本發明涉及一種用于滾軋圓柱齒輪的成形方法，屬于齒輪軋制成形技術領域。

背景技術：

齒輪是近代機器中最常見的機械元件之一，是機械產品的重要基礎零部件。目前齒輪的主要生產工藝是切削加工與精密鍛造成形等。圓柱齒輪的精密鍛造成形工藝基本上是采用鐓擠方法，這種封閉的成形方法使得金屬毛坯在成形接近終了階段的流動受到極大的限制，材料的變形抗力急劇上升，導致齒廓充填不完滿、所需設備噸位大、模具工況惡劣、出模困難等。

軋制成形是一種連續的局部加載局部變形的回轉塑性成形工藝，變形力顯著降低，連續的回轉運動也使得對模具的沖擊作用較小，幾乎不存在模鍛成形出現的出模困難等問題。齒輪滾軋工藝體現了軋制成形方式的優勢和齒輪鍛造成形技術的優點，目前主要有兩種基本成形方法：齒條滾軋成形及滾壓輪滾軋成形。其中，滾壓輪滾軋成形工藝更具有實用性。圓柱齒輪滾壓輪滾軋工藝原理如圖1所示，一對(或三個或更多)參數相同的滾壓輪平行安裝在兩根主軸上，在傳動機構的驅動下做同向和同步旋轉。工件以其兩端中心孔定位，始終與兩個滾壓輪處于自由對滾狀態。在液壓系統提供的滾壓力作用下，兩個滾壓輪徑向進給接觸并擠壓工件。隨著擠入量的增加，工件外圓部分的金屬在滾壓輪間借助范成運動形成齒形，直至滾軋出整個齒輪結構。

齒輪滾軋成形典型的缺陷有如圖2所示的齒形突耳、齒腹線不對稱及端部鼓形等，其中突耳缺陷是齒輪滾軋成形工藝中最嚴重的質量缺陷，是成形過程中在齒形的頂部兩側形成的突起。突耳現象是由于在滾軋過程中與滾壓輪接觸的表層坯料流動較快而逐漸累積形成的，是齒輪滾軋成形變形方式下固有的變形特征，需要通過機械加工切除突耳。通過工藝參數調配，難以顯著改善或消除齒形突耳現象。此外，滾軋成形初始階段，坯料在隨滾壓輪旋轉分齒時，由于打滑現象容易產生錯齒現象，錯齒與分齒不均都會影響滾軋成形質量，嚴重時導致成形失敗。同時，在成形結束階段，由于滾壓輪齒頂、齒根與成形齒形齒根、齒頂同時都是接觸的，而不是標準齒輪嚙合傳動時齒根與齒頂間保持一定的間隙狀態，因此，旋轉過程中，滾壓輪齒頂與坯料旋出齒的齒廓底部、滾壓輪齒根與坯料旋入齒齒廓頂部會發生干涉，迫使坯料齒形變形，而使得滾軋成形的齒廓精度得不到保證。

綜上所述，現有的齒輪滾軋成形方法中，滾壓輪軸相對于坯料軸之間只有徑向送進運動與旋轉運動，滾壓輪軸與坯料軸之間并無相互的軸向運動，在該運動方式下，滾壓輪的齒形結構沿軸向和環向必然為均布形式，使得齒輪滾軋成形中的初始咬入均勻分齒、成形階段的突耳缺陷抑制以及成形后期齒形輪廓的精整難以通過一套滾壓輪來實現。

技術實現要素：

本發明針對現有齒輪滾軋成形技術中滾壓輪與坯料之間只有徑向送進運動和旋轉運動的運動形式而對齒輪滾軋成形過程控制帶來的限制，提出一種簡單方便、成本低，能夠實現均勻分齒、抑制突耳、精整齒廓的采用錐形滾壓輪的齒輪滾軋成形方法。

本發明的采用錐形滾壓輪的齒輪滾軋成形方法，是：

用至少一個錐形滾壓輪對坯料進行滾軋，所述錐形滾壓輪的齒形沿軸向是變化的，各個滾壓輪同向旋轉，坯料軸向進給，依次實現初始滾軋階段的分齒、成形階段的突耳缺陷抑制以及滾軋后期的齒形輪廓的精整；在錐形滾壓輪旋轉中，隨著坯料的軸向送進，坯料外緣依次發生并完成均勻分齒、齒形無突耳成形和齒廓精整過程，實現齒輪滾軋過程的精確成形。

