CN103987473B - 使用圆板牙的齿轮的滚轧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供使用圆板牙的齿轮的滚轧方法。为了得到一种能够得到合适的形状的齿、且在加工中不产生移动的使用圆板牙的齿轮的滚轧方法，将具有圆筒状外表面的工件以绕圆筒状外表面的旋转轴心自由滚动自如的方式支承于支承部，并且，将绕与旋转轴心平行的轴心旋转的一对圆板牙隔着工件对置配置，将一对圆板牙一边利用驱动机构对相互的旋转速度以及压入量进行同步控制一边朝工件压入操作，以使得圆板牙与工件联动旋转的旋转方式从基于相互的按压力的摩擦轮方式变化为通过圆板牙的压入在工件形成齿槽而基于工件与圆板牙之间的卡合的齿轮方式之际的、用齿槽的齿根外周长度除以预定形成的齿数而得的长度等于圆板牙的齿顶圆节距的方式设定工件的外径。

Description

使用圆板牙的齿轮的滚轧方法

技术领域

本发明涉及使用圆板牙(circular dies)的齿轮的滚轧方法，具备：保持部，该保持部将具有圆筒状外表面的工件保持为绕该圆筒状外表面的轴心自由地滚动自如；一对圆板牙，这一对圆板牙夹着工件对置配置，且分别绕与轴心平行的轴心旋转；以及驱动机构，该驱动机构将一对圆板牙在对其旋转速度以及压入量进行同步控制的同时进行将其压入于工件的操作。

背景技术

本发明所涉及的滚轧齿轮在以汽车用部件等为首的很多工业产品中使用。例如，在汽车中，混合动力化或者电动化急速发展、其中，针对各种电动致动器，今后谋求耗电量少且体型小的部件。此外，这些致动器的构成部件谋求动力传递效率、制造效率好。

在致动器中使用很多齿轮。这些齿轮对致动器的功能/制造成本等有很大影响。一般地，作为高效地制造齿轮的方法，例如公知有相对于圆筒形的实心状工件按压圆板牙的滚轧方法。对于该方法，使具有所要求形成的齿轮的形状的一对圆板牙夹着工件对置配置，在对双方的圆板牙的旋转速度以及相对于工件的压入速度进行同步控制的同时将圆板牙按压于工件的表面，形成齿轮。

在使用板牙的滚轧方法中，存在使用直线状的齿条板牙的方法、和使用圆筒状的圆板牙的方法。其中，在使用齿条板牙的滚轧中，将一定长度的齿条板牙的端部附近的齿顶抵靠于工件，一边将板牙按压于工件一边使板牙进行进给操作从而使工件滚动。很多情况下，在开始与工件接触的滚轧初期所使用的区域和在滚轧结束的时期使用的区域，齿条板牙的齿高不同。因此，在使用齿条板牙的滚轧中，所形成的齿轮的形状受齿条板牙的长度影响。

另一方面，在圆板牙的情况下，在使圆板牙旋转的同时将其按压于工件。因此，圆板牙的任意部分的齿的形状都相同，圆板牙的结构简单。并且圆板牙的旋转方向也能够在滚轧中切换，应用于大型蜗杆、斜齿轮的滚轧成形。

以往，作为使用这样的圆板牙的齿轮的滚轧方法，例如存在下述公知文献所记载的方法。该技术提供能够在实现滚轧装置的简化的同时降低“移动”的斜齿轮/蜗杆以及丝杠(在齿线具有导程的机械元件)的滚轧装置。此处，移动是指在将圆板牙压入于工件之际工件沿着圆板牙的旋转轴心移动的现象。该现象在板牙的齿与在工件的表面先前形成的齿槽之间的相对位置不合适时产生。即，板牙的齿顶被偏于一方地按压于工件的齿槽的结果会导致二者像螺纹的前进/返回运动那样发挥作用从而产生移动。当产生移动时，工件的表面的本来不形成齿轮的区域也被滚轧，因此难以保持齿轮的质量。

