一种直齿轮成形方法和装置
阅读说明：本技术 一种直齿轮成形方法和装置 (Straight gear forming method and device ) 是由 李振红 朱秋芬 袁德虎 查光成 谢斌 赵伟 王安哲 张晨星 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种直齿轮成形方法和装置,属于金属塑性成形技术领域,包括如下步骤：对圆柱形坯料进行预处理,所述预处理包括润滑、软化退火或加热；将经预处理的所述坯料置入预成形模具中进行径向挤压获得预成形件,所述预成形件轴向横截面的根圆直径小于最终待获取直齿轮的根圆直径；利用包含多个齿形型腔块的终锻模具对所述预成形件的齿形部位进行径向镦挤成形,获取具有完整齿形的直齿轮精锻件。本发明能够提高直齿轮的预成形件各齿部位金属流动的均匀性和同时性,减少坯料体积波动和预成形件定位精度对终锻时金属流动的影响,降低终锻模具受力,避免开裂,减少金属流动,降低模具磨损。(The invention discloses a straight gear forming method and a straight gear forming device, which belong to the technical field of metal plastic forming and comprise the following steps: pre-treating the cylindrical blank, wherein the pre-treatment comprises lubrication, softening annealing or heating; placing the pretreated blank into a preforming die for radial extrusion to obtain a preformed piece, wherein the root circle diameter of the axial cross section of the preformed piece is smaller than that of the straight gear to be finally obtained; and carrying out radial upsetting extrusion forming on the tooth-shaped part of the pre-forming piece by using a finish forging die comprising a plurality of tooth-shaped cavity blocks to obtain a straight gear finish forging piece with a complete tooth shape. The method can improve the uniformity and the simultaneity of metal flow of each tooth part of the preformed piece of the straight gear, reduce the influence of blank volume fluctuation and preformed piece positioning precision on the metal flow during finish forging, reduce the stress of a finish forging die, avoid cracking, reduce the metal flow and reduce the die abrasion.)
技术领域
本发明涉及金属塑性成形技术领域，尤其涉及一种直齿轮成形方法和装置。
背景技术
直齿轮是齿线与轴心线方向平行的圆柱齿轮。因为易于加工，因此在汽车、机械、机床的传动系统中得到了广泛应用。最常用的齿轮齿形是渐开线齿形，它可以正确的啮合，加工也比较容易，可以圆滑地传递旋转运动；只要轮齿的大小相同，一个刀具可以加工齿数不同的齿轮。
