一种大直径齿形件多道次同时滚轧模具及滚轧方法

摘要

一种大直径齿形件多道次同时滚轧模具及滚轧方法，滚轧模具包括N个滚轧模具，滚轧模具与工件坯料的中心距均相同，滚轧模具沿工件坯料周向等间距均匀布置，依次错开设定距离；滚轧方法是先装夹工件坯料，然后将滚轧模具轴向送进至指定位置，滚轧模具靠近工件坯料导入段的端面全部对齐，同时与工件坯料导入段的端面对齐；将滚轧模具分别轴向推进压入工件坯料；工件坯料主动旋转，利用摩擦、齿形啮合带动滚轧模具旋转；滚轧模具以相同速度轴向进给，完成工件坯料上齿形的滚轧成形；当第N个滚轧模具轴向进给完成时,滚轧模具与工件坯料不再接触；本发明实现大直径齿形件加工，具有生产效率高、滚轧力小，齿形完整的优点。

说明书

技术领域

本发明属于先进材料成形技术领域，具体涉及一种大直径齿形件多道次同时滚轧模具及滚轧方法。

背景技术

齿形件零件是机械传动装置中重要的基础部件和机械元件，广泛应用于汽车、航天、船舶、装备制造等领域。随着装备制造业的发展，对齿形件的性能提出了更高的要求。目前的齿形件的主要加工工艺有切削加工和塑性成形工艺。

传统的齿形件的加工以切削加工为主，特别是在大直径齿形件的加工中。相比切削加工，塑性成形工艺具有生产效率高、节约材料、工件流线好、力学性能高等诸多优点。

齿形件的冷精锻基本上采用的是闭塞锻造成形技术，这种封闭的成形方法使得成形后期材料的变形抗力过大，要求模具需要高的强度、足够的冲击韧性和耐磨性等，金属毛坯在模具中强烈的塑性流动，会使模具温度升高，因而，模具材料需要有一定的回火稳定性。此外，冷精锻对设备的要求较高，需要大吨位的压力机。因此，冷精锻多用于加工直径较小，齿高不高的齿形件。

滚轧成形工艺是一个局部加载局部变形的回转塑性成形方法，变形力显著下降，模具寿命较长。目前齿形件(如齿轮)滚轧成形主要通过模具相对于坯料的径向送进以及旋转运动实现。但是，在这一过程中，滚轧模具连续径向进给，中心距不断变化，滚轧模具与工件速度不匹配，易导致齿形累计误差。然而，现有的研究中，成熟的齿形件滚轧成形工艺所成形的直径和齿高都较小，一般直径不超过100mm，齿高不超过5mm。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大直径齿形件多道次同时滚轧模具及滚轧方法，能够实现大直径齿形件加工，同时避免了径向进给过程中由于速度不匹配带来的累计齿形误差问题，具有生产效率高、滚轧力小，齿形完整的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种大直径齿形件多道次同时滚轧模具，包括N个滚轧模具，N 个滚轧模具与工件坯料的中心距均为a，N个滚轧模具沿工件坯料周向等间距均匀布置，沿工件坯料轴向方向依次错开设定距离。

所述的设定距离为：第一个滚轧模具和第二滚轧模具沿轴向错开的距离为L₁₂，ω为滚轧过程中工件坯料的旋转速度， V为模具轴向推进速度；第二个滚轧模具和第三个滚轧模具沿轴向错开的距离为L₂₃，第(n-1)个滚轧模具和第n个滚轧模具轴向错开的距离为L_(n-1)n(n＝1,2，...，N)，第 N个滚轧模具和第(N-1)个滚轧模具轴向错开的距离为L_(N-1)N，

所述的N个滚轧模具的模数m相同，分度圆压力角α相同，模数m、分度圆压力角α由最终成形工件确定；最终成形工件的模数为 m、齿数为z_w、齿顶高系数为齿根高系数为分度圆压力角为α，齿顶圆半径齿根圆半径齿根圆压力角齿根圆齿厚齿根圆齿槽宽节圆半径节圆压力角节圆齿厚N个滚轧模具的齿数z_d相同，分度圆直径d_w相同，宽度分别为b₁、b₂、...、b_N，(i＝1， 2，...，N)。

