專利名稱：工件的擴大加工方法
技術領域：
本發明涉及一種用于使由塑性材料制成并且具有軸線的工件的一部分變形并且 擴大的擴大加工方法，更具體地，使該工件的外表面的一部分變形并且擴大的擴大加工方法。
背景技術：
作為用于使由作為塑性材料的金屬材料制成的軸部件設置有期望的階梯結構的 方法，除了諸如切削加工、壓制加工或模鍛加工的方法之外，還已知一種擴軸加工方法(例 如，參見專利文獻1)。根據專利文獻1中描述的加工方法，在使軸部件旋轉時，一邊對該軸 部件施加彎曲一邊在該軸部件的軸線方向上對該軸部件施加壓縮力。所述壓縮力和彎曲塑 性變形，即，擴大軸部件的外周表面的一部分使得該外周表面的該部分形成為擴大部。根據該擴大加工方法，與切削加工不同，不會產生切屑，并且顯著地減少了加工時 間。此外，與用于實施壓制加工或模鍛加工的加工機器相比，能夠使實施擴大加工方法所用 的加工機器小型化并且能夠減小加工負荷。因此，近些年來，愈發關注擴大加工方法。現有技術文獻專利文獻專利文獻1日本專利No. 3788751的說明書

發明內容
本發明要解決的問題專利文獻1的擴大加工方法是基于塑性加工的機械原理。更具體地，在使軸部件 旋轉的同時，使軸部分相對于其軸線以3°到6°的彎曲角彎曲，并且這種彎曲對該軸部件 反復增加旋轉彎曲應力。結果，專利文獻1的擴大加工方法利用所述旋轉彎曲應力作為擴 大加工的驅動力，并且在該軸部件中產生逐次塑性變形而擴大了該軸部件的一部分。然而，在專利文獻1的擴大加工方法的情況下，施加在軸部件的軸向上的壓縮力 非常小以至于幾乎不能補充由該軸部件的擴大而導致的該軸部件的軸向收縮，并且更具體 地，該壓縮力小于工件的初始屈服強度。因此，當在擴大加工期間，軸部件彎曲超過上述彎 曲角時，軸部件受到所述彎曲的那部分與該軸部分的初始軸線大大地偏離，這很可能導致 軸部件的翹曲，并且難以在該軸部件上穩定地加工擴大部。本發明的目的是提供一種工件擴大加工方法，其可以在工件上穩定地形成擴大部 而不會引起工件的翹曲、需要較少的能來分解內能，并且在加工期間能夠可靠地避免工件 的疲勞損壞。解決問題的方法為了實現上述目的，本發明提供了一種用于使由塑性材料制成的工件的外表面發 生塑性擴大變形的擴大加工方法，所述工件包括軸線以及在其外表面上的無約束目標擴大 區域。更具體地，根據本發明的方法包括保持工件，并且在施加使在工件中產生等于或大于初始屈服強度的縮壓應力以增加該工件的內能的壓縮能同時，在與所述軸線相交的橫向 上施加使所述工件在其彈性限度內變形的交替能，由此，在分解和消耗由壓縮能所增加的 內能的一部分的同時，所述交替能使目標擴大區域塑性變形并且擴大。
根據上述的本發明的方法，交替能幾乎不增加引起工件在該工件的橫向上彈性變 形的反復應力。然而，所述反復應力足以有效地分解由于壓縮能的施加所增加的工件的內 能。因此，在形成工件的塑性材料中生成了塑性流動的同時，由內能的分解而獲得的那部 分分解的內能被消耗，從而工件的處于無約束狀態下的目標擴大區域中生成了塑性擴大變 形。更具體地，反復應力在工件的軸中心處變為最大并且在該工件的外周上變為零。 因此，內能在工件的軸中心處分解，并且從工件的軸中心引起了上述塑性流動。結果，只要 維持對工件施加壓縮能和交替能，就能在消耗由于分解內能所獲得分解能的同時，即，借助 分解能，基于所謂的機械棘輪效應(mechanical ratchet phenomenon)在目標擴大區域逐 漸且可靠地進行擴大變形。結果，能夠將工件的目標擴大區域形成為期望的擴大部。更具體地，壓縮能是在工件的軸向或徑向中的一個方向上壓縮該工件的壓縮力， 并且在工件的橫截面中施加交替能來作為每單位體積給定的交替剪切能。交替剪切能通過 使工件位于目標擴大區域的一側上的端部在工件的軸向上強制移位，而在工件中產生反復 剪切應力，或者，通過將交替沖擊扭曲施加于工件而產生交替剪切能。