CN105537479B - 一种齿条冷摆辗精密成形方法 - Google Patents
一种齿条冷摆辗精密成形方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及齿条精密成形领域。一种齿条冷摆辗精密成形方法，其特征在于包括如下步骤：（1）坯料设计成一圆柱形的长杆，其直径和长度分别与齿条直径和长度相等；（2）齿条的齿形由冷摆辗上模摆动成形，齿形背面由下模成形；（3）冷摆辗上模采用直线轨迹，直线轨迹垂直于圆柱形坯料轴线；（4）冷摆辗上模是一个棱锥，其锥角大于等于176o，棱锥两侧面与齿条径向两侧齿形进行布尔运算获得冷摆辗上模齿形；（5）冷摆辗下模与齿条齿形背面匹配；（6）冷摆辗过程中上模与齿条干涉计算；（7）冷摆辗上模修正；（8）坯料在上模和下模共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形，最终冷摆辗成形高精度齿条。具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率、提高齿条组织和力学性能的效果。
Description
技术领域
本发明涉及齿条精密成形领域，更具体地说，涉及一种齿条冷摆辗精密成形方法。
背景技术
齿条是机械传动中应用广泛的重要基础零件，具有承载力大、行程长、传动精度高等特点，在飞机、汽车转向器、精密机床、升降机等装备中有着广泛应用，其性能直接决定了装备的服役性能和使用寿命。目前，齿条主要采用切削加工进行制造。切削加工周期长、生产效率低、材料利用率低、生产成本高。同时，切削加工会切断金属流线，降低齿条的机械性能和使用寿命，不能制造高性能齿条。
冷摆辗是一种连续局部塑性成形新工艺，具有省力、冲击小、振动小、生产效率高、材料利用率高等优点。更重要的是，冷摆辗可以细化晶粒组织、获得连续合理的金属流线，从而显著提高零件的机械性能和使用寿命。冷摆辗是国际高性能齿轮类零件先进制造技术的发展方向之一。目前，还没有关于齿条冷摆辗精密成形方法的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种齿条冷摆辗精密成形方法，具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率、提高齿条组织和力学性能的效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种齿条冷摆辗精密成形方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)坯料设计成一圆柱形的长杆，其直径和长度分别与齿条直径和长度相等；
(2)齿条的齿形由冷摆辗上模(摆头)摆动成形，齿形背面由下模成形；整个齿条只需冷摆辗成形齿形部分，其余部分不用成形；
(3)冷摆辗上模采用直线轨迹，直线轨迹垂直于圆柱形坯料轴线，即冷摆辗上模沿坯料径向方向摆动；
(4)冷摆辗上模是一个棱锥，其锥角大于等于176°，棱锥两侧面与齿条径向两侧齿形进行布尔运算获得冷摆辗上模齿形；
(5)冷摆辗下模与齿条齿形背面匹配，是一个截面为半圆形的凹槽；
(6)冷摆辗过程中上模与齿条干涉计算：
以平行于齿条轴线并通过摆辗中心的直线为x轴，以通过齿根中点并垂直于齿顶所在平面的直线为z轴，以x轴和z轴相交的点为坐标原点O点，以通过O点并垂直于xOz面的直线为y轴，建立坐标系；定义齿条压力角为α，上模摆角为γ，摆辗中心线与齿条法向面夹角为δ，上模瞬时摆动角度为θ(θ∈[0,2γ])，齿条长度为L；冷摆辗过程中，上模齿廓面上一点(x,y,z)与齿条干涉量Δ的计算方程为：
(7)冷摆辗上模修正：
定义齿条模数为m，齿数为z，螺旋角为β，齿顶高为ha，齿根高为hf，齿顶面到齿条轴线的距离为h1，齿条轴线到摆辗中心的距离为H，上模转动间隔角ε；冷摆辗上模修正区边界点的方程如下：
点N0(x1,y1,z1)坐标方程为：
点M0(x2,y2,z2)坐标方程：
点N1坐标方程：
点N2坐标方程：
点M1坐标方程：
点M2坐标方程：
点T0坐标方程：
点T1坐标方程：其中g1和g2无具体含义，仅仅是为了简化方程，
点L0坐标方程：
点L1坐标方程：其中a1、a2、b1和b2无具体含义，仅仅是为了简化方程，
通过上述边界点建立修正区实体，然后在上模通过布尔运算去除修正区实体，得到修正后的上模；修正后的上模在摆辗过程中不与齿条发生干涉；
(8)通过锯切或剪切获得步骤(1)尺寸的坯料，坯料经过退火处理后放入冷摆辗下模中，修正后的上模作直线轨迹摆动运动，下模带动坯料作直线进给运动，在上模和下模共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形，最终冷摆辗成形高精度齿条。
实施本发明的齿条冷摆辗精密成形方法，具有以下有益效果：
(1)通过连续局部塑性变形一次整体成形齿条，具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率的效果。