每个滚轧模具在滚轧过程中对应于一个道次，滚轧全过程中沿工件坯料径向的总径向压下量为F，其中，d_z为根据体积不变原则得到的工件坯料直径；第一个道次的径向压下量为f₁，第二个道次相对于第一个道次的径向压下量为f₂，第n个道次相对于第(n-1)个道次的径向压下量为f_n(n＝1，2，...，N)，第N个道次相对于第(N-1)个道次的径向压下量为f_N，则>1+f₂+...+f_N；采用均匀分配或根据每道次的变形、齿高增加量确定每个道次的径向压下量f_n。

第一个滚轧模具的齿形参数由第一道次所成形工件的齿形参数确定，第一道次所成形工件的齿形参数：齿根圆半径齿根圆压力角齿根圆齿厚由于滚轧模具与工件坯料的中心距均为a且在滚轧过程中中心距不发生改变，因此节圆半径节圆压力角节圆齿厚随着道次增加减小，直至得到最终成形工件的齿厚；由每道次所成形零件与最终成形工件的齿根圆齿槽宽相等确定节圆齿厚，节圆齿厚齿顶圆半径根据工件坯料体积不变原则计算；第一个滚轧模具的齿形参数：齿根圆半径增加齿顶间隙值c，齿顶圆半径节圆半径节圆压力角为节圆齿厚：结合第一个滚轧模具的模数m，齿数z_d，分度圆直径d_w，分度圆压力角α，宽度b₁最终得到第一个滚轧模具的形状。

第二个滚轧模具的齿形参数由第二道次所成形工件的齿形参数确定，第二道次所成形工件的齿形参数：齿根圆半径齿根圆压力角齿根圆齿厚节圆半径节圆压力角节圆齿厚齿顶圆半径根据工件坯料体积不变原则计算；第二个滚轧模具的齿形参数：齿根圆半径齿顶圆半径节圆半径节圆压力角节圆齿厚结合第二个滚轧模具的模数m，齿数z_d，分度圆直径d_w，分度圆压力角α，宽度b₂最终得到第二个滚轧模具的形状。

第n个滚轧模具的齿形参数由第n道次所成形工件的齿形参数确定(n＝1，2，...，N)，第n道次所成形工件的齿形参数：齿根圆半径齿根圆压力角齿根圆齿厚节圆齿厚齿顶圆半径根据工件坯料体积不变原则计算；第n个滚轧模具的齿形参数：齿根圆半径齿顶圆半径节圆半径节圆压力角为节圆齿厚同理，结合第n个滚轧模具的模数m，齿数z_d，分度圆直径d_w，分度圆压力角α，宽度b_n最终得到第n个滚轧模具的形状。

第N个滚轧模具的齿形参数由最终成形工件的齿形参数确定；第N个滚轧模具的参数：齿根圆半径齿顶圆半径节圆半径节圆压力角为节圆齿厚结合第N个滚轧模具的模数m，齿数z_d，分度圆直径d_w，分度圆压力角α，宽度b_N最终得到第N个滚轧模具的形状。

采用上述一种大直径齿形件多道次同时滚轧模具的滚轧方法，包括以下步骤：

步骤一，装夹工件坯料，工件坯料由下端的三爪卡盘夹紧，保证工件坯料与N个滚轧模具轴线平行，滚轧模具沿工件坯料周向均匀布置；所述的工件坯料沿轴向分为导入段和滚轧段，导入段参数包括角度β和长度L,角度β的范围由滚轧模具轴向错开的设定距离得到，A＜tan(β)≤B,其中，