用切削方法加工齿轮是最常用的齿轮加工工艺。生产过程一般分为：齿轮毛坯加工→齿面加工→热处理工艺→齿面的精加工。具体工序为：锻件或棒料形成齿轮毛坯→粗加工，切除较多的余量→半精加工，车、滚齿、插齿等→热处理，调质、渗碳淬火、高频淬火→精加工，精修基准、精加工齿形等。
采用切削方法加工的齿轮，可以达到较高的精度，一般可达到6级，经过珩磨后，可达5级以上，可以用在高速、低噪声的工作环境中。但是采用切削加工进行齿轮的生产，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，降低了齿轮的抗疲劳强度和使用寿命，实际应用中齿体失效比例较高，主要为弯曲疲劳折断和过载折断。
采用塑性成形方法对坯料施加压力促使金属充填满齿形模腔是获得齿轮的一种较新颖的成形方法。由于采用的是与最终齿轮形状一致的齿形模腔，因此也可以获得精度较高的齿形。目前，国内外较多运用的是闭塞锻造工艺。
应用闭塞锻造工艺往往存在成形过程中流动阻力急剧增大，模具受力也随之增大，严重时使得模具发生开裂。即使不开裂，也会使得坯料与模具表面间的压力较大，坯料在模具表面上流动时会导致模具的快速磨损，降低模具的使用寿命。
因此，如何快速高效得设计直齿轮的预成形形状，减少坯料体积波动和预成形件定位精度对终锻时金属流动的影响，降低终锻模具受力，避免开裂，减少金属流动，降低模具磨损，成为实际生产应用中非常重要的技术问题，对直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。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种直齿轮成形方法和装置，能够使各齿部位金属流动的均匀性和同时性，减少坯料体积波动和预成形件定位精度对终锻时金属流动的影响，降低终锻模具受力，避免开裂，减少金属流动，降低模具磨损。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种直齿轮成形方法，包括如下步骤：
对圆柱形坯料进行预处理，所述预处理包括润滑、软化退火或加热；
将经预处理的所述坯料置入预成形模具中进行径向挤压获得预成形件，所述预成形件轴向横截面的根圆直径小于最终待获取直齿轮的根圆直径；
利用包含多个齿形型腔块的终锻模具对所述预成形件的齿形部位进行径向镦挤成形，获取具有完整齿形的直齿轮精锻件。
进一步的，确定所述预成形件形状的方法包括如下步骤：
根据预先给定渐开线直齿轮的齿数、模数、指定预成形件的梯形齿的斜度以及预成形件轴向横截面的根圆直径变化量，计算获得预成形件的修正齿数、预成形件轴向横截面面积、预成形件的梯形齿宽度、预成形件轴向横截面的根圆直径；
根据所述预成形件与所述直齿轮轴向截面积一致的原则，计算获得预成形件的梯形齿的高度。
进一步的，所述预成形件轴向横截面的根圆直径变化量为所述直齿轮轴向横截面的根圆直径与所述预成形件轴向横截面的根圆直径的间距，公示表示如下：
df1＝df-Δ
式中，△表示预成形件轴向横截面的根圆直径变化量，df1表示直齿轮精锻件的根圆直径，df表示预成形件轴向横截面的根圆直径。
进一步的，所述预成形件的梯形齿宽度S1在径向上为所述直齿轮的分度圆位置处的大小，所述梯形齿宽度S1取所述直齿轮渐开线齿形齿厚s的四分之三，公式表示如下：
式中，m表示直齿轮的模数。
进一步的，所述预成形件的梯形齿的斜度α取值范围为1°～3°。
进一步的，所述斜度在取值范围内取值大小与所述模数m值大小呈反向关系，具体如下：
当所述模数m越大时，所述斜度在取值范围内取较小值，当模数越小时，所述斜度在取值范围内取较大值。
进一步的，所述预成形件轴向横截面面积A1表示如下：
式中，z1为修正齿数，所述修正齿数z1的公示表示如下：
式中，z为直齿轮的齿数。
进一步的，利用终锻模具对所述预成形件的齿形部位进行径向镦挤成形的方法包括如下步骤：
将与待获取直齿轮的齿形相匹配的各个齿形型腔块沿周向分块分布，当所述直齿轮的齿数较少时，按直齿轮的齿数进行齿形型腔块的分块，每个齿形型腔块对应一个分块，当所述直齿轮的齿数较多时，将多个齿形型腔块分配到同一个分块上；