在上述公知技术中，为了减轻移动的产生，在隔着工件对置配置的丝辊的外周部分别沿着周方向设置切入齿、成形齿以及精加工齿等，在各丝辊旋转一周的范围内在工件成型蜗杆。在各丝辊的外周部的轴向一端侧，设置伴随着蜗杆的成形时的工件的沿轴向的移动使成形齿或者退让齿追随于蜗杆的倒角部。由此，无需利用控制器对各板牙进行驱动控制就能够抑制因移动现象而导致的不良。

专利文献1：日本特开2010-075963 (第0052段)

但是，在上述现有的技术中，作为圆板牙的形状，需要在其周方向形成切入齿、成形齿以及精加工齿等。因此，圆板牙成为特殊部件而其制作耗费时间，并且制造成本也增大。并且，该圆板牙与齿条板牙同样相对于工件仅能够驱动旋转一周，因此所制作的齿轮的形状受到限制。这样，在上述现有的滚轧方法中，为了合理地对齿轮进行滚轧加工，尚存很多应当改进的点。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的课题，得到一种能够得到合适的形状的齿、且在加工中不会产生移动的使用圆板牙的齿轮的滚轧方法。

[第1技术手段]

在本发明的使用圆板牙的齿轮的滚轧方法中，将具有圆筒状外表面的工件以绕圆筒状外表面的旋转轴心自由滚动自如的方式支承于支承部，并且，将绕与旋转轴心平行的轴心旋转的一对圆板牙隔着工件对置配置。其次，将一对圆板牙一边利用驱动机构对相互的旋转速度以及压入量进行同步控制一边朝工件压入操作。以使得圆板牙与工件联动旋转的旋转方式从基于相互的按压力的摩擦轮方式变化为通过圆板牙的压入在工件形成齿槽而基于工件与圆板牙之间的卡合的齿轮方式之际的、用齿槽的齿根外周长度除以预定形成的齿数而得的长度等于圆板牙的齿顶圆节距的方式设定工件的外径。

[作用效果]

在使用圆板牙滚轧齿轮的情况下，工件的最初的表面形状是简单的圆筒面。因此，通过圆板牙的压入而开始相互抵接的圆板牙和工件以摩擦齿轮的方式开始连带旋转。当圆板牙的压入进一步进展时，在工件的表面逐渐形成齿槽。当圆板牙与工件可靠地啮合时，二者以齿轮方式旋转。虽然当像这样以上述两种方式被引导的工件的旋转速度产生差时会产生移动，但最初产生的移动也逐渐收敛。在移动收敛后的工程中，稳定的形成齿形。

在本发明中，在工件可靠地形成齿槽后的状态下，以使得用齿根的外周长度除以预定形成的齿数而得的长度成为圆板牙的齿顶圆节距的方式设定工件的初期外径。即、工件的外径是考虑工件的旋转方式从摩擦轮方式过渡至齿轮方式时在工件形成的齿槽的深度而决定的。在该情况下，在形成齿槽的时刻，在工件上齿的切割结束。若使用本方法，则圆板牙与工件以合适的相对位相旋转、在滚轧过程中不会产生移动，能够得到准确的齿轮。

[笫2技术手段]

在本发明的使用圆板牙的齿轮的滚轧方法中，可以将变化为齿轮方式之际的、圆板牙相对于工件的压入量0.1mm～0.3mm。

[作用效果]

为了将圆板牙以不滑动的方式压入工件，优选在工件的表面形成从周围约束圆板牙的齿顶的壁部。滚轧加工的工件通常是金属，具有规定的塑性变形能。即，当像本结构这样将圆板牙仅压入0.1mm～0.3mm时，圆板牙的齿顶的周围由这样的高度的壁部包围，在约束齿顶的方面发挥充分的阻力。若该压入量少，则存在随后圆板牙相对于工件滑动的顾虑，因此齿的切割不会结束。另一方，若将压入量设定得过大，则尽管在对齿顶的拘束的意义上来说是有利的，但由于工件的初期外径大，因此齿根的切割变得困难。并且，若工件外径大，则工件的母材中的对齿顶的形成作出贡献的体积多。因此，齿的形状不合适、或为了吸收剩余的母材体积而将圆板牙的齿根深度设定得较大等，需要进行其他的附加作业，有损于效率化。

