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齿形零件的多向数控流动精密成形技术及应用

齿形零件量大面广,属关键基础件。利用近净精密成形技术制齿,可满足一定场合需要,效率高、节省材料、提高齿部性能。经过40年来研究,有的技术已大批量应用,有的到了大批量应用的时候,尤其随着智能制造的发展,更是到了应该自动化、智能化批量生产的时候了。

郑州机械研究所有限公司自1974年起到现在一直致力于各种齿形复杂零件的近净精密锻造成形技术的研究、应用、推广,涉及了锻造的材料性能、锻前材料热处理工艺、锻后工件机械性能、断料方法及设备、成形方法、模具结构、模具材料、模具寿命、高精度模具的设计方法及加工方法、高精度模具齿形的精度维持方法、润滑材料及润滑方法和专用润滑设备、锻后零件与后续机加工基准转换方法及设备、模具及工件齿形测量方法、精密成形设备等各个方面。成形的齿形零件包括锥齿轮、直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、花键齿、盲孔件带内外齿、变(定)速比转向齿条、扇形齿、侧面齿等各种齿形零件。冷精密成形齿形零件齿形精度可稳定在7~9级之间,对于要求精度较低的场合可直接装车使用;热(温)成形的齿形零件预留少许余量,可减少制齿工序2/3以上的加工工时。
精密成形齿形零件的目标是高效率实现齿形锻件的控形、控性,满足产品对齿形及其精度、强度要求。达到此目的要解决的问题归结为两个方面:以最小的模具单位力成形工件,以提高模具寿命;高精度齿形模具设计、加工以及精度保持,以成形出高精度齿形件。解决这两个问题的理论依据是塑性成形理论:不同加载时序及方向直接影响工件成形过程的材料流动规律。而实现办法及途径则是:通过数值模拟获得最佳加载顺序和方向及相关参数;通过设备及模具结构设计实现加载方向;通过数字控制实现加载时序及方向。具体实施方法是根据零件形状和要求采取成形时控制材料流动的方法,可以是单方向控制材料流动,也可以是两方向、三方向、五方向等控制材料流动,达到模具低应力前提下成形出齿形零件的目的。

单方向控制流动挤压成形齿轮产品

通过控制单方向材料流动状态成形的齿形零件还是比较多的,有圆柱形齿形件也有非圆齿形件,圆柱形齿形件有贯穿齿轮和非贯穿齿轮之分,尤其是非贯穿齿轮,通过精密成形更能体现出其生产效率优势,齿形端部不但免去退刀槽还提高了结合强度。图1是外侧和内侧带齿零件,有的还带内孔,齿形精度最高能够达到7级,可以看出,内侧带齿零件的成形效率更具优势。尤其是深孔带内齿形零件,成形难度在于齿形精度、位置精度和齿形冲头寿命。图2是内外都带齿形零件,其中有的内外齿还要求周向角相位具有一定精度,这类零件的成形难度在于内外齿形模具的对中精度、模具运动时的导向精度。

非圆齿形件有代表性的是轿车变速比齿条,其特点是在大小速比转换过渡阶段,定模数的小齿轮与变模数的齿条间在任何一点仍然满足齿条啮合基本方程m1cosα1=m2cosα2,齿条通过mcosα=恒量的函数变化实现速比的变化,但在齿条的大小速比变化过渡期啮合法面m、α任一点都不同、而在相邻点连续变化。这样增加了齿形加工的难度,精密成形齿形的优势体现得更为突出。大批量精密成形齿条有三方面难点:一是高精度模具齿形的低成本高效率加工方法及设备,二是齿形模具寿命,三是齿条模具齿形和锻件齿形精度的快速检测方法。图3是经过修形后在研制的齿条电极加工机上快速加工出来的模具电极照片。图4是齿条成形模具及成形的变速比齿条锻件。