此外，當工件是中空管件時，所述交替能也可以由聲能產生。更具體地，在使工件 的一端閉合的同時從該工件的另一端將超聲波引入到該工件中。另一方面，當使目標擴大 區域變形和擴大時，可以使用外形約束件。將該外形約束件布置成環繞目標擴大區域，并且 該外形約束件的內表面結構限定了通過擴大目標擴大區域而獲得的擴大部的外周結構。例 如，該外形約束件可以用于將擴大部形成為錐齒輪。此外，外形約束件可以一體地接合于擴 大部，并且在這種情況下，擴大部通過壓力配合，即，接合配合，而連接于外形約束件。通過下面將描述的附圖和本發明的各實施例，用于使工件的端部強制移位的詳細 方法將更加清楚。本發明的有益效果本發明的擴大加工方法通過對所保持的工件施加產生等于或大于初始屈服強度 的壓縮應力的壓縮能以及在工件的橫向上施加使該工件在其彈性限度內變形的交替能，而 使工件的目標擴大區域穩定地變形和擴大。根據本發明，不需要對工件施加過大的交替能， 并且因而，在擴大過程期間的工件中不存在產生翹曲變形或疲勞損壞的這種情況，從而可 以在工件上確定地形成期望的擴大部。此外，由于在工件內增大的內能的一部分用于形成擴大部，所以能夠減少進行擴 大變形所需要的交替能以及伴隨該擴大變形而產生的熱量，使得有效地抑制了工件的溫度 上升。結果，根據本發明的擴大加工方法，能夠執行擴大過程，同時無需使工件冷卻就能防 止諸如藍脆性的工件的熱變，從而顯著地提升了擴大加工的可操作性。


圖1是用于示意地說明本發明的擴大加工方法的機構的框圖。圖2是第一實施例的用于執行擴大加工方法的加工機器的示意圖，其中(A)圖示了加工機器在加工工件之前的狀態，而(B)圖示了加工機器在加工工件過程中的狀態。圖3示出了工件被加工時的狀態，其中(A)是示出了工件的旋轉數與工件的擴大 率之間的關系的曲線圖，(B)是示出了旋轉時間常數與擴大率之間的關系的曲線圖，而(C) 是示出了工件的壓縮應力與旋轉時間常數之間的曲線圖。圖4是示出了第二實施例的用于執行擴大加工方法的加工機器的一部分的側視 圖，即，用于保持工件的一端的保持件的側視圖。圖5是示出了保持圖4的工件的另一端的旋轉件內部的套筒保持器的平面圖。圖6是沿圖5的線VI-VI截取的套筒保持器的剖視圖。圖7是示出了套筒保持器相對于旋轉件的偏心的示意圖。 圖8圖示了第三實施例的用于執行擴大加工方法的加工機器，其中㈧圖示了加 工機器在加工工件之前的狀態，而(B)圖示加工機器在加工工件的過程中的狀態。圖9圖示了第四實施例的用于執行擴大加工方法的加工機器，其中(A)圖示了加 工機器在加工工件之前的狀態，而(B)圖示了加工機器完成了工件加工的狀態。圖10是示出了用于使圖8的驅動件以往復的方式旋轉的結構的示意圖。圖11是示出了圖8的接受部的端面的示意圖。圖12是示出了用于對工件而不是圖9的結構施加沖擊扭矩，以執行第五實施例的 擴大加工方法的機構的示意圖。圖13是用于執行第六實施例的擴大加工方法的加工機器的示意圖。圖14是用于執行第七實施例的擴大加工方法的加工機器的示意圖。圖15是用于執行第八實施例的擴大加工方法的擴大加工機器的示意圖。圖16是示出了在圖15的加工機器中使用的外形約束件的實例的示意圖。圖17是示出了形成為擴大部的錐齒輪的透視圖。參考標號I、2套筒保持器4、5支撐件6 保持件7 套筒保持器8 旋轉件9 凹槽10 絲杠11、12套筒保持器21、22套筒保持器23、24 支撐件25 襯圈26 驅動件30 電動機32 振動發生器33 超聲波發生器34 封閉板
35外形約束件H擴大部W工件X基準線