长度L＝L₁₂+L₂₃+...L_N-1N+L_b(n＝1，2，...，N)，其中，L_b满足

步骤二，将滚轧模具轴向送进至指定位置，到达指定位置时，N 个滚轧模具靠近工件坯料导入段的端面全部对齐，同时与工件坯料导入段的端面对齐；

步骤三，N个滚轧模具分别轴向推进压入工件坯料，分别到指定位置：第一滚轧模具端面与工件坯料滚轧区开始端面对齐；第二个滚轧模具离工件坯料滚轧区较近的一端端面与第一个滚轧模具离工件坯料滚轧区较近的端面轴向错开L₁₂；第三个滚轧模具离工件坯料滚轧区较近的一端端面与第二个滚轧模具离工件坯料滚轧区较近的端面轴向错开L₂₃；...；第N个滚轧模具离工件坯料滚轧区较近的端面与第(N-1)个滚轧模具离工件坯料滚轧区较近的端面轴向错开L_(N-1)N；

步骤四，当工件坯料直径等于小于100mm时，N个滚轧模具主动旋转，利用摩擦、齿形啮合带动工件坯料旋转；当工件坯料直径大于100mm时，工件坯料以角速度ω主动旋转，利用摩擦、齿形啮合带动滚轧模具旋转；同时N个滚轧模具以相同速度V轴向进给，由滚轧滚轧模具完成工件坯料上齿形的滚轧成形；

步骤五，当第N个滚轧模具轴向进给完成时,滚轧模具与工件坯料不再接触，形成的最终成形工件停止旋转，滚轧结束；

步骤六，滚轧模具沿最终成形工件径向朝外轻微让刀，卸料。

本发明的有益效果为：

齿形件通过径向压下量不同的滚轧模具多道次成形，同一时间不同滚轧模具在工件轴向的不同位置实现不同道次的滚轧成形，可高质量的成形大直径齿形件的齿形；滚轧之前滚轧模具已经压入工件坯料，满足了咬入旋转的条件，利用摩擦、齿形啮合带动滚轧模具旋转，避免滚轧前期的相对滑动；工件坯料(或滚挤模具)主动旋转带动被动旋转，确保在滚轧过程中啮合准确，不易出现错齿、乱齿的现象。

附图说明

图1为本发明实施例所用滚轧模具连接及运动示意图。

图2为本发明实施例所用滚轧模具的前视图。

图3为图2的C处局部放大图。

图4为本发明实施例每个道次滚轧后所成形工件的示意图。

图5为本发明实施例工件坯料10的前视图。

图6为图4的D处局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

参照图1，一种大直径齿形件多道次同时滚轧模具,包括3个滚轧模具，3个滚轧模具与工件坯料1的中心距均为a，3个滚轧模具沿工件坯料1周向等间距均匀布置，沿工件坯料1轴向方向依次错开设定距离。

参照图2、图3，所述的3个滚轧模具之间轴向错开距离为：第一个滚轧模具2和第二个滚轧模具3沿轴向错开的距离为L₁₂，ω为滚轧过程中工件坯料1的旋转速度，V为模具轴向推进速度；第二个滚轧模具3和第三个滚轧模具4沿轴向错开的距离为L₂₃，

3个模具的模数m相同，分度圆压力角α相同，模数m、分度圆压力角α由最终成形工件13确定；最终成形工件13的模数为m、齿数为z_w、齿顶高系数为齿根高系数为压力角为α，齿顶圆半径齿根圆半径齿根圆压力角齿根圆齿厚齿根圆齿槽宽节圆半径节圆压力角节圆齿厚个滚轧模具的齿数z_d相同，分度圆直径d_w相同，宽度分别为b₁、b₂、>3，(i＝1,2,3)。

参照图4，每个滚轧模具在滚轧过程中对应于一个道次，滚轧全过程中沿工件坯料1径向的总径向压下量为F,其中， d_z为根据体积不变原则得到的工件坯料1的直径；第一个道次的径向压下量为f₁，第二个道次相对于第一个道次的径向压下量为f₂，第三个道次相对于第二个道次的径向压下量为f₃，则F＝f₁+f₂+f₃，可采用均匀分配或根据每道次的变形、齿高增加量等确定每个道次的径向压下量f_n，例如将径向压下量进行等分，即f₁＝f₂＝f₃。

