專利名稱：嵌壓成形加工齒輪的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無切削加工制造齒輪的裝置，尤其是能夠加工制造齒軸和 非完整齒輪的嵌壓成形加工齒輪的裝置。 技術背景現有技術中的齒輪切削加工設備有滾齒機、插齒機、剃齒機、絎齒機、 拉齒機等，雖然都是能有效加工齒輪的成熟工藝，但大都是不能加工齒軸和非 完整齒輪，且有金屬廢屑，浪費材料的設備。現有技術中的銑齒法利用盤形齒輪銑刀配合分度機構在銑床上進行單齒加 工。雖然也能加工齒軸和非完整齒輪，但所得齒形常有較大誤差，加工精度較 低，且生產效率低而成本高。這種方法只適于單件小批生產質量要求不高的齒 輪。《機械加工工藝手冊》(機械工業出版社2007年版第4一50頁)推薦的外 齒輪推削機，雖能加工齒軸和非完齒輪，但屬有屑加工而浪費材料，且刀具昂 貴而使用壽命短，生產成本高。現有技術齒輪的無屑加工技術始于18世紀。1899年美國的0. J.比爾創造 了用冷擠法精整錐齒輪的工藝。20世紀初，英國的H.N.安德森首創熱軋齒輪。 1951年，美國的H.厄恩斯特和B.格羅布研究成功冷軋齒輪工藝。20世紀50年 代，聯邦德國研究成功精密模鍛齒輪。60年代后，又發展了粉末冶金、粉末鍛造和精密沖裁齒輪的方法。目前，利用金屬的塑性變形或粉末燒結使齒輪的齒 形部分最終成形的無屑加工，分為工件在常溫下進行加工的冷態成形和把工件 加熱到100(TC左右進行加工的熱態成形兩類。前者包括冷軋、冷鍛、沖裁等；后者包括熱軋、精密模鍛、粉末冶金等。無屑加工齒輪可使材料利用率從切削加工的40 50%提高到80 95%以上，生產率也可成倍增長，但因受模具強度 的限制， 一般只能加工模數較小的齒輪或其他帶齒零件，同時對精度要求較高 的齒輪，在用無屑加工成形后仍需要利用切削加工最后精整齒形。無屑加工齒 輪需要采用專用的工藝裝備，初始投資較大，只有在生產批量較大時(一般達萬 件以上)才能降低生產成本。冷軋齒輪是將齒輪形的軋輪向輪坯徑向進給，并按一定速比相互滾動，使 輪坯外周產生塑性變形軋出齒形。冷軋可加工直齒或斜齒圓柱齒輪、非圓齒輪 或帶細齒的零件。對模數小于2.5毫米的齒輪，可從輪壞直接軋出齒形。模數大 于2.5毫米時,通常先采用切削加工粗切，或鑄、鍛出齒形，再用冷軋對齒面作 精整加工。由于滾動成形，故無法加工非完齒輪。冷鍛齒輪是按輪坯塑性變形和成形力的方式不同有冷擠和冷鐓兩種。冷擠 是利用凸模和凹模的相對移動產生擠壓力，使坯料在模具的約束下塑性流動而 得到齒形，常用于加工模數小于3毫米的直齒圓柱齒輪、內齒輪等。冷鐓是利 用上模的錘擊力使坯料在模具中受壓縮而橫向流動形成齒形，常用于加工錐齒 輪。通常需先把坯料頭部鐓粗，然后再鐓鍛齒形。冷鐓后的齒輪帶有飛邊，需 用切削加工切去。對精度要求較高的齒輪，冷鍛成形后需要再加一道研磨工序 精整齒形。屬于少屑加工，且無法加工齒軸。沖裁齒輪是利用齒輪形的沖壓模從板料沖切出齒輪,適于加工模數小于6毫米、厚度小于10毫米的片齒輪、齒條、棘輪、鐘表齒輪和儀表齒輪等。不能加 工齒軸和較厚的非完整齒輪。熱軋齒輪工作原理與冷軋相同，但熱軋是在工件加熱到100(TC以上的熱塑 狀態下進行的。熱軋齒輪包括預熱、軋制和整形等工序,單件生產時間平均不到 1分鐘。對齒輪精度要求較高的齒輪，熱軋時需要預留0.2毫米加工余量，然 后用剃齒機或蝸桿砂輪磨齒機精切齒形。該軋制法不能加工非完齒輪，且需要 付出加熱成本和再次加工的成本。