具體實施例方式在圖1中，工件W被圖示為由塑性材料制成的軸部件，更具體，由 金屬材料制成的 軸部件。通過對工件W施加等于或大于該工件的初始屈服強度的壓縮應力作為壓縮能并且 在與工件W的軸線相交的橫向上施加交替能來增加工件W的內能而實施本發明的擴大加工 方法，并且交替能在工件W的彈性限度內施加反復應力并且被抑制到使工件W變形的程度。 在圖1中，壓縮能由在工件W的軸向上從該工件W的兩端施加于該工件W的壓縮力表示。當在工件W的橫向上反復地施加交替能時，在工件的橫截面內生成反復應力。該 反復應力分解工件W的內能，從而產生分解能。當在工件中發生塑性流動時，消耗了部分分 解能。由于反復彎曲應力在工件W的軸中心處變為最大，而在工件W的外周上變為零，所 以從工件W的軸中心引發了塑性流動。因此，在維持將壓縮能和交替能施壓于工件W并且 該工件具有處于無約束狀態的目標擴大區域(相當于圖1所示的實例中工件W的整個軸向 區域的外周表面)的情況下，借助于目標擴大區域中的分解能，促進了從工件W的軸中心引 發的塑性流動，并且該目標擴大區域基于所謂的機械棘輪效應而逐漸變形并擴大。圖2的(A)和(B)示意地示出了第一實施例的執行擴大加工方法的加工機器。該 加工機器包括基準線X和一對套筒保持器1、2。這些套筒保持器1、2設置在基準線X上并 且沿著該基準線X彼此間隔開。套筒保持器1能夠繞著基準線X旋轉，并且還能夠在基準 線X上傾斜，即，關于傾斜中心0傾斜。此外，在圖2所示的加工機器中，能夠單獨調節套筒 保持器1相對于基準線X的傾斜角θ和傾斜中心0。在另一方面，套筒保持器2繞著基準線X被可旋轉地支撐，并且能夠沿著該基準線 X運動，即，能夠朝向和遠離套筒保持器1運動。此外，套筒保持器2可以受到指向套筒保 持器1給定壓力。分別具有套筒孔的套筒保持器1、2以及這些套筒孔可以在相應端部處容 納工件W的端部。容納在套筒孔中的工件W的兩端由支撐件4、5支撐，并且這些支撐件4、 5設置在相應的套筒保持器1、2中。因此，工件W以其軸線與基準線X —致的狀態而保持在 支撐件4、5之間。在該實施例的情況下，工件W是由金屬材料制成的實心軸部件。圖2的㈧示出了工件W被設定在套筒保持器1、2之間的初始狀態，S卩，在使工件 W擴大之前的狀態。以這種方式，當工件W處于初始狀態時，套筒保持器1、2沿著基準線X 以給定距離Ltl彼此間隔開。在這種情況下，工件W的目標擴大區域由該工件W從套筒保持 器1、2露出的外周表面所定義，并且處于無約束狀態。盡管套筒保持器1的傾斜中心0朝 著套筒保持器2的一側與套筒保持器1間隔了給定距離，但是傾斜中心0存在于工件W在 目標擴大區域內的軸線上。當從初始狀態開始對套筒保持器2施加壓力時，工件W在其軸向上受到壓縮能， 即，壓縮力。壓縮力在工件W中產生了等于或大于該工件的初始屈服強度的壓縮應力，從而 增加了工件W的內能。在使套筒保持器1開始繞著基準線X旋轉，同時該套筒保持器1開始以上述壓縮狀態傾斜時，工件W與套筒保持器1、2 —起繞其軸線旋轉，同時工件W與套筒 保持器1 一起從與傾斜中心O —致的彎曲中心彎曲。抑制工件W的傾斜角Θ，使得工件W 的彎曲變形落在其彈性限度的變形范圍內。工件W的 旋轉和彎曲動作引發了工件W在位于套筒保持器1內的那部分強制移 位。該強制移位在工件W的與其軸線(基準線X)以直角相交的橫截面中產生了交替能，更 具體地，每單位體積產生特定的交替剪切能。交替剪切能將反復的剪切應力添加到工件W 的橫截面中，并且該反復的剪切應力分解了由壓縮能所增加的工件W的內能的一部分。由 該分解而獲得的分解能通過在工件W內引發材料從軸中心塑性流動而被消耗。結果，在維持對工件W施加壓縮能和交替剪切能的情況下，借助于在工件W的目標 擴大區域內的分解能，即，工件W的處于無約束狀態下的那部中的分解能，促進了材料的塑 性流動。換句話說，基于機械棘輪效應在工件W的目標擴大區域中產生了擴大變形，并且如 圖2的(B)所示，目標擴大區域變形為徑向向外擴大，從而在工件W中形成了擴大部H。