上述過程采用錐形滾壓輪，滾壓輪與坯料之間產生軸向送進和旋轉運動，克服了現有齒輪滾軋成形工藝方法中一套滾壓輪無法同時實現均勻分齒、抑制突耳、齒形輪廓精整的成形質量要求。通過一套滾壓輪實現均勻分齒、抑制突耳、精整齒廓等成形質量要求。

所述錐形滾壓輪在軸向上分為分齒區、成形區和精整區，其齒形沿軸向在三個區是變化的；分齒區的齒形錐角為25°～30°(齒形較尖，以利于分齒)，齒高為擬成形齒輪模數的0.20～0.25倍；錐形滾壓輪中間段為成形區，成形區的齒形節距逐漸減小到標準齒形的節距，同時，成形區齒根圓尺寸根據無突耳齒形長高的尺寸一致性設計，以抑制滾軋過程中突耳缺陷的出現；錐形滾壓輪的出口端為精整區，精整區的齒形節距不變，而齒形的齒頂尺寸逐漸減小，逐漸減小到標準齒形嚙合的齒頂尺寸。

所述錐形滾壓輪的成形區的齒根圓半徑為：

r_f＝a-r₀-h_j，

式中：a為錐形滾壓輪與坯料的中心距；r₀為坯料的初始半徑；h_j為坯料齒形長高量，h_j＝φ(f)，f為坯料在錐形滾壓輪成形區的軸向送進長度，h_j與坯料在錐形滾壓輪成形區的軸向送進長度f相關，其數值通過坯料在錐形滾壓輪成形區的軸向送進位置處滾壓輪齒形壓入坯料的體積與坯料齒形長高的體積相等的關系求得。

本發明在原滾軋過程中改變了滾壓輪的結構形式和滾壓輪與坯料之間的運動方式，采用錐形滾壓輪結構形式，消除了原齒輪滾軋中會帶來結構復雜程度和同步運動不易控制的滾壓輪徑向送進運動。

本發明不但通過滾壓輪結構設計實現了齒輪滾軋各階段為提高齒輪滾軋成形質量而對成形過程的要求，也總體上簡化了滾軋成形系統的復雜程度，使得齒輪滾軋成形過程簡便，易于實現，成形質量好，齒形精度高，可實現齒輪滾軋的精確成形，消除齒形突耳機械加工以及齒廓尺寸的精加工，節省材料及加工工時，顯著提高圓柱齒輪滾軋成形的生產效率，降低生產成本。

附圖說明

圖1是現有齒輪的滾壓輪滾軋成形原理示意圖。

圖2是齒輪的滾壓輪滾軋成形存在的突耳缺陷示意圖。

圖3是本發明采用錐形滾壓輪的齒輪滾軋成形方法的原理示意圖。

圖4是本發明中錐形滾壓輪的結構示意圖。

圖5是本發明中錐形滾壓輪對坯料的滾壓過程示意圖。

圖6是本發明滾軋過程中齒形長高體積等于滾壓輪齒形漸開線展成運動包絡形成的壓入坯料的體積示意圖。

圖中：1.錐形滾壓輪，2.坯料。

具體實施方式

如圖3所示，本發明的采用錐形滾壓輪的齒輪滾軋成形方法，是用至少一個(圖3中設置兩個)錐形滾壓輪1對坯料2進行滾軋，錐形滾壓輪1在同向旋轉過程中，坯料2軸向送進并在錐形滾壓輪1的帶動下旋轉。本發明與現有滾壓輪滾軋工藝不同之處在于，本發明采用的滾壓輪為圖4所示的錐形結構，其齒形沿其軸向是變化的，變化的齒形結構依據齒輪滾軋過程的分齒(初始階段)、齒形成形(成形階段)以及齒廓精整(滾軋后期階段)的要求而設計，達到滾軋過程初始階段分齒均勻、成形階段消除齒形突耳缺陷以及滾軋后期齒形輪廓精整的目的，獲得無需切除突耳的機械加工和保證齒廓精度的磨削加工的精確滾軋成形的齒輪。

如圖4所示，錐形滾壓輪1的結構分為分齒區、成形區和精整區，其齒形沿軸向在三個區是變化的。錐形滾壓輪的入口端為帶有便于坯料送進的導入角的分齒區，分齒區的齒形較尖，以利于分齒，齒形錐角范圍為25°～30°，齒高為擬成形齒輪模數的0.20～0.25倍。錐形滾壓輪中間段為成形區，成形區的齒形節距逐漸減小到標準齒形的節距，同時，成形區齒根圓尺寸根據無突耳齒形長高的尺寸一致性設計，以抑制滾軋過程中突耳缺陷的出現。錐形滾壓輪的出口端為精整區，精整區的齒形節距不變，而齒形的齒頂尺寸逐漸減小，逐漸減小到標準齒形嚙合的齒頂尺寸。