[笫3技术手段]

在本发明的使用圆板牙的齿轮的滚轧方法中，优选在旋转方式从摩擦轮方式变化为齿轮方式为止的期间，间歇地进行一对圆板牙相对于工件的压入。

[作用效果]

通过像本结构这样，在旋转方式变化为齿轮方式为止的期间，断续的增加圆板牙的压入量，能够使圆板牙的齿顶以接近法线方向的角度抵接于工件的表面。因此，能够降低圆板牙的齿沿着旋转轴心方向、或者与旋转轴心方向成直角的方向对工件加压的外力分量、能够有效地抑制移动的产生。并且，通过在将圆板牙的齿顶压入工件的表面之际断续的进行圆板牙的压入量，能够使相对于各个齿槽的压入方式相等。即，通过在相对于全部的齿槽完成一定的压入之后对各齿槽施加下一个新的压入，在遍及整周形成均等的齿槽的同时切割结束。因此，随后的压入加工变得更加可靠、能够得到精度高的滚轧齿轮。

附图说明

图1是示出滚轧装置的构造的说明图。

图2是示出滚轧装置中的工件的支承构造的说明图。

图3是示出工件以及板牙的加工前的尺寸的图。

图4是示出工件以及板牙的加工后的尺寸的图。

图5是示出工件直径的计算方法的说明图。

图6是示出板牙的压入量与工件的旋转速度之间的关系的图。

图7是示出板牙的压入量与工件的轴向变位之间的关系的图。

图8是示出移动最小的板牙的压入量与工件的旋转速度之间的关系的图。

图9是示出相对于板牙的压入量而工件的轴向变位最小的例子的图。

图10是示出相对于工件表面的板牙齿顶的压入轨迹的图。

具体实施方式

(滚轧装置的概要)

以下，使用附图对本发明所涉及的使用圆板牙(以下仅称为“板牙”)的齿轮的滚轧方法进行说明。图1以及图2中示出在本实施方式中使用的滚轧装置的概要。一对板牙1例如由液压驱动部2朝工件3侧压入。上述板牙1的旋转例如由AC伺服马达4驱动。左右的板牙1的旋转速度以及压入量由图外的CNC装置同步控制。另一方面，工件3如图2所示由沿着旋转轴心X的两侧的支承部5支承。工件3通过板牙1的旋转被自由驱动(带动旋转)。支承工件3的一方的支承部51被固定于装置台6。支承工件3的另一方的支承部52相对于装置台6能够沿着旋转轴心X移动。该支承部52借助气压等沿旋转轴心X的方向按压工件3。由此，能够应对通过相对于工件3的板牙1的按压而产生的工件3的伸长。具备上述支承部51、52的装置台6能够沿着设置在装置基座7上的引导部件8沿着旋转轴心X的方向移动。由此构成为：即便在假设因相对于工件3的板牙1的按压而产生了移动的情况下，工件3也能够沿着旋转轴心X的方向移动。工件3的旋转速度能够利用相对于支承部5的一方侧设置于外周位置的旋转传感器9测定。并且，工件的移动能够利用与一方的支承部5配置在同一轴心上的距离传感器10测定。

(工件形状以及板牙形状)

为了得到预期的齿轮，需要使板牙1的诸元与工件3的诸元相匹配。工件3的外径决定成：使得用工件3的外周除以齿数而得的尺寸与所要形成的齿轮的齿顶圆节距相等。

图3示出齿顶圆直径da1的板牙1与外径dv的工件3接触瞬间的状态。二者的轴间距离为a0。此时，对于准确地切割工件3的外周的板牙齿顶圆直径da1，当设工件3的外径为dv、设板牙1的齿数为z1、设工件3的齿数为z2时，根据式(1)计算。