另一方面，隨著擴大變形逐漸進行，被持續施加到套筒保持器2的壓力，S卩，壓縮 能(壓縮力)使套筒保持器2朝著套筒保持器1移動。之后，當擴大部H發展成為具有期 望直徑的套圈并且套筒保持器1、2之間的空間從Ltl減小到L時，在使套筒保持器1的傾斜 角逐漸減小的同時使套筒保持器1恢復到停留在基準線X上，然后，停止套筒保持器1的旋 轉。之后，從套筒保持器1、2之間移除加工過的工件W。在擴大加工過程中，能夠控制工件W的彎曲，S卩，套筒保持器1的傾斜角θ或工件 W的彎曲中心0的位置。這些控制不僅僅可靠地抑制了工件W在其彈性限度內彎曲，而且能 夠有效使得反復剪切應力在工件W的橫截面內的大小和分布適當，從而使得能夠實現擴大 部H的穩定形成。工件W的擴大變形不僅僅在擴大部H中產生，而且在工件W位于套筒保持器1、2 內的那部分中也產生。因此，隨著工件W的擴大加工的進行，套筒保持器1、2緊緊地且牢固 地夾持工件W的兩端部分。因此，套筒保持器1、2不需要用于工件W的專用夾具。在圖3中，(A)示出了當將工件W的壓縮應力和傾斜角θ設定為給定值時執行工 件W的擴大加工的時候，工件W的擴大變形隨著工件W的轉數N增大而進行。在圖3的(A) 中，DnZDci表示擴大部H的擴大率。S卩，Dn和Dtl分別表示工件W的外徑和擴大部H的外徑。這里，Dn/D0能夠從圖3的(A)中所述的表達式獲得，該表達式中的符號表示如下 內容ε Q:平均軸向歪曲N0 旋轉時間常數NcT=Ntl的彎曲角依存系數oc:工件W的軸向壓縮應力θ 傾斜角α i 用于Ntl的傾斜角依存指數α 2 用于Ntl的壓應力依存指數另一方面，圖3的⑶示出了利用工件W的轉數作為參數，圖3的㈧被替換為旋 轉時間常數Ntl和擴大率DnZDci之間的關系的結果。圖3的(C)示出了利用傾斜壓縮應力
作為參數，工件W的傾斜角θ與旋轉時間常數Ntl之間的關系。圖3的(A)表示擴大率Dn/D0 隨著轉數N的增大而收斂于特定值，而圖3的(B)表示擴大率DnZDci隨著旋轉時間常數Ntl 的減小而增大。此外，從圖3的(C)可以清楚的看出，在旋轉時間常數Ntl保持恒定時，為了 獲得相同的擴大率，使壓縮應力0。增大而使傾斜角θ減小。因此，根據上述實施例，在使得工件W的壓縮應力等于或大于其初始屈服強度的 情況下，同時將傾斜角θ抑制為在工件W內產生在其彈性限度內的彎曲變形的這種程度 時，能夠在工件W中快速且有效地形成擴大部H。S卩，如從3的(C)清楚的示出的，在上述的 專利文獻1公開的傳統的擴大加工方法中，基于將工件W的壓縮應力作為基本載荷以及將 由于工件W的旋轉彎曲而被反復添加到工件W的拉力和壓縮應力作為逐次塑性變形的驅動 力，來進行工件W的擴大加工。與此相對，在本發明的擴大加工方法中，通過由于工件W的壓縮應力(壓縮能)而 增加累積在工件W中的內能，同時利用由工件W的旋轉彎曲而產生的交替剪切能作為誘因 來分解這樣增加的內能的一部分并且利用由分解獲得的分解能作為用于逐次塑性變形的 驅動力，來進行工件W的擴大加工。因此，根據本發明的擴大加工方法，與傳統方法相比，工件W所需要的傾斜角θ僅 僅是傳統方法的傾斜角的十分之一的數量級。這意味著能夠使工件W進行高速旋轉，并且 還能夠大大地減小擴大加工所需要的時間。圖4至圖7示意地示出了執行第二實施例的擴 大加工方法的加工機器的一部分。第二實施例的加工機器包括與上述套筒保持器1、2對應的保持件6和套筒保持器 7。如圖4所示，保持件6牢固地保持工件W的一端，并且在該實施例的情況下，工件W是中 空的軸部件。另一方面，如圖5和圖6所示，盡管套筒保持器7保持工件W的另一端，但是 工件W的該另一端可以相對于套筒保持器7旋轉。