使各个所述齿形型腔块同时沿各自径向运动，从而对各个所述齿形型腔块所对应的所述预成形件上梯形齿施加挤压压力，直至各个所述齿形型腔块与所述预成形件的根圆接触。
第二方面，本发明提供了一种直齿轮成形装置，包括如下模块：
预处理模块，用于对圆柱形坯料进行预处理，所述预处理包括润滑、软化退火或加热；
预成形模块，用于将经预处理的所述坯料置入预成形模具中进行径向挤压获得预成形件，所述预成形件轴向横截面的根圆直径小于最终待获取直齿轮的根圆直径；
成型模块，用于利用包含多个齿形型腔块的终锻模具对所述预成形件的齿形部位进行径向镦挤成形，获取具有完整齿形的直齿轮精锻件。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1)本发明提供的成形方法和装置通过预成型模制成预成形件对加工所需金属材料进行了预分配，减少了直接终锻所需的金属流动量，降低了终锻充填的难度，降低了模具受力及金属对模具的磨损以及提高了终锻模具使用寿命；
2)终锻时多个齿形型腔块同时沿其径向运动，能自动使得定位不准确的预成形件移动至正中间，确保了成形精度，避免了预成形件的定位不准确对终锻金属流动均匀性和同时性的影响；
3)终锻径向镦挤时多个齿形型腔块沿其径向运动时，在预成形齿形件的上端面不需要模具进行限制，多余金属可以在齿形部位沿轴向流动至上端面，因此坯料体积可以取略微大于齿轮精锻件体积，避免了闭塞锻造时体积不足导致的齿形充填不满，体积过多导致模具受力过大等问题；
4)在预成形件轴向横截面的设计中，能根据给定渐开线直齿轮的齿数、模数、指定预成形的梯形齿的斜度、预成形件轴向横截面其根圆直径的变化量，来计算获得预成形件的修正齿数、预成形件轴向横截面面积、预成形的梯形齿宽度、预成形件轴向横截面根圆直径以及预成形件梯形齿的高度；并且采用本发明提供的成形方法给出的修正齿数进行计算的预成形件轴向横截面面积更精确，与实际截面积误差在0.1％以内；
5)本发明提供的成形方法和装置可应用于多种场景，例如可用于径向有规律特征的回转体零件的成形。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种直齿轮成形方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种直齿轮的精锻件示意图；
图3是本发明实施例提供的一种直齿轮预成形件梯形齿的设计参数示意图；
图4是本发明实施例提供的一种直齿轮预成形件的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种预成形模具的结构俯视图；
图6是图5中A-A剖面的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的终锻成形开始前多个齿形型腔块及预成形件的位置示意图；
图8是本发明实施例提供的终锻结束时多个齿形型腔块及精锻件的位置示意图；
图中：
1、直齿轮；2、预成形件；3、预成形模具；4、齿形型腔块；31、上凸模套；32、下凸模套；33、下凸模；34、凹模；35、上凸模；36、圆柱体坯料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种直齿轮成形方法，能够实现直齿轮1精密塑性成形，该方法包括如下步骤：
步骤一：对圆柱形坯料进行预处理，所述预处理包括润滑、软化退火或加热，具体地，将棒料表面剥皮，按照预成形件2体积采用锯切下料，获得所需规格的圆柱形坯料。然后根据需要进行润滑、软化退火(冷成形)或加热(温、热成形)；
步骤二：将经预处理的所述坯料置入预成形模具3中进行径向挤压获得预成形件2，所述预成形件2轴向横截面的根圆直径小于最终待获取直齿轮1的根圆直径，其两直径之差为预成形件2轴向横截面的根圆直径变化量；
步骤三：利用包含多个齿形型腔块4的终锻模具对所述预成形件2的齿形部位进行径向镦挤成形，获取具有完整齿形的直齿轮1精锻件。
