小模数齿轮冷挤技术的现状与机遇

发布者: 发布时间:2017/12/20 10:50:53 阅读:次 【字体:

   小模数齿轮冷挤技术的现状与机遇

  齿轮冷挤成形是一种少、无切削的塑性成形新工艺,具有加工效率高,材料利用率高,能提高原材料的力学性能的特点,可以加工一些形状复杂的零件。

  成形齿轮的精度主要取决于模具的精度,模具修形精度、热处理变形、后续加工等都会影响冷挤齿轮的精度。在提高冷挤齿轮精度、螺旋齿轮和圆锥齿轮的冷挤等方面存在着机遇与挑战。

  齿轮冷挤成形是一种少、无切削的塑性成形新工艺,具有加工效率高,材料利用率高,能提高原材料的力学性能的特点。一些形状复杂的零件如异形截面齿、不贯穿齿、盲孔内齿等,采用其它加工方法难以完成,用冷挤成形工艺则可能方便的完成加工。

  现状与问题

  1 现状

  小模数齿轮冷挤成形工艺,在国内正式用于生产也就是近20 多年的时间,目前小模数齿轮冷挤成形工艺,主要应用于汽车起动电机、单向离合器等关键部件上,以及单向离合器上的驱动齿轮和减速行星齿轮及内齿圈的生产上,齿轮模数一般在4 mm 以下。冷挤成形齿轮的材料一般采用低碳钢、中碳钢、低碳合结钢、铜材、铝材等。延伸性好,冷硬效果低的金属材料均可用作冷挤成形材料。冷挤成形的齿轮精度一般在GB/T100958-12 级,成形齿轮的精度取决于模具的精度。目前,国内冷挤齿轮模具的加工都采用电火花加工成形,用高精度进口慢走丝线切割机加工的齿轮凸、凹模精度在GB/T10095 6~7级之间,最高也可以达到5 级。冷挤成形的齿轮精度要比模具齿轮凸、凹模精度低1~2级;如再经过热处理,因热处理变形,齿轮精度等级还会下降1~2 级。因此,齿轮最终精度最高只能达到GB/T10095 8 级。冷挤齿轮的精度与模数之间也存在一定的关系,热处理的变形与模数之间也存在很大的关系。模数小,齿轮精度等级的变化相对也较小一些。

  2 问题

  冷挤成形齿轮的问题是齿轮精度不够高。对一些有噪音要求的传动齿轮副,目前的冷挤成形技术还不能满足要求。要解决这一问题,必须从二个方面入手:一是提高模具的制造精度;二是降低热处理变形量。

  (1) 为了方便材料流动,坯件在进入齿轮凹模(或凸模)的一端需要修磨一定的角度、过渡圆弧和工作带。过渡圆弧和工作带修磨得好坏会直接影响到齿轮精度。可以说模具精度与成形齿轮精度的之所以会有1~2 级的精度差别,主要是由修模产生的,要提高齿轮精度就必须要提高修模质量。目前,一般多是采用手工修模,手工修模的不确定因素太多,质量不好控制,与模具工的经验和技术水平有很大的关系。当然,还可以采用电火花将入模角、过渡圆弧和工作带加工出来,可以相对提高成形齿轮精度,但加工工艺较复杂。在汽车起动电机、单向离合器行业,因对齿轮精度的要求不是很高,一般多采用手工修模。

  (2) 对热处理变形的问题,解决的方法也可从二方面入手。

  一,可以改变热处理工艺,降低渗碳温度和淬火温度,可以减少热处理的变形量,从而提高热处理后的齿轮精度;如采用碳氮共渗或软氮化等热处理工艺。

  二是在冷挤成形时就考虑到热处理的变形,从我们长期的测量分析观察到,热处理的变形主要产生在齿形角的改变,冷挤成形的齿轮一般齿形角会变大,根据齿轮模数大小不同,热处理变形的大小也不同。模数大的齿轮变形量相对也大,可以根据对应齿轮模数的热处理前后的变化量,在模具加工时对齿形角进行修正,来补偿热处理后齿形角的变化,使齿轮精度得到提高。