更具體地，盤狀旋轉件8接合于套筒保持器7，并且套筒保持器7可以相對于旋轉 件8的軸心偏心。具體地，套筒保持器7可滑動地配合在旋轉件8的凹槽9中，并且使其能 夠通過絲杠10而沿著該凹槽9運動。此外，使得旋轉件8能夠相對于該旋轉件8的軸線， 艮P，工件W的軸線傾斜。當將工件W保持在保持件6與套筒保持器7之間時，套筒保持器7被設置成與旋 轉件8偏心。在這種狀態下，工件W的兩個末端被保持件6和套筒保持器7保持。之后，在 使旋轉件8傾斜的同時，使得套筒保持器7相對于旋轉件8偏心達給定的偏心量Ε。因此， 如圖7所示，工件W的另一端從與旋轉件8同心的位置Po移動到偏心位置Pe。以上述方式 所描述的工件W的另一端的運動，如圖4的虛線所示，對位于旋轉件8側上的工件W的端部 We施加彎曲。如第一實施例那樣，能夠將工件W的在此發生的彎曲抑制在其彈性限度內。在這種狀態下，使旋轉件8旋轉，并且經由保持件6而施加到工件W的壓力產生了 等于或大于其初始屈服強度的壓縮應力。因此，端部We在擺動的同時旋轉。這種擺動旋轉 運動對工件W賦予了強制移位。這種強制移位根據套筒保持器7的偏心量E而反復地彎 曲工件W的端部We，并且在工件W的橫截面中產生了反復的剪切應力，S卩，交替剪切能。因 此，基于與上述第一實施例類似的結構，使工件W的目標擴大區域變形和擴大，從而在該目 標擴大區域中形成了擴大部。由于能夠調節套筒保持器7的偏心量E和旋轉件8的傾斜角，所以在第二實施例 的情況下，在擴大加工期間，也優選地控制擺動旋轉運動的擺動角以及擺動中心的位置。擺動角和擺動中心的控制不僅僅在防止對工件W施加過大的交替剪切能方面是有效的，而且 在使得交替剪切能的大小和分布適合于要形成的擴大部的尺寸方面也是有效的。圖8的(A)和(B)示意地示出了執行第三實施例的擴大加工方法的加工機器。該 第三實施例的加工機器也包括與第一實施例的套筒保持器1、2對應的套筒保持器11、12。 然而，由該套筒保持器 11、12保持的工件W不是軸部件，而是帶狀板件。更具體地，套筒保 持器11、12具有能夠容納工件W的端部的矩形孔。使套筒保持器11、12不能夠繞著基準線 X旋轉，而是僅僅使套筒保持器11能夠繞著基準線X作為中心交替地傾斜。套筒保持器11 的交替傾斜對工件W的端部賦予了搖擺振動。搖擺運動使工件W的端部We在與工件W的 較寬表面直角相交的方向上以往復方式傾斜，并且對該端部We賦予強制移位。因此，同樣，在第三實施例的情況下，端部We以端部We的變形被限制為落入其彈 性限度內的狀態而被反復地彎曲，從而，剪切應力，即，交替剪切能被反復地施加到工件W 的橫截面中。另一方面，在通過經由套筒保持器12而施加到工件W的壓力而將等于或大于 工件W的初始屈服強度的壓縮應力施加到工件W的情況下，基于與上述實施例類似的機械 棘輪效應，交替剪切能和壓縮應力(壓縮能)在位于套筒保持器11、12之間的工件W的目 標擴大區域中形成了擴大部H。在該第三實施例的情況下，由于套筒保持器11、12，即，工件 W不繞著其軸線旋轉，所以工件W的擴大部H形成為從該工件W的兩側凸起的肋。同樣在此實施例中，在擴大加工期間，控制套筒保持器11的交替傾斜的傾斜角和 傾斜中心位置，由此不會發生過大的交替剪切能施加于工件W的情況，從而使得交替剪切 能是合適的。圖9的(A)和(B)示意地示出了第四實施例的執行擴大加工方法的加工機器。該 第四實施例的加工機器包括與第一實施例的套筒保持器1、2對應的套筒保持器21、22。使 得套筒保持器21能夠繞著基準線X旋轉，而套筒保持器22不能這樣旋轉。更具體地，在本實施例的情況下，工件W是實心的軸部件，并且將工件W的兩端部 分插入到套筒保持器21、22中。支撐件23、24分別設置在套筒保持器21、22中，并且這些 支撐件23、24都具有階梯狀的圓筒形狀。