在本发明的一种实施例中，在步骤三之后还包括锻后处理，即根据需要对直齿轮1精锻件进行磨削和热处理。
在步骤二中，还包括了确定预成形件2形状的方法，具体操作包括如下步骤：
根据预先给定渐开线直齿轮1的齿数、模数、指定预成形件2的梯形齿的斜度以及预成形件2轴向横截面的根圆直径变化量，计算获得预成形件2的修正齿数、预成形件2轴向横截面面积、预成形件2的梯形齿宽度、预成形件2轴向横截面的根圆直径；
根据所述预成形件2与所述直齿轮1轴向截面积一致的原则，计算获得预成形件2的梯形齿的高度。
预成形件2根部和顶部有圆角，根部的圆角是便于金属流动，顶部的圆角是保证模具的强度。上述部分曲线的半径在设计时可以采用三维造型软件的测量功能获得，先确定预成形件2其他参数，再根据截面积相等原则去调整预成形件2齿的高度。
需要说明的是，不同的齿轮圆角大小不一样，圆角越小，金属越难流动，相应的高度就要越高；圆角也不能太大，太大在终锻时会阻碍齿形型腔块4的闭合。
经上述预成形件2确定方法所获得的预成形件2具有如下特征：
(a)直齿轮1的预成形件2轴向横截面的根圆直径df1比齿轮精锻件根圆直径df小△，采用公式表示如下：
df1＝df-△
其中，△表示预成形件2轴向横截面的根圆直径变化量，△取值范围为0.2mm～1mm，能够保证将预成形件2放入终锻的径向镦挤所使用的终锻模具中，并具有较高的定位精度。在直齿轮1直径越大时，变化量△取值可取较大值。
(b)在本发明的实施例中，因预成形件2的齿形与齿轮精锻件的渐开线齿形不同，所以进行了简化，将预成形件2的齿形改为小斜度的梯形。
其中，预成形件2的梯形齿高度h1高于直齿轮1精锻件的齿高h；梯形齿的底长小于最终直齿轮1的齿根圆厚度；预成形的梯形齿宽度s1在径向为最终直齿轮1精锻件的分度圆位置d处的直齿轮1精锻件渐开线齿形齿厚s的3/4，表示为：
式中，m为直齿轮的模数。
(c)在本实施例中，预成形件2的梯形齿的斜度α取1～3°。
具体地，因为模数越小，齿形的渐开线越接近直线，齿形宽度变化剧烈；模数越大，渐开线越明显，齿形宽度足够，斜度就可以小一些。斜度α在取值范围内取值大小与模数m值大小呈反向关系，具体如下：
当模数m越大时，斜度α在取值范围内取较小值，当模数越小时，斜度α在取值范围内取较大值。
(d)在本实施例中，直齿轮1的预成形件2轴向横截面面积采用公式表示如下：
式中，z1表示为用于横截面积计算的修正齿数，其值表示为：
式中，z为直齿轮的齿数。
采用本发明提供的成形方法给出的修正齿数进行计算的预成形件2轴向横截面面积更精确，与实际截面积误差在0.1％以内
在步骤三中，预成形件2的圆柱形坯料在齿形凸模和齿形凹模组成的封闭型腔内流动，金属在竖直方向压力的作用下在水平面上沿径向流入到齿形腔中，此过程中应控制各齿部位金属流动的均匀性和同时性，才能使得金属同时到达模具边缘，完成充满过程。
如果不能同时完成充填，先成形的部位会限制后续金属的流动，导致流动阻力急剧增大，模具受力也随之增大，严重时使得模具发生开裂，或使得坯料与模具表面间的压力增大，坯料在模具表面上流动时会导致模具的快速磨损，降低模具的使用寿命。
因此，在本实施例中，终锻时的径向镦挤操作过程具有如下特征：
将与待获取直齿轮1的齿形相匹配的各个齿形型腔块4沿周向分块分布，当所述直齿轮1的齿数较少时，按直齿轮1的齿数进行齿形型腔块4的分块，每个齿形型腔块4对应一个分块，当所述直齿轮1的齿数较多时，将多个齿形型腔块4分配到同一个分块上；在本实施例中，一个分块即是一个相对独立的模具，其上可分配设置一个齿形型腔块4或者同时分配多个齿形型腔块4，多个分块模具沿周向共同构成终锻模具。
使各个所述齿形型腔块4同时沿各自径向运动，从而对各个所述齿形型腔块4所对应的所述预成形件2上梯形齿施加挤压压力，直至各个所述齿形型腔块4与所述预成形件2的根圆接触。
其中，在对梯形齿施加挤压压力直至各个齿形型腔块4与预成形件2的根圆接触的终锻过程中，梯形齿的形状存在如下变化：
梯形齿的高度逐渐减小，同时梯形齿上靠近预成形件2根圆部分的截面积逐渐增大以及靠近预成形件2齿顶圆部分的截面积逐渐减小。