  (3) 齿轮冷挤成形后一般都需要金加工,金加工的同轴度误差、端面与齿的垂直度误差,都会对齿轮精度造成误差,特别是对齿向、齿圈跳动、齿轮周节误差映响较大。因此,提高金加工的精度对提高冷挤成形齿轮精度也非常重要。

  机遇与挑战

  冷挤成形齿轮工艺的优点,一是生产效率较高,如普通的油压机一个班能加工2000-3000 件,比滚切削加工速度快,减少用工成本。二是齿轮强度高。齿轮冷挤成形为塑性成形,金属纤维是连续的,组织较为紧密,与切削成形齿轮相比,其齿根疲劳强度、齿面接触强度和抗磨损性都得到了大幅度的提高。

  目前,齿轮冷挤成形工艺,在汽车起动机行业已得到广泛的应用,在其他行业,只要在齿轮成形精度上得到突破,冷挤成形齿轮工艺的应用,必将成为齿轮成形技术的一枝奇葩,当然,也必将面临着重大的机遇和挑战。

  ⑴ 齿轮精度要求在GB/T10095 8 级左右的是可以实现的目前,国内进口高精度慢走丝线切割机可以加工出GB/T10095 5~6 级精度的齿轮凹、凸模,只要在修模技术上下功夫,在2模数以下的齿轮是可以达到GB/T10095 7~8级;对一些不需要热处理的齿轮,不考虑金加工的误差,冷挤成形齿轮精度可以稳定在8 级以上。因有冷挤件齿面具有冷作硬化的效果,如采用中碳钢加工,成形后表面硬度可达到HRC17~18,相当于调质硬度。

  ⑵ 螺旋齿轮的冷挤

  对一些螺旋角不是很大的齿轮包括内齿轮也是可以冷挤成形,从我们的实践证明,螺旋角在25°以下,齿轮模数2mm 以的内、外齿轮均可采用冷挤成形工艺加工。从模具制作角度考虑,内齿螺旋齿轮模具制造比较容易一点,因内齿成形凸模可采用滚齿、磨齿加工制作,加工工艺相对比较简单,而外齿成形凹模只能采用电火花成型加工工艺,需要先加工齿轮电极,齿轮电极的精度直接影响到模具凹模的成型精度。冷挤压齿轮的成形精度取决于模具的精度,如不需热处理,模数在2mm以下的螺旋齿轮同样能实现8 级左右精度。

  ⑶ 圆锥齿轮的冷挤

  圆锥齿轮在机械行业中占有重要的地位,如在汽车行业、机床、纺织机械等行业中都有广泛的应用。因此,迫切需要一种高效的生产技术来加工圆锥齿轮。冷挤成形就是一种极具开发前景的新工艺、新技术。圆锥齿轮冷挤成形有着广阔的发展前景,因圆锥齿轮目前所采用的机械切削加工工艺,生产效率低,加工精度差,材料流线要被切断,齿轮强度不高。而冷挤成形圆锥齿轮加工效率高,材料利用率高,因是塑性变形,材料流线是连续的,材料组织紧密,表面粗糙度低;齿轮强度与切削成形齿轮相比,其疲劳强度、齿面接触强度和抗磨损性能都得到了大幅度的提高。冷挤成形圆锥齿轮的关键技术同样是冷挤压模具的制造技术,随着我国科学技术的不断发展,CAD/CAM 的技术的应用和依靠多轴加工中心机床的加工能力,高精度的冷挤圆锥齿轮成形模具加工已可以实现。在模具结构上,冷挤圆锥齿轮的模具结构与圆柱齿轮成形模具结构有很大的差别,冷挤圆锥齿轮模具实际是一种冷镦模具,圆锥齿轮在冷挤过程中,其材料的流动性很差,模具承受的压力更大,因此,在模具结构设计上,要根据冷挤压材料流动原理,让材料在冷挤过程中尽可能的流动起来。一般对成形坯料都需要进行预成形加工。

  我国已经成为当今世界的制造大国,齿轮传动在机械行业中是一种应用最广的机械传动,它与其它机械传动型式相比,具有传动效率高,传动比平稳,寿命长,可以传递空间任意轴之间的运动和动力的特点。齿轮冷挤成形技术的开发,有着具大的市场前景,与传统切削成形加工工艺相比,齿轮冷挤成形具有更强的市场竞争力。

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