工件W的兩端被支撐在支撐件23、24的內端處， 即，支撐件23、24的小直徑端處，從而，工件W被保持在支撐件23、24之間。此外，具有套筒 形狀的襯圈25設置在套筒保持器21內，并且該襯圈25協同套筒保持器21環繞支撐件23 和工件W的端部。支撐件23的外端，即，大直徑端連接于驅動件36，并且該驅動件36具有筒狀并且 設置在套筒保持器21的外側。驅動件26在與驅動保持器21相對的一側上具有外端面，并 且在該外端面的外周部分上形成有凸起27。該凸起27沿著基準線X伸出，并且從圖10顯 而易見的是，該凸起27形成為扇形。將該凸起27配合在曲柄連桿28的一個端部中，而該 曲柄連桿28的另一個端部連接于連接桿29的一端。連接桿29的另一端偏心地接合于具 有減速齒輪的電動機30的輸出軸30d。根據第四實施例的加工機器，當驅動電動機30時，電動機30的旋轉經由曲柄連桿 28和凸起27而傳遞到驅動件26，使得被轉換成往復擺動運動，由此，驅動件26使支撐件23 繞著基準線X為中心在給定的角度范圍內以往復的方式旋轉。此外，如圖11所示，在支撐 件23、24的內端面上形成有多個齒31，并且這些齒31以相等的間隔圓周地布置在相應的內 端面上。
當工件W被保持在支撐件23、24的內端之間，并且經由支撐件24對工件W施加壓 力時，支撐件23、24上的齒31咬合到工件W的相應端面中。因此，支撐件23、24與工件W 一體地連接。優選將工件W的兩個端面保持為與切削該工件W時得到的結果一樣粗糙。當 此發生時，齒31深深地咬合到工件W的端面中，從而支撐件23、24能夠將工件W保持在其 之間。如上所述，使得工件W在支撐件24中的端部不能旋轉，并且支撐件23、24與該工 件W —體地連接。此外，壓力在工件W中產生了等于或大于該工件的初始屈服強度的壓縮 力。在這種情況下，當對支撐件23施加往復擺動運動時，由于該往復擺動運動繞著工件W 的軸線對該工件W面向套筒保持器21的端部施加交替扭轉(圓弧)動作，所以工件W在其 彈性限度 內受到強制移位。更具體地，交替扭轉運動在橫向上對工件W施加交替剪切能，并且該交替剪切能 被傳播到工件W中。因此，反復剪切應力被施加到工件W位于套筒保持器21、22之間的目 標擴大區域的橫截面中。結果，與上述各實施例中的情況類似，基于機械棘輪效應使工件W 的目標擴大區域變形并擴大，從而在工件W中形成了類似圖9的(B)中所示的那種擴大部 H0同樣在該實施例中，在擴大加工期間控制工件W的扭轉角，使得不僅防止在工件W 中產生過大的交替剪切能，而且實現了合適的交替剪切能。在第一到第四實施例中的任何 一個中，通過對工件W的端部賦予強制移位而在工件W中產生每單位體積的交替剪切能。然 而，在本發明中，除了強迫地使工件W的端部移位之外，還可以通過對工件W的端部施加交 替沖擊扭矩作為交替剪切能而使工件W的目標擴大區域基于機械棘輪效應而變形和擴大。具體地，圖12示出了第五實施例的用于執行擴大加工方法的加工機器，并且該加 工機器對工件W施加交替沖擊扭矩。當與第四實施例的加工機器相比較時，第五實施例的 加工機器與第四實施例的加工機器的不同之處僅僅在于游隙，即，在驅動件26上的凸起27 與曲柄連接桿28之間確保間隙G。因此，當曲柄連接桿28以往復方式擺動時，該曲柄連接 桿28能夠經由凸起27對驅動件26，即工件W，施加交替沖擊扭矩。交替沖擊扭矩在工件W的橫截面中產生了交替扭轉剪切應力波(交替剪切能)。 這種扭轉剪切應力波在工件W內傳播，并且如上述實施例那樣，基于機械棘輪效應在工件W 的目標擴大區域中形成了擴大部。此外，圖13示出了第六實施例的用于執行擴大加工方法的加工機器。圖13的加 工機器包括振動發生器32并且該振動發生器32對工件W的橫截面施加彎曲或扭轉振動。 