精密模鍛齒輪是把輪坯加熱到1000 115(TC，取出放到鍛錘的下模中，用 上模錘擊數次鍛出齒形；或先粗鍛成形，然后精鍛齒形。為了減少鍛造過程中 高溫加熱的輪坯接觸空氣而產生氧化皮的機會并提高齒輪精度，自20世紀70 年代以來，較多采用高速錘進行高速鍛造，使輪坯在熱塑性較好的狀態下一次 錘擊成形。精密模鍛后的齒輪需先去除飛邊，再以軸孔為基準精加工齒輪外徑 和其他部位。對于精度要求較高的齒輪，需要在模鍛時預留0. 5毫米加工余量， 以便最后用機床精切齒形。其不足之處是工序多而成本很高，且難以加工齒軸。粉末冶金齒輪是將金屬粉末原料在模具中壓制成形，然后將輪坯在保護氣 氛爐中以1100 1150。C的溫度保溫1.5 2.0小時進行燒結。燒結后的齒輪一般不必或很少切削加工。用粉末冶金雖然可加工各種齒形的齒輪，但制成的齒輪 內部通常含有5%以上的孔隙,材料密度為6.9 7. 2克/厘米3，制成的齒輪的 機械強度較低，且成本較高。現有技術無切削加工制造齒輪的冷軋機和熱軋機，在軋輪(齒條)在軋制 過程中，每一齒都要受到很大的彎、剪、拉、壓、扭各種外力，影響使用壽命， 提高了生產成本，且不能加工非完齒輪。上述現有技術雖然都能實現無切削加工制造齒輪，但成本都比較高，設備 較復雜，而且大都不能加工齒軸和非完齒輪，采用專用的工藝裝備初始投資大， 不能降低生產成本。對于加工非完整齒輪齒廓的方法和設備一直是齒輪制造中的難題。真正能 夠高效無切削加工制造非完整齒輪齒廓的方法設備，至今還未見有相關的文獻 報道。其原因雖然很多，但最重耍的還是缺少高效率、高精度、低成本的工藝 加工裝置。 發明內容本發明的目的是提供一種工藝裝備初始投資小，工效高，能夠顯著降低生 產成本，既可以實現無屑加工齒軸和非完整齒輪，又可以加工完整齒輪的嵌壓 成形加工齒輪的裝置。本發明提供的一種嵌壓成形加工齒輪的裝置，具有一個制有導向孔和帶有 端蓋的圓桶形機殼，以及在其導向孔內作上下運動的錐形環，該錐形環內制有 上小下大的內錐孔，內錐孔中裝配有若干個帶有斜面的鑲塊座，鑲塊座上下表 面制有的導向體分別通過端蓋下端面，和機殼底面柱臺上端面制有的^S向導槽滑動配合，齒形鑲塊圍繞中心被加工齒坯工件圓柱面分布，加壓設備從上部對錐形環施加軸向壓力Py ，使其錐形環下行推動內錐斜面產生徑向壓力Px，推 進環布齒坯工件軸面的齒形鑲塊沿上述徑向導向槽移動，使齒形鑲塊的齒形刃 口沿接觸路徑，擠壓齒坯工件的軸面坯料，使軸面坯料塑性變形成為與鑲嵌模 塊齒形一致的齒輪。本發明相比于上述現有技術具有如下有益效果。生產效率高。本發明通過加工容易、結構簡單內置錐形環的圓桶形機殼，用帶齒形的齒形鑲塊圍繞齒坯，徑向擠壓齒坯材料變形成為齒輪的工藝裝備， 加工周期短，初始投資小，生產成本低，工件無需轉動就能成型為齒輪，實現 無切削加工，數秒鐘即可一次成形一個齒輪，效率高，成品率高。成形后的齒輪強度高，使用壽命長，成本低，且省料。 一次成形的齒輪誤 差小，尺寸準確，精度高，齒側面輪廓光潔，通常無需精整齒形。克服了現有 技術粉末冶金加工各種齒形齒輪，因內部有孔隙所帶來的機械強度低的問題。工、模具容易制造。齒形壤塊和鑲塊座結構簡單，易于制造，模塊化程度 高，能夠方便地對各種模數的直齒、斜齒標準化，并可反復使用而壽命長。單 件或批量生產同樣適用。工件和模塊只承受壓力，不受彎、剪、拉、扭各種外 力的影響。適用范圍寬。不僅能無屑加工出齒軸和非完齒輪及完整齒輪，而且還可以 根據不同齒形靈活地組裝成多種形狀結構齒輪的加工形式。無論是漸開線、圓 弧線、擺線的齒面，正齒、斜齒、錐齒的齒形，或是非圓齒輪都能實現無切屑 加工。