图4示出相对于工件3的板牙1的压入结束后的状态下的二者的节圆彼此相切的状态。如图4所示，板牙1的节圆直径为d1、完成后的齿轮的齿根直径为df2、二者啮合的状态下的板牙1与齿轮之间的轴间距离为a1。压入前的工件3与板牙1的中心间距离a0为

a0＝(dv+da1)/2。

另一方面，对于相对于工件3的板牙1的压入结束后的状态下的中心间距离a1，当设板牙的基圆为d1时，

a1＝(d1+d2)/2，并且

a1＝(da1+df2)/2。

其中，图4中的df2是斜齿轮的齿根圆直径。

在滚轧工程中，工件3和板牙1按照以下的方式运动。

在图3所示的压入最初的阶段，能够认为是将板牙齿顶圆和工件外周(齿根圆)分别作为滚圆的摩擦轮对的旋转运动。此处，当设板牙的旋转速度为ω1、设工件的旋转速度为ω2、设板牙的压入量为x、设板牙的齿顶圆直径为da1、设工件的外径为dv时、ω2用式(2)表示。

ω2＝ω1·da/(dv-2x)····· (2)

另一方面，在图4中，板牙1和工件3看作是齿轮对的啮合，因此，若设z1为板牙的齿数、z2为齿轮的齿数，则式(3)的关系成立。

2＝z1/z2·ω1····· (3)

在板牙1的压入的初期，直到在工件3的表面形成齿槽为止工件都作为摩擦轮运动。即、将能够用上述式(2)表示的工件的旋转方式称为摩擦轮方式。在该状态下不产生移动。

但是，当形成有齿槽、依次压入抵接的板牙1的齿顶嵌入齿槽时，工件3作为齿轮而与板牙联动旋转。即、成为能够用上述式(3)表示的工件的旋转方式，将此称为齿轮方式。当工件以齿轮方式旋转时，若板牙的齿顶并未顺利地切割工件表面则会产生移动。即，当工件的旋转成为齿轮方式时，若用式(2)和式(3)表示的工件的旋转速度存在差，则工件的运动成为螺纹的前进/返回那样的差动运动而产生移动。因此，为了使得不产生移动，需要在工件的旋转从摩擦轮方式变换成齿轮方式的瞬间进行准确的切割，并且需要使板牙相对于工件不滑动。

特别是关于准确的切割，需要使在工件3形成的齿槽的齿根圆外周除以工件齿数Z2而得的长度等于板牙1的齿顶圆节距。

另一方面，为了防止板牙1的滑动，需要使工件3的母材适当地包围板牙1的齿顶的周围。即，需要形成足够的深度的齿槽。通常、在滚轧中使用的工件的材料几乎都是钢材、铝等金属。若原材料是金属，则材料自身具有塑性变形能。因此，当板牙1的齿顶欲在工件3的表面滑动的情况下，需要将包围板牙1的齿顶的壁部的高度设定成合适的高度。

但是，在壁部的高度过高的情况下，工件3会有相应的多余的母材。在该情况下，会有损于成形后的齿轮的精度，或者产生需要修正板牙1的齿形以使得能够吸收多余的金属等附加工时。并且，与需要多余的母材相应地，材料的成品率变差。

以下，对更准确地决定工件3的外径的方法进行说明。

作为例子，表1中示出要形成的齿轮的形状，表2中示出板牙1的形状。

假设要形成的齿轮是齿数为2的斜齿轮。

板牙1设计成：在压入结束后的精加工状态下，板牙1的基圆与节圆相等。鉴于将板牙1安装于辊轧装置的制约条件等，板牙的齿数z1设定为85。板牙1的齿形是渐开线齿形。板牙1的各诸元以相对于工件3的板牙1的压入结束后的状态下的板牙1的节圆与板牙1的基圆一致为条件计算。因此，在相对于工件3使板牙1转位而进行加工的情况下，例如使表2中的转位系数的值变化。在该情况下，虽然板牙1的形状相同，但齿直角模数/齿直角压力角/螺旋角的值变化。

[表1]

要形成的齿轮的齿数	2
		齿直角模数(mm)	1.25
齿直角压力角(度)	17.5
		转位系数	1.1
螺旋角(度)	45L/H
		齿顶直径(mm)	7.8
齿根直径(mm)	3.5
		齿宽(mm)	32

[表2]