彎曲或扭轉振動也能夠在工件W中產生交替扭轉剪切應力波(交替剪切能)。結果，圖13 的加工機器也能夠如上述各實施例的情況那樣，基于機械棘輪效應而在工件W中形成擴大 部。另一方面，在工件W是中空管部件的情況下，也能夠采用第七實施例的擴大加工 方法。第七實施例的執行擴大加工方法的加工機器包括將工件W的一端封閉的封閉板34， 以及設置在工件W的另一端處的聲能發生源，更具體地，聲波發生器33。該聲波發生器33 將超聲波從工件W的另一端引入到該工件W中。這樣引入的超聲波是一種振動能，并且因 此，該超聲波在工件W的中空內部傳播，使得在工件W的橫截面中施加每單位體積特定的交 替剪切能。因此，如上述各實施例的情況那樣，圖14的加工機器也能夠基于機械棘輪效應而 在工件W中形成擴大部。當將諸如超聲波的聲能用于工件W的擴大加工時，在工件W內傳播的超聲波優選 不是駐波，在這種情況下，超聲波能夠以優良的效率對工件W的橫截面施加交替剪切能。此 夕卜，圖15示出了第八實施例的用于執行擴大加工方法的加工機器。當與第一至第六實施例 的加工機器相比較時，圖15的加工機器與它們的不同之處僅僅在于，該加工機器還包括外 形約束件35。具體地，外形約束件35是陰型成型模具，并且具有多邊形內齒形狀或者階梯形狀 的內表面結構。這樣構造的外形約束件35被設置成圍繞工件W的目標擴大區域。在這種 情況下，擴大部形成在外形約束件35內側的工件W中，并且擴大部的外形由外形約束件35 的內表面構造所確定。即，擴大部具有與外形約束件35的內表面構造一致的外形。因此， 擴大部形成為任意的最終形狀，諸如多邊形、齒輪狀或階梯狀的形狀，這避免了否則需要在 擴大部上進行后加工的必要性。當將該外形約束件35用作為陰型成型模具時，該成型模具受到諸如淬火的硬化 處理，以防止磨損或塑性變形。由于此，當在成型模具的內表面上存在拐角部分時，引起了 在工件W的擴大加工期間由于在拐角部分上的應力集中而在該成型模具中產生裂紋的憂 慮。為了防止這種憂慮的發生，在成型模具例如具有圖16所示的六角孔的內表面結構的情 況下，外形約束件35在其內表面上包括六個圓孔36和六個徑向狹隙37。每個徑向狹隙37 都具有在六角孔的相應拐角中開口的一端，以及連接于圓孔36的另一端。圓孔36和狹隙 37可靠地防止了由于應力集中而在外形約束件35中產生裂紋。當將形成錐齒輪的成型模具用作為外形約束件35時，圖17示出了利用該成型模 具，即錐齒輪，形成在工件W中的擴大部。此外，外形約束件35可以一體地連接于工件W的 擴大部。在這種情況下，外形約束件35與工件W之間的擴大部實現了作為一種壓力配合的 擴大配合。本發明并不局限于上述第一至第八實施例。例如，工件即不局限于軸部件，也不局 限于板件，而是可以具有各種形狀。此外，施加到工件的交替能也可以通過將第一至第七實 施例中公開的強制移位與振動或聲能相結合來獲得。此外，施加到工件的壓縮能還可以通過在徑向上推壓工件而獲得。具體地，在這種 情況下，例如，將中空管件用作為工件，并且陰型的成型模具，更具體地，用于形成齒條的成 型模具緊壓工件的外圓周表面的一部分。即，成型模具在工件的徑向上對該工件施加壓縮 能。在這種狀態下，在交替扭轉運動的情況下，即，對工件施加交替剪切能的情況下，工件的 擴大部在成型模具中成長，并且工件形成為齒條。此外，施加到工件W的傾斜運動、擺動運動或搖擺運動的中心不是必須位于目標 擴大區域中。例如，在圖2所示的實施例的情況下，工件W的傾斜中心0可以定位在一個套 筒保持器中。此外，工件W不是必須由金屬材料形成，而是可以由諸如燒結陶瓷的非金屬材 料形成。簡言之，可以使用任何材料，只要該材料能夠塑性變形即可。最后，對圖示的加工 機器當然可以做各種修改。
權利要求