為了更清楚地理解本發明，現將通過本發明實施例，同時參照附圖，來描 述本發明，其中圖1為本發明齒輪嵌壓裝置B-B的主剖視圖。左半圖為施壓終結情形時的 示意圖；右半圖為尚未施壓或施壓后退回原處準備取出工件到放置新工件情形 時的示意圖。圖2是圖1的A—A向剖面圖，所表示的是加工非完齒輪的情況。 圖3是圖2的C""0向剖面圖。圖4顯示的是齒形鑲塊在P力作用下，對齒坯嵌壓加工到一半行程時的示意圖。圖5顯示的是對工件齒坯嵌壓加工終結時的示意圖。附圖中l.工件齒坯，2.齒形鑲塊，2a,扇形鑲塊，3.彈性夾具，4.鑲塊座，4a-扇 形鑲塊座，5.錐形環，6.機殼，7.螺栓，8.復位彈簧，9.端蓋，IO.傳力柱， ll.頂尖，12.導向槽，13.錐形環行程空位，14.裝卸孔，15.導向槽，16.齒形 鑲塊前端刃口， Py.軸向壓力，Px.徑向壓力，W.錐角。
具體實施方式
在圖l、圖2中，圓桶形的機殼6其內制有導向孔。它的頂部端口上裝有一 個中心制有裝卸孔14的端蓋9。該裝卸孔14可以是一個錐孔，它既是裝卸工件， 觀察工作情形，又是加油，冷卻，清潔內部預留的一個窗口。機殼6可正置、 倒置、側置。端蓋9上還制有可供6至12根傳力柱10穿過的均布圓孔。端蓋9 由螺栓7固定在機殼6端口上。機殼6底部中央制有向上延伸的圓柱臺，圓柱 臺中心有一個供工件齒坯1豎立的頂尖11，其外圍有彈性夾具3。機殼6內有 一個可上下運動的錐形環5，錐形環5環外與機殼6的內壁滑動配合，環內設有 錐角W形成上小下大的錐孔。被加工工件齒坯1置于機殼6中央頂尖11上，被 彈性夾具3夾持，其軸線與機殼軸線0~0重合，并處于垂直狀態。在錐形環5 上端環形均布的傳立柱10，在上部加壓設備未示出的作用下，對錐形環5施加 軸向壓力Py,使錐形環5下行，直達機殼6底部的預留的錐形環行程空位13， 使其錐形環5由內錐斜面產生的水平徑向壓力Px傳給齒形鑲塊2，使齒形鑲塊 2前端的齒形刃口 16嵌入和擠壓齒坯工件1坯料表面，產生局部塑性變形，嵌 入部分成為齒谷，隆起部分成為齒頂，最終形成所需的齒輪。在圖1的右半圖中，顯示的是尚未施壓或施壓后退回原處，準備取出工件 齒坯1并放置新工件時的情形。由于錐形環5還在最高處，鑲塊座4退離中心0，每兩個鑲塊座4之間有間隙，齒形鑲塊2與工件齒坯1之間也還未接觸，也還 有間隙。為使鑲塊座4能隨著錐形環5的向上運動而退出擠壓狀態，便于取出 工件和安裝新齒坯，在鑲塊座4和機殼6之間安裝有復位彈簧8。左半圖中顯示的施壓終結時的情形，當傳立柱受軸向外力Py向下運動時， 錐形環5的內錐斜面產生水平徑向分力Px，推動鑲塊座4及齒形鑲i央2朝中心 軸線O—O方向移動，齒形鑲塊2的前端刃口 16嵌入和擠壓工件齒坯1表面， 使齒坯外周產生塑性變形，成為齒輪。其工作原理是制有導向孔圓桶形機殼6和在其導向孔內作上下運動的錐 環5，徑向裝配有若干個帶有斜面的鑲塊座4。且每個鑲塊座4上固接^"一個齒 形鑲塊2，均布在被加工齒坯工件l的周圍。端蓋9的下端面制有徑向導槽15， 機殼6的底面中部向上延伸柱臺上端面有徑向導槽12，分別與鑲塊座4上下表 面突出的導向體構成滑動配合作水平運動。端蓋9上均布六至十二個圓孔，加 壓設備的傳力柱10從上部通過該圓孔對錐形環5施加軸向壓力Py ，使其錐形 環5下行推動內錐斜面產生徑向壓力Px，推動與鑲塊座4連接的齒形鑲塊2向 導向槽水平方向移動，使齒形鑲塊2的齒形刃口擠壓齒坯工件1的軸面坯料， 使坯料局部塑性變形，凹下部分成為齒根，隆起部分成為齒頂，最終形成與鑲 嵌模塊2形狀一致的齒輪。