第一个滚轧模具2的齿形参数由第一道次所成形工件11的齿形参数确定，参照图4，第一道次所成形工件11的齿形参数：齿根圆半径齿根圆压力角齿根圆齿厚由于滚轧模具与工件坯料1的中心距均为a且在滚轧过程中中心距不发生改变，因此节圆半径节圆压力角节圆齿厚随着道次增加减小，直至得到最终成形工件13的齿厚，由每道次所成形零件与最终成形工件13的齿根圆齿槽宽相等确定节圆齿厚，节圆齿厚齿顶圆半径根据工件坯料体积不变原则计算；第一个滚轧模具2的齿形参数：齿根圆半径增加齿顶间隙值c，齿顶圆半径节圆半径节圆压力角为节圆齿厚：结合第一个滚轧模具2的模数m，齿数z_d，分度圆直径d_w，分度圆压力角α，宽度b₁最终得到第一个滚轧模具2的形状。

第二个滚轧模具3的齿形参数由第二道次所成形工件12的齿形参数确定，参照图4，第二道次所成形工件12的齿形参数：齿根圆半径齿根圆压力角齿根圆齿厚节圆半径节圆压力角节圆齿厚齿顶圆半径根据工件坯料1体积不变原则计算；第二个滚轧模具3的齿形参数：齿根圆半径齿顶圆半径节圆半径节圆压力角节圆齿厚结合第二个滚轧模具 3的模数m，齿数z_d，分度圆直径d_w，分度圆压力角α，宽度b₂最终得到第二个滚轧模具3的形状。

第三个滚轧模具4的齿形参数由最终成形工件13的齿形参数确定，第三个滚轧模具4的参数：齿根圆半径齿顶圆半径节圆半径节圆压力角为节圆齿厚结合第三个滚轧模具 4的模数m，齿数z_d，分度圆直径d_w，分度圆压力角α，宽度b₃最终得到第三个滚轧模具4的形状。

采用上述一种大直径齿形件多道次同时滚轧模具的滚轧方法，包括以下步骤：

步骤一，参照图1，装夹工件坯料1，工件坯料1由下端的三爪卡盘夹紧，保证工件坯料1与滚轧模具2、3、4轴线平行，滚轧模具2、3、4沿工件坯料1周向均匀布置；参照图5，所述的工件坯料1沿轴向分为导入段1D和滚轧段1G，参照图6，导入段参数包括角度β和长度L,角度β的范围由模具轴向错开的距离得到，A＜tan(β)≤B,其中，长度L＝L₁₂+L₂₃+L_b(n＝1，2，...，N)，其中，L_b满足

步骤二，将滚轧模具2、3、4轴向送进至指定位置，到达指定位置时，滚轧模具2、3、4靠近工件坯料1导入段1D的端面全部对齐，同时与工件坯料1导入段1D的端面对齐；

步骤三，滚轧模具轴向推进压入工件坯料1，分别到指定位置：参照图3，第一滚轧模具端面与工件坯料滚轧区1G的开始端面对齐；第二个滚轧模具3的端面(离工件坯料滚轧区1G较近的端面)与第一个滚轧模具2的端面(离工件坯料滚轧区1G较近的端面)轴向错开L₁₂；第三个滚轧模具4的端面(离工件坯料滚轧区1G较近的端面)与第二个滚轧模具3的端面(离工件坯料滚轧区1G较近的端面)>23；

步骤四，当工件坯料1直径较小时，如等于小于100mm，3个滚轧模具主动旋转，利用摩擦、齿形啮合带动工件坯料旋转；当工件坯料1直径大于100mm时，工件坯料1以角速度ω主动旋转，利用摩擦、齿形啮合带动滚轧模具旋转；同时，滚轧模具以相同速度V 轴向进给，完成工件坯料1上齿形的滚轧成形；

步骤五，当第三个滚轧模具4轴向进给完成时,滚轧模具与最终成形工件13不再接触，工件停止旋转，滚轧结束；

步骤六，滚轧模具沿最终成形工件13径向朝外轻微让刀，卸料。