板牙的齿数	85
		齿直角模数(mm)	1.5
齿直角压力角(度)	37.4
		转位系数	0
螺旋角(度)	58R/H
		齿顶直径(mm)	242.7
齿根直径(mm)	238.4
		齿宽(mm)	31.2

[表3]

原材料直径(mm)	节距误差(mm)	齿线方向误差(mm)
			4.3	2.2	无法测定
4.8	1.41	46
			5.3	0.63	26
5.71	0	20
			5.91	0.63	27
6.0	0.86	89
			6.25	1.26	无法测定
6.5	2.04	无法测定

成形精度以齿线误差评价。虽然认为齿形误差、齿线斜率误差、齿厚等能够通过板牙1的齿面修正进行修整，但对于齿线误差，无法通过齿面修整等简单地修正。

如表3所示，上述计算出的原材料直径为5.71mm的部件齿线方向误差最小。另外，节距误差也最小。

下面进行在对上述的工件3进行滚轧加工的过程中产生的移动的评价。移动能够通过测定滚轧中的工件3的旋转速度的变化进行评价。即，在板牙1的压入理想地进行的情况下，只要板牙的旋转速度被控制为恒定，则在过渡至齿轮方式后工件的旋转速度也恒定。与此相对，在压入最初的摩擦方式的阶段，从在工件的表面完全未形成齿槽的状态开始到形成有一定程度的深度的齿槽为止的期间，工件的直径依次变小。因此，伴随着压入，工件的旋转速度变快。

并且，越是在工件的最初的直径从理想值偏离的情况下，则越无法合适地进行切割，因此，在板牙的齿可靠的啮入工件后产生较长的移动等，工件的速度变化表现得较大。

因此，以在上述滚轧加工中误差最少的外径5.71mm的工件3为中心，使用4.8mm以及6.25mm的工件测定旋转速度的变化。工件的旋转速度使用图2所示的旋转传感器9测定。该旋转传感器9具备在工件3侧设置的圆筒每旋转一周就产生规定的脉冲的狭缝，并利用光电式旋转传感器读取该旋转。

图6中示出结果。为了进行参考，图中一并记载利用式(1)以及式(2)计算出的工件旋转速度的变化。

如图6所示，可知：针对各工件，在压入量0mm附近、以及压入量0.9mm以上的部分，分别与利用式(2)以及式(3)计算出的旋转速度良好地一致。

并且，工件外径为5.71mm的情况下旋转速度变化小，成为与式(3)的计算结果一致的旋转速度。针对工件为4.8mm的情况，可知呈现如下的情况：在利用式(2)计算出的旋转速度附近上升，然后，与高转速侧相比平缓地接近利用式(3)计算出的值。并且，针对工件为6.25mm的情况，可知呈现如下的情况：与4.8mm的情况相反，在上升至利用式(2)计算出的旋转速度附近后，与低转速侧相比变化至式(3)的旋转速度。

图7是与图6同时计测出的、伴随着移动的支承部的轴心方向的位置变位数据。

对于该测定，如图2所示，在支承工件3的装置台的一方侧具备距离传感器10(激光变位计)，通过利用激光计测装置台的轴向的位置来进行。

对于移动的符号，在图2中，正表示朝右移动，负表示朝左移动。

关于工件4.8mm，确认朝里侧移动10mm以上。另外，由于超出距离传感器10的检测范围，因此在0.5mm以上数据饱和。

关于工件5.71mm，移动量小，为朝里侧1.7mm。

关于6.25mm可知：从压入量1mm到2.5mm，在朝里侧移动之后，朝近前侧移动。

此外，为了求出移动最小的工件直径，针对接近5.71mm的外径5.81mm、5.91mm、6.0mm的工件3重新对移动进行评价。

结果，工件外径进一步增大0.2mm的5.91mm的工件3呈现最好的结果。如图8所示，在5.91mm的工件3的情况下，关于旋转数的变化，直到形成齿槽的压入量即约0.1mm为止工件的旋转都与式(2)的值一致，随后降低至式(3)的旋转数。并且，如图9所示，在5.91mm的工件中，移动最小为1mm以下。