1.一種用于使由塑性材料制成的工件的外表面發生塑性擴大變形的擴大加工方法，其 中，所述工件包括軸線以及在該工件的外表面上的無約束目標擴大區域，該方法包括保持工件，并且在施加使在工件中產生等于或大于初始屈服強度的縮壓應力以增加該工件的內能的 壓縮能同時，在與所述軸線相交的橫向上施加使所述工件在其彈性限度內變形的交替能， 其中在分解和消耗由所述壓縮能所增加的內能的一部分的同時，所述交替能使所述目標擴 大區域塑性變形并且擴大。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述壓縮能是在工件的軸向或者徑向中的一個 方向上壓縮所述工件的壓縮力。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，在所述工件的橫截面上，施加所述交替能，作為 每單位體積給定的交替剪切能。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述交替剪切能通過使所述工件在位于所述目 標擴大區域的一側上的端部在該工件的軸向上強制移位，而在該工件中產生反復剪切應 力。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述端部的強制移位是通過使所述工件繞其軸 線旋轉的旋轉以及具有彎曲中心的所述端部在所述軸線上的彎曲的結合所產生的。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，在使所述目標擴大區域變形并擴大的過程期間， 控制所述端部的彎曲角和所述彎曲中心，以防止過度施加所述交替剪切能。
7.根據權利要求4所述的方法，其中，所述端部的強制移位是通過該端部的擺動旋轉 運動而產生的，其中，該擺動旋轉運動具有在所述軸線上的中心。
8.根據權利要求4所述的方法，其中，所述端部的強制移位是通過該端部的搖擺運動 而產生的，其中，該搖擺運動具有在所述軸線上的中心。
9.根據權利要求4所述的方法，其中，所述端部的強制移位是通過所述端部以所述軸 線為中心的交替扭轉運動而產生的。
10.根據權利要求3所述的方法，其中，所述交替剪切能是通過對所述工件施加交替沖 擊扭矩而產生的。
11.根據權利要求3所述的方法，其中，所述交替剪切能是通過對所述工件施加彎曲或 扭轉振動而產生的。
12.根據權利要求2所述的方法，其中，當所述工件是中空管件時，所述交替能是通過 使所述工件的一端封閉而從所述工件的另一端引入到該工件中的聲能而產生的。
13.根據權利要求1所述的方法，其中，利用外形約束件來環繞所述目標擴大區域，并 且該外形約束件的內表面結構限定了通過擴大所述目標擴大區域而獲得的擴大部的外周結構。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述外形約束件使所述擴大部形成為錐齒輪。
15.根據權利要求13所述的方法，其中，所述外形約束件一體地連接于所述擴大部。
全文摘要
提供了一種工件擴大加工方法，通過該方法，能夠在諸如軸部件的工件的一部分上穩定地形成擴大部，并且能夠減小形成該擴大部所需要的驅動力。該工件擴大加工方法通過關于該工件(W)施加產生等于或大于初始屈服強度的壓縮應力的壓縮能以增加工件(W)的內能的壓縮能的同時，在其橫向上施加交替剪切能以將工件(W)的變形抑制在彈性限度內，從而通過交替剪切能分解增大的內能的一部分并且借助于由分解獲得的分解能使工件(W)的目標擴大區域變形并擴大，而在工件(W)上形成擴大部。
文檔編號F16H55/17GK102112251SQ200980130200
公開日2011年6月29日 申請日期2009年7月21日 優先權日2008年7月31日
發明者岡部永年, 山下英治 申請人:岡部永年, 高周波熱錬株式會社