如圖4所示，滾軋前，坯料2前端位于錐形滾壓輪1的倒料口處，錐形滾壓輪1勻速旋轉，坯料2軸向送進，其前端在錐形滾壓輪倒料口中逐漸與錐形滾壓輪1的齒形接觸，先進行第I階段(初始階段)分齒，分齒階段的錐形滾壓輪的齒形及分齒后的坯料外緣形貌如圖5(a)所示。當坯料繼續軸向送進，進入到第II階段(成形階段)，成形階段的錐形滾壓輪齒形的節距是逐漸減小的，其齒形結構及成形階段坯料的齒形如圖5(b)(c)所示，該階段滾壓輪的齒形結構除了節距逐漸由分齒階段的較大值過渡到標準齒形的標準節距外，其齒根的尺寸應根據該階段齒形長高的尺寸一致性進行設計，以有效抑制突耳的產生。當坯料繼續送進時，進入第III階段(精整階段)，結束成形的齒形在滾壓輪精整結構階段進行齒廓的修正，該階段滾壓輪的齒形節距不變，而齒形的齒頂尺寸逐漸減小，逐漸過渡到標準齒輪嚙合傳動時的齒頂尺寸，完成齒形輪廓的精整。

錐形滾壓輪成形區齒根圓尺寸按以下過程設計：

錐形滾壓輪1成形區的齒根圓尺寸改進設計的目的是抑制突耳的形成，也就是說，坯料2在成形階段的軸向送進過程中，坯料齒形逐漸形成并長高，成形階段的滾壓輪齒根面需要貼合坯料均勻長高的齒形齒頂表面以達到抑制突耳生成的目的。如圖6所示，根據金屬塑性成形體積不變準則，輪坯的齒形長高體積S_坯齒等于滾壓輪壓入坯料的漸開線展成運動包絡形成的輪坯齒槽體積S_坯槽，經過分析可知，錐形滾壓輪1的齒頂壓入坯料2展成運動形成的坯料表面齒槽的體積S_坯槽等效于滾壓輪齒槽在該壓入深度的體積S_輪槽。通過S_坯槽＝S_輪槽，求解成形階段軸向各處齒根圓的尺寸。

錐形滾壓輪1的齒處任意圓的齒厚為

式中：r_i為任意圓半徑；r為分度圓半徑；δ為分度圓齒厚；α_i為任意圓壓力角；α為分度圓壓力角。

滾錐形壓輪1齒的任意圓的齒槽厚度為

式中：z為滾壓輪齒數，其余變量同上。

當錐形滾壓輪1的壓入量為h_i時，則同等壓入量下滾壓輪齒槽的體積S_輪槽為

式中：r_f為滾壓輪齒根圓半徑。

齒輪坯料的長出體積S_坯齒為

式中：h_j為坯料齒形的長高量。

滾軋成形階段，帶有錐度(錐角為β，見圖4)的錐形滾壓輪齒頂隨著坯料的軸向送進而逐漸壓入坯料外圓，錐形滾壓輪1的徑向壓入量h_i和坯料進入到錐形滾壓輪成形區的軸向送進長度f之間的關系為

h_i＝ftgβ (2-3)

聯立方程(2-1)、(2-2)和(2-3)即可得出齒形長高量h_j與坯料在錐形滾壓輪成形區的軸向送進長度f之間的關系，即：

h_j＝φ(f) (2-4)

也就是說，根據上式，便建立起來坯料2在成形階段的齒形長高量與坯料在錐形滾壓輪成形區的軸向送進長度之間的關系。

坯料2的中心與錐形滾壓輪1的中心的距離在滾軋過程中是恒定不變的，如果滾壓輪的齒根恰好能與坯料齒形長高的外緣貼合，便可抑制齒形突耳的產生，即此時與坯料齒形齒高相對應的錐形滾壓輪1的齒根圓半徑為

r_f＝a-r₀-h_j (2-5)

式中：a為錐形滾壓輪1與坯料2的中心距；r₀為坯料2的初始半徑。

也就是說，錐形滾壓輪1的成形區的齒根圓半徑只要按照由式(2-4)求得了h_j后再由式(2-5)確定的r_f值進行設計，該錐形滾壓輪便能夠抑制滾軋過程中齒形突耳的形成。