(2)由于对上模进行了修正，所以冷摆辗成形的齿条表面质量好，几何精度高。更重要的是，齿条齿形部分在上模多道次辗压过程中能够实现较大的应变强化，而且获得了细密的晶粒组织和连续的金属流线，显著提高了齿条服役性能和使用寿命。
附图说明
图1是齿条零件的三维模型。
图2是上模的三维模型。
图3是下模的三维模型。
图4是上模修正区。
图5是修正后的上模。
图6是齿条冷摆辗精密成形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的描述，当然下述实施例不应视为对本发明的限制。
实施例1：
如图1，齿条为左旋，m＝2mm，z＝20，α＝20°，β＝12°，ha＝1.7mm，hf＝2.1mm，h1＝8.59mm，δ＝12°，H＝15mm，d＝25mm，L＝192mm，上模摆角γ＝1°，上模转动间隔角ε＝0.01。
(1)坯料设计成一圆柱形的长杆，其直径和长度分别与齿条直径和长度相等。
(2)齿条的齿形由冷摆辗上模(摆头)摆动成形，齿形背面由下模成形。整个齿条只需冷摆辗成形齿形部分，其余部分不用成形。
(3)冷摆辗上模采用直线轨迹，直线轨迹垂直于圆柱形坯料轴线，即冷摆辗上模沿坯料径向方向摆动。
(4)冷摆辗上模是一个棱锥，其锥角大于等于176°，棱锥两侧面与齿条径向两侧齿形进行布尔运算获得冷摆辗上模齿形，如图2所示。
(5)冷摆辗下模与齿条齿形背面匹配，是一个截面为半圆形的凹槽，如图3所示。
(6)冷摆辗过程中上模与齿条干涉计算
按照公式(1)计算，上模齿廓面与齿条最大干涉量Δ＝-0.07mm。冷摆辗过程中上模与齿条发生干涉，所以需要对冷摆辗上模进行修正。
(7)冷摆辗上模修正：
按照公式(2)-(11)，获得修正区边界点的坐标如下：
N0(2.239,0,-6.410)，M0(0.824,0,-10.210)，
N1(2.191,0,-6.410)，N2(2.239,-0.224,-6.406)，M1(0.751,0,-10.210)，
M2(0.824,-0.356,-10.204)，
T0(1.460,3.662,-6.410)，T1(1.460,3.436,-6.534)，L0(-0.415,5.832,-10.210)，
L1(-0.320,5.370,-10.210)
通过上述边界点建立修正区实体(如图4所示)，然后在上模通过布尔运算去除修正区实体，得到修正后的上模(如图5所示)。修正后的上模在摆辗过程中不与齿条发生干涉。
(8)通过锯切或剪切获得步骤(1)尺寸的坯料，坯料经过退火处理后放入冷摆辗下模中，修正后的上模作直线轨迹摆动运动，下模带动坯料作直线进给运动，在上下模共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形，最终冷摆辗成形高精度齿条(图6)。冷摆辗成形的齿条表面质量好，几何精度高、组织和力学性能好。
Claims (1)
1.一种齿条冷摆辗精密成形方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)坯料设计成一圆柱形的长杆，其直径和长度分别与齿条的直径和长度相等；
(2)齿条的齿形由冷摆辗上模摆动成形，齿形背面由冷摆辗下模成形；
(3)冷摆辗上模采用直线轨迹，直线轨迹垂直于圆柱形坯料轴线，即冷摆辗上模沿坯料径向方向摆动；
(4)冷摆辗上模是一个棱锥，其锥角大于等于176°，棱锥两侧面与齿条径向两侧齿形进行布尔运算获得冷摆辗上模齿形；
(5)冷摆辗下模与齿条齿形背面匹配，是一个截面为半圆形的凹槽；
(6)冷摆辗过程中冷摆辗上模与齿条干涉计算：
以平行于齿条轴线并通过摆辗中心的直线为x轴，以通过齿根中点并垂直于齿顶所在平面的直线为z轴，以x轴和z轴相交的点为坐标原点O点，以通过O点并垂直于xOz面的直线为y轴，建立坐标系；定义齿条压力角为α，冷摆辗上模摆角为γ，摆辗中心线与齿条法向面夹角为δ，冷摆辗上模瞬时摆动角度为θ，θ∈[0,2γ]，齿条长度为L；冷摆辗过程中，冷摆辗上模齿廓面上一点(x,y,z)与齿条干涉量Δ的计算方程为：
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(7)冷摆辗上模修正：
定义齿条模数为m，齿顶高为ha，齿根高为hf，齿顶面到齿条轴线的距离为h1，齿条轴线到摆辗中心的距离为H，冷摆辗上模转动间隔角ε；冷摆辗上模修正区边界点的方程如下：点N0(x1,y1,z1)坐标方程为：
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通过上述边界点建立修正区实体，然后在冷摆辗上模通过布尔运算去除修正区实体，得到修正后的冷摆辗上模；修正后的冷摆辗上模在摆辗过程中不与齿条发生干涉；
(8)通过锯切或剪切获得步骤(1)尺寸的坯料，坯料经过退火处理后放入冷摆辗下模中，修正后的冷摆辗上模作直线轨迹摆动运动，冷摆辗下模带动坯料作直线进给运动，在冷摆辗上模和冷摆辗下模共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形，最终冷摆辗成形高精度齿条。
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