两方向控制流动挤压成形齿轮产品

通过控制具有相对运动方向的两个冲头,充分利用材料成形时的摩擦力始终和主运动相反的特性,将阻碍材料在难充满区域的摩擦力转变成有利于该区域充满的摩擦力,实现齿形零件的省力成形,进而减少齿形模具的最大应力,这就使原来不能成形的零件能够精密成形。直齿圆柱齿轮精密成形原理是基于两个齿形冲头上下、双向对等速度靠近实现闭塞精锻成形。考虑到成形过程中模具齿形部分不但承受巨大塑性成形力,还有批量生产时的成形热引起的模具及工件尺寸变化,因此需要对模具齿形进行修形,修形后的模具齿形已非标准渐开线齿形,试验结果显示,通过修形能够提高齿轮齿形精度1~2级。图5是通过上下冲头对压成形的直齿圆柱齿轮精密锻件(除齿面外)经加工后的圆柱齿轮零件。图6是研制两方向精密成形通用设备专用液压模架。表1是成形的195型柴油机直齿圆柱齿轮检测精度表。利用该模架也成形了斜齿圆柱齿轮,但由于斜齿圆柱齿轮模具齿形修形及修形后模具齿形加工难度较大,加工的模具精度还不能达到要求,造成工件齿形齿向精度不高,但通过增加一道珩磨工序,工件精度提高很多,图7是珩磨过程和专做的CBN珩磨轮,提高齿形精度效果明显,尤其是齿向精度。
利用这种两方向闭塞成形方法也可以成形锥齿轮精密锻件,对于较小锥齿轮,齿形可以达到不用后续精加工直接使用的阶段。

三方向控制流动挤压成形齿形零件

汽车转向系统是汽车主要安全系统之一,商用车转向器用转向摇臂轴是一个形状极为复杂的零件,对其强度要求也较高。图8是利用三方向可控流动方法成形带齿转向器摇臂轴锻件原理图,其中,侧面齿形是靠侧向齿形冲头成形出来的。图9是研制的能够用于大批量生产、三方向可控流动成形压机及其模具以及大批量成形锻件,其特点是共用一套数控液压系统,根据成形时材料流动需要适时控制各个柱塞的运动,成形的锻件无飞边,在齿形单边只留少许精加工余量,有厂家统计比不带齿摇臂轴锻件可以减少制齿工时2/3。

五方向控制流动挤压成形齿形零件

对于形状复杂的零件,五方向可控流动成形有其明显优势,如商用车转向活塞带齿锻件等。带齿转向活塞成形原理是由五个方向的冲头根据成形的需要受控运动来完成。具有明显优点:多向金属流动可控;棒料一次锻造直接成形,无预锻、无飞边;成形效率高、节能、节材;锻件内部金属流线完整。根据此成形原理,设计制造了五方向成形压机和相应的模架及模具并取得相关方面专利。图10是压机外形照片,属国内首台套,获得了若干项发明专利,拥有自主知识产权。该设备具有明显特点:是成形工艺、模具、润滑冷却和主机为一体的集成型装备;计算机程序控制,可连接工业互联网;多向压力参数可控;具有感知、自适应功能;具有故障自动报警功能。图11是研制的五方向控制成形模架系统及大批量生产转向活塞成品锻件照片。

五方向控制流动智能成形生产线

根据生产需要,我们建造了一条五方向控制流动精密成形智能化生产线,图12是建成的生产线,由带有智能反馈的自动化等重下料单元(含棒料自动上料、称重反馈、圆盘锯)、智能锻造单元(含中频加热、数控五方向成形压机、操作机器人、热锻件自动外观检测)和等温正火及自动清理单元三部分组成。精密锻造生产过程中整条生产线的四个关键质量控制点(锻件下料体积、棒料加热温度、锻件外形尺寸或模具型腔尺寸、热处理金相组织)始终都处于受控状态,保证了产品质量的一致性、稳定性。图13是下料控制系统,不但可以任意调整所需要的称重误差,也可以将超差的零件分拣出去。图14是中频加热系统,除每件自动测温外,还可以将过热、过低温度的棒料分拣出来。图15是智能锻造系统之一,零件成形过程中压机各柱塞可以根据成形参数的改变协调动作,实现成形过程;具有7关节性能的机器人可以实现装框的码垛功能,同时能够按设定间隔将锻件放到人工抽检工作台上,供人工监控检测效果。由于不同材质的锻件只有控制好进炉温度,正火热处理后的锻件金相组织才能合格,因此生产线也具有通过风冷或均温加热的方式控制成形后锻件进炉温度的功能,实现余热等温正火。

整条生产线由总线控制系统控制,具有自动故障报警功能,关键数据及运转状态自动记录,也可实现远程诊断及远程参数调整功能。

结束语

齿类零件的高精度成形主要围绕两个方面:一是成形方法,根据零件的结构特点,采用不同的挤压方式和道次,以减少模具的单位受力、提高齿形件的轮齿精度并维持齿形精度、提高生产效率;二是随着近几年相关技术的发展,齿形零件(包括圆柱齿轮)的自动化生产,已经到了大批量应用阶段。

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