圖2為圖1的A—A剖面圖。顯示的是加工非完齒輪時的情況。工件齒坯的 中心與機殼6的中心O相重合，齒形鑲塊2與鑲塊座4固接，錐形環5在鑲塊 座4外圍和機殼6之間上下運動。右半圖表示尚未施壓時，沒有徑向力Px出現， 相鄰兩個齒形鑲塊2之間有間隙，齒形鑲塊2與工件之間也有間隙，便于取出 工件和安裝新齒坯。左半圖表示施壓終結時，出現了徑向力Px，齒形鑲塊2與10鑲塊座4之間沒有了間隙；非完齒輪的非加工部位，其錐形環5相應部位不是錐面，而是圓柱面5a，并且該部位改為與機殼6固接的扇形鑲塊座4a和扇形鑲 塊2a;當錐形環5上下運動時，該部位不傳遞任何外力，所以該部位齒坯不產 生變形，因而整個工件成為非完整齒輪。圖3是圖2的C一0剖面圖。它顯示的是圖2中下部約占整個圓形三分之一 的無齒部分的扇形鑲塊2a，使在加工非完齒輪時，用以保護工件齒坯l非齒輪 部分的軸向柱面。此部分的錐形環5的內壁和鑲塊座4的外壁均為柱面而不是 錐面；如圖3中顯示錐形環的矩形截面5a和扇形鑲塊座的矩形截面4a。扇形鑲 塊2a與機座固接，是固定不動的，不參加齒輪的擠壓成形，而是非完齒輪非加 工面的定位鑲塊。上述圖2 圖3描述的是制造非完齒輪的一個實施例。除上述制造非完齒輪 外，本發明同樣適用于加工完整齒輪。加工完整齒輪時，沒有扇形鑲塊2a，扇 形鑲塊座4a。齒形鑲塊2和鑲塊座4的數量與所需齒輪的齒數相同，且錐形環 5的內孔是一個完整的棱錐孔或圓錐孔。圖4顯示的是加工非完整齒輪時，施壓到錐形環5行程達一半時的情形。 齒形鑲塊2被徑向力Px推向中心0，其前端刃口 16已有一部分嵌入齒坯工件l, 同時產生擠壓，迫使齒坯表層材質塑性變形，嵌入部分正在成為齒谷，受擠壓 而隆起部分正在成為齒頂。圖4中顯示的齒形鑲塊2之間還有間隙，齒坯材料 也還未填滿齒形鑲塊2前端刃口 16之間的空間，施壓還應繼續進行。齒形鑲塊2前端工作面的前端刃口 16的橫截面幾何參數，與所需齒輪的一 個齒谷的橫截面幾何參數相同。通過更換不同幾何參數的齒形鑲塊2，便可加工 出不同的齒輪。其齒形曲線可以是漸開線、圓弧線、擺線；齒面形狀可以是正齒輪、斜齒輪、錐齒輪。加工非完整齒輪時，齒形鑲塊2的數量比所需齒輪的齒數多1，而與所需齒 輪的齒谷數量相同；加工完整齒輪時，齒形鑲塊2的數量則與所需齒輪的齒數 相同。來自加壓設備的原動力，可以是該設備提供的液壓力、氣壓力、機械力或 電動力。圖5顯示的是施壓終結時的情形。徑向壓力Px作用于齒形鑲塊2，直到各 個齒形鑲塊2之間的間隙為零時才停止。使齒坯工件1表面產生局部塑性變形， 逐漸形成溝狀齒谷和條狀齒頂，齒坯工件1變形為非完整齒輪。當外力Py拉動 錐形環5向上運動時，鑲塊座4在復位彈簧8的推力作用下沿水平線背離中心 移動，出現空隙，取出齒輪工件，完成一個齒輪的加工周期。本發明的原理是與所需齒輪的齒數相同的齒形鑲塊2，圍繞待加工齒坯工 件1環布，能沿設定的徑向導槽往復運動，當其受外力Px的作用時，多個齒形 鑲塊2同時同步協調作向心運動。結果，齒形鑲塊2的前端刃口 16迫使齒坯工 件1的表層材質塑性變形，刃口嵌入部分成為齒谷，受擠壓而隆起部分成為齒 頂，得到所需的齒輪。
權利要求
