然后坯料绕其圆心沿顺(逆)时针转动一个齿形或两个齿形的角度，即360°/z或720°/z，重复上述精整模具以相同的进给量压入、退出与坯料旋转的过程，依次完成拟成形齿轮各个齿形轮廓的修正。。