如上，在本实施方式的齿轮的滚轧方法中，根据板牙1的诸元决定要滚轧的齿轮的诸元，尤其是将工件3的直径设定得大规定量。在所使用的工件的材料例如为钢材等金属、所要形成的齿轮以及加工中使用的板牙的诸元为一般情况的情况下，能够判断工件的合适的外径追加长度如上所述为大约0.2mm。

另外，该深度会根据材料的塑性变形能、工件以及板牙的尺寸而变动。因此，能够判断，合适的追加长度为0.1～0.3mm。

另外，不限于金属，在使用热塑性的树脂等滚轧齿轮的情况下，也可以根据所使用的材料加长设定工件直径。

[其他的实施方式]

(压入速度的影响)

图10中示出固定工件3、从轴直角方向观察到的板牙齿顶的轨迹的示意图。通常，在除尽计算中设定成用工件的外周除以齿数而得的圆弧长度与板牙1的齿顶的圆节距相等。但是由于在工件旋转的同时板牙1压入，因此其轨迹成为阿基米德螺旋。因此，实际应当求出的螺旋的长度比圆弧基准的除尽计算的情况小。

并且，当相对于旋转速度而板牙的压入速度大时，在前面的齿大幅切入工件的状态下后面的齿抵靠于工件。因此，成为相对于工件的表面的板牙的齿顶的角度更加倾斜的状态。因此，板牙的齿顶与工件的表面抵接的位置变得不合适，成为产生移动的原因。

因此，在板牙1的压入时，在板牙与工件之间的旋转方式从摩擦轮方式变化为齿轮方式为止的期间，断续的进行相对于工件的一对板牙的压入。

结果，能够使板牙的齿顶以接近法线方向的角度与工件的表面抵接。因此，能够降低板牙的齿相对于工件例如沿着旋转轴心方向加压的外力分量等，能够有效地抑制移动的产生。

并且，通过在将板牙的齿顶压入于工件的表面之际间歇地进行板牙的压入量，能够使相对于各个齿槽的压入方式相等。即，在针对所有的齿槽实施规定的方式的压入之后，对各齿槽均等的施加新的压入，由此能够在遍及整周形成均等的齿槽的同时进行切割。因此，能够得到精度高的滚轧齿轮。

产业上的利用可能性

本发明的使用圆板牙的齿轮的滚轧装置以及滚轧方法除了能够应用于一般的螺栓、螺钉的制造之外，还能够引用于滚珠丝杠、蜗杆、变节距螺钉等多种工业产品的制造。

附图标记说明：

1：板牙；3：工件；5：支承部；6：装置台；7：装置基座；8：引导部件；X：旋转轴心。

Claims (3)

1.一种使用圆板牙的齿轮的滚轧方法，其特征在于，

将具有圆筒状外表面的工件以绕所述圆筒状外表面的旋转轴心自由滚动自如的方式支承于支承部，

将绕与所述旋转轴心平行的轴心旋转的一对圆板牙隔着所述工件对置配置，

将所述一对圆板牙一边利用驱动机构对相互的旋转速度以及压入量进行同步控制一边朝所述工件压入操作，

以使得所述圆板牙与所述工件联动旋转的旋转方式从基于相互的按压力的以所述圆板牙的齿顶圆和所述工件的外周分别作为滚圆而带动旋转的摩擦轮方式变化为通过所述圆板牙的压入在所述工件形成齿槽而基于所述工件与所述圆板牙之间的卡合的齿轮方式之际的、用已经形成的所述齿槽的齿根外周长度除以预定形成的齿数而得的长度等于所述圆板牙的齿顶圆节距的方式设定所述工件的外径。

2.根据权利要求1所述的使用圆板牙的齿轮的滚轧方法，其特征在于，

将变化为所述齿轮方式之际的、所述圆板牙相对于所述工件的压入量设定为0.1mm～0.3mm。

3.根据权利要求1或2所述的使用圆板牙的齿轮的滚轧方法，其特征在于，

在所述旋转方式从所述摩擦轮方式变化为所述齿轮方式为止的期间，间歇地进行所述一对圆板牙相对于所述工件的压入。