在本实施例中，终锻径向镦挤时多个齿形型腔块4沿其径向运动时，在预成形齿形件的上端面上不需要模具进行限制，多余金属可以在齿形部位沿轴向流动至此上端面，因此坯料体积可以取略微大于齿轮精锻件体积，避免了闭塞锻造时体积不足导致的齿形充填不满，体积过多导致模具受力过大等问题。
接下来，结合具体的直齿轮1参数对本发明提供的直齿轮1成形方法进行说明，具体描述如下。
如图2所示，本发明实施例提供了一种直齿轮1精锻件，齿数z为17，模数m为5，齿宽b为20mm，压力角α为20°。其中，压力角α是齿轮的一个参数，即两个齿轮啮合传动时的受力方向与速度方向的夹角。
在实际应用中，使用圆柱体坯料一步终锻成形时，齿形难以充满，影响了产品质量。为了解决该技术难题，采用了本发明实施例所提供的直齿轮1精密塑性成形方法，具体过程如下：
(1)下料及坯料预处理：将40Cr圆棒料表面剥皮为锯切下料29±0.1mm高的棒料，获得所需规格的圆柱体坯料36，然后采用感应加热至950℃。
(2)预成形件2形状设计，包括轴向横截面积计算。
在本实施例中，以如图1所示直齿轮1精锻件为例，根据其齿数z＝17，模数m＝5，计算获得如下数据：
预成形件2的修正齿数z1＝16.82；预成形件2轴向横截面面积A1＝5555.7mm2，与真实截面积A0＝5553mm2相比，误差为0.05％；而按直齿轮1分度圆法所得截面积A’＝5674.5mm2，其与真实轴向横截面积的误差为2.19％。
相关数据见下表1的第二行，同时表中也给出了模数变化和齿数变化时修正齿数法计算所得轴向横截面积的误差值，均在0.1％以内。
表1：
(3)预成形件2的设计：齿轮精锻件根圆直径df＝72.5mm，齿轮较小，变化量△取值0.5mm，可得预成形件2轴向横截面的根圆直径df1＝72mm。预成形的梯形齿的斜度α取1°，直齿轮1精锻件渐开线齿形齿厚s＝7.85mm，预成形件2的梯形齿宽度s1为s的3/4倍，计算得s1＝5.9mm。按照预成形件2与齿轮精锻件轴向截面积一致的原则，计算获得预成形件2梯形齿的高度h1＝5.9mm，如图3所示。依据上述各项参数以及所得轴向横截面，即可完成预成形件2的设计，如图4所示。
(4)制作预成形件2：按前述预成形件2形状进行预成形径向挤压模具的设计与制造，将的圆柱体坯料放入与预成形形状对应的预成形模具3中进行径向挤压获得预成形件2，如图5和图6所示，上凸模套31、下凸模套32、下凸模33、凹模34、上凸模35共同对圆柱体坯料36进行模具固定。
(5)终锻：将齿腔型腔块4沿周向分块，构成终锻模具，将预成形件2置入终锻模具中，各个齿形型腔块4同时沿其径向运动，如图7所示；在终锻过程中，对相对直齿轮1较高的预成形件2梯形齿进行齿形部位的镦挤成形，得到具有完整齿形的直齿轮1精锻件，如图8所示。
(6)锻后处理：根据需要对齿轮精锻件进行机械加工，热处理改变其力学性能，对齿形部位进行少量磨削加工，进一步提高齿形的精度。
实施例二
本发明实施例提供了一种直齿轮成形装置，包括如下模块：
预处理模块，用于对圆柱形坯料进行预处理，所述预处理包括润滑、软化退火或加热；
预成形模块，用于将经预处理的所述坯料置入预成形模具3中进行径向挤压获得预成形件2，所述预成形件2轴向横截面的根圆直径小于最终待获取直齿轮1的根圆直径；
成型模块，用于利用包含多个齿形型腔块4的终锻模具对所述预成形件2的齿形部位进行径向镦挤成形，获取具有完整齿形的直齿轮1精锻件。
综上，本发明实施例提供的直齿轮成形方法和装置，能够通过预成型模制成预成形件2对加工所需金属材料进行了预分配，减少了直接终锻所需的金属流动量，降低了终锻充填的难度，降低了模具受力及金属对模具的磨损以及提高了终锻模具使用寿命；
终锻时多个齿形型腔块4同时沿其径向运动，能自动使得定位不准确的预成形件2移动至正中间，确保了成形精度，避免了预成形件2的定位不准确对终锻金属流动均匀性和同时性的影响；并且可应用于多种场景，例如可用于径向有规律特征的回转体零件的成形。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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