1.一種嵌壓成形加工齒輪的裝置，具有一個制有導向孔和帶有端蓋(9)的圓桶形機殼(6)，以及在其導向孔內作上下運動的錐形環(5)，該錐形環(5)內制有上小下大的內錐孔，內錐孔中裝配有若干個帶有斜面的鑲塊座(4)，鑲塊座(4)上下表面制有的導向體分別通過端蓋(9)下端面，和機殼(6)底面柱臺上端面制有的徑向導槽(15、12)滑動配合，齒形鑲塊(2)圍繞中心被加工齒坯工件圓柱面分布，加壓設備從上部對錐形環(5)施加軸向壓力Py，使其錐形環(5)下行推動內錐斜面產生徑向壓力Px，推進環布齒坯工件(1)軸面的齒形鑲塊(2)沿上述徑向導向槽移動，使齒形鑲塊(2)的齒形刃口沿接觸路徑，擠壓齒坯工件(1)的軸面坯料，使軸面坯料塑性變形成為與齒形鑲塊(2)齒形一致的齒輪。
2. 按權利要求1所述的嵌壓成形加工齒輪的裝置，其特征在于，加工完整 齒輪時，齒形鑲塊(2)的數量與該完整齒輪的齒數相同；加工非完整齒輪時， 齒形鑲塊(2)的數量與該非完整齒輪的齒谷數量相同，同時在齒坯工件的非加 工部位，安裝一個與鑲塊座(4)固接的扇形鑲塊。
3. 按權利要求1或2所述的嵌壓成形加工齒輪的裝置，其特征在于，加工 完整齒輪時，錐形環(5)的內錐孔是一個完整的錐孔；加工非完整齒輪時，錐 形環(5)的內錐孔是一個非完整的局部內錐孔，而另一部分則為圓柱孔。
4. 按權利要求1或2或3所述的嵌壓成形加工齒輪的裝置，其特征在于， 錐形環(5)的斜面角度(W)與鑲塊座(4)斜面角度(W)相吻合，其錐形 環(5)內錐孔的錐面是棱錐面或圓錐面。
5. 按權利要求1或2或3所述的嵌壓成形加工齒輪的裝置，其特征在于， 圍繞待加工齒坯工件(1)環布的齒形鑲塊(2)可拆卸地連接于鑲塊座(4)的 內側面，用以方便更換和加工不同幾何參數的齒輪。
6. 按權利要求1所述的嵌壓成形加工齒輪的裝置，其特征在于，齒形鑲塊 (2)的工作面即前端刃口部位橫截面的幾何參數，與所需齒輪的一個齒谷的齒形幾何參數相吻合。
7. 按權利要求1所述的嵌壓成形加工齒輪的裝置，其特征在于，端蓋(9) 的中心制有一個工件裝卸孔(14)。
8. 按權利要求1所述的嵌壓成形加工齒輪的裝置，其特征在于，機殼(6) 底部中央制有向上延伸的柱臺，其上有頂尖(11)和供齒坯工件(1)定位的彈 簧夾具(3)。
9. 按權利要求1所述的嵌壓成形加工齒輪的裝置，其特征在于，鑲塊座(4) 和機殼(6)及端蓋(9)之間安裝有復位彈簧(8)。
10. 按權利要求6所述的嵌壓成形加工齒輪的裝置，其特征在于，齒形鑲塊 (2)的齒形工作面的幾何參數和形狀，包括漸開線、擺線、圓弧線的齒面，正齒、斜齒、錐齒的齒形形狀。
全文摘要
本發明公開的一種嵌壓成形加工齒輪的裝置，具有一個制有導向孔的圓桶形機殼(6)，以及在其導向孔內作上下運動的錐形環(5)，其中裝配的鑲塊座(4)的徑向導槽上滑配有齒形鑲塊(2)，齒形鑲塊(2)圍繞中心被加工齒坯工件圓柱面分布，加壓設備從上部對錐形環施加軸向壓力Py，推動錐形環內錐斜面下行產生徑向壓力Px，使齒形鑲塊(2)的齒形刃口沿接觸路徑，擠壓齒坯工件(1)的軸面坯料，使軸面坯料塑性變形成為與齒形鑲塊(2)齒形一致的齒輪。本發明可以通過更換不同的齒形鑲塊，加工出齒軸和非完齒輪或完整齒輪。適合漸開線、擺線、斜齒、錐齒等各種齒形加工。加工的齒輪成品率高；工模刃具易標準化，可反復使用，效率高，成本低。
文檔編號B21C23/14GK101249524SQ20081004423
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月11日 優先權日2008年4月11日
發明者袁正敏 申請人:袁正敏