CN105328091A - 一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热轧近净成形装置，用于大模数圆柱齿轮的近净成形制造。大模数圆柱齿轮热轧成形时，主电机输出动力，沿传动装置传至两驱动轴。传动装置中采用球笼式万向联轴器，使主、从动轴间的转速得以保持同步，从而消除轧制过程中轧辊与坯料间的速度波动。两个驱动轴分别带动轧辊与坯料沿反方向旋转。坯料由圆弧形中频电磁感应线圈加热，以降低材料的变形抗力。轧辊在轧制过程中由进给辊系控制其沿径向进给，坯料外圈连续局部塑性变形。进给辊系由伺服电机驱动，采用闭环控制回路以精确控制轧辊的进给行程。该齿轮热轧成形装置具有生产效率高，产品质量好，工艺稳定，模具寿命高，设备紧凑等优点。

Description

一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置

技术领域

本发明属于金属塑性成形工艺与装备技术领域，具体涉及一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置。

背景技术

圆柱齿轮是工业生产的关键基础零件之一，在机械、车辆、冶金、能源、航空航天等领域有非常广泛的应用。高性能圆柱齿轮，不仅要有较高的几何精度，还要求具有较高的内部微观组织性能，这就对其加工制造提出苛刻的要求。

目前圆柱齿轮的制造主要有两种方法。一种是机加工，一是锻造成形。相比于这两种生产工艺，热轧成形工艺具有生产效率高，材料利用率高，尺寸精度高，金属流线完整，劳动条件好，生产成本低，成形质量好，模具寿命高等优点，是一种先进的圆柱齿轮生产工艺。

发明内容

本发明提供了一种近净热轧成形装置，用于生产制造大模数圆柱齿轮。

本发明的技术方案是：大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置。

大模数圆柱齿轮热轧成形工艺原理如图1所示。两个驱动辊分别带动轧辊与坯料沿反方向旋转。坯料由圆弧形中频电磁感应线圈加热，以降低材料的变形抗力。轧辊在轧制过程中沿径向进给。

该装置包括传动装置、加热装置、轧机装置三部分。

传动装置用于将主电机1转速下降到轧辊转速，并将一个方向的旋转运动转换为两个相反方向的旋转运动。传动装置由主电机1、减速器2、球笼式万向联轴器3等组成。采用球笼式万向联轴器，使主、从动轴间的转速得以保持同步，从而消除轧制过程中轧辊与坯料的速度波动，使二者同步旋转，保持良好啮合状态。

加热装置采用中高频感应加热的方式，对圆坯料外层金属进行局部加热，满足工艺要求的同时，节约能耗，并提高了生产效率。坯料被加热到一定温度(950℃-1100℃)后，驱动轴带动齿形模具旋转。

轧机装置用于驱动轧辊8与坯料6的旋转及轧辊6的进给运动，实现齿轮的热轧成形。轧机装置由轧辊辊系、坯料辊系、进给辊系、压料装置、电磁感应装置、机架等几部分组成。

轧辊辊系用于安装轧辊8，并在轧制过程中驱动轧辊转动。轧辊端面由左、右挡板加紧，设计挡板外径略大于轧辊齿顶圆直径，起到防止坯料金属沿轴向流动的作用。轧辊轴向位置由轴向挡圈调整。轧辊轴旋转速度范围为8r/min～25r/min，坯料轴的旋转速度可由公式ω_坯料＝z₁ω_轧辊/z₂求得，其中，z₁为模具齿数，z₂为所制圆柱齿轮齿数。

坯料辊系用于安装坯料6，并在轧制过程中驱动坯料转动。为方便坯料装卸，采用气缸7驱动压紧装置对坯料进行轴向固定。压料装置为底部带有导轨的可滑动轴承座，轴承座与气缸相连，可实现快速装夹与拆卸。带有内锥孔的空心轴轴向固定于滑动轴承座内，空心轴同轴承配合，可在轴承座内自由转动。装夹坯料时，空心轴同坯料轴的外锥面相配合，既方便装配，又可保证坯料的轴向定位。

进给辊系用于驱动轧辊在轧制过程中沿径向进给。进给丝杆12同丝杆螺母11相连，将进给丝杆的转动转换为丝杆螺母的轴向运动，丝杆螺母带动轧辊辊系沿导轨运动。丝杆轴向移动速度范围为0.2mm/s～0.5mm/s，环形坯料厚度不变，外表面连续局部塑性变形，逐步形成齿形轮廓。进给辊系由伺服电机9驱动，采用闭环控制回路以控制轧辊的进给行程。进给丝杆采用滚珠丝杆，具有传动精度高、刚度高的优点。

机架4起平衡轧制力，安装坯料零部件的作用。辊系、电磁感应装置5、滑动导轨10等均安装于机架。

轧制时，首先根据目标零件形状设计轧辊与坯料尺寸，将二者装夹到位后对坯料进行感应加热。待坯料被加热到一定温度后，轧辊轴与坯料轴分别带动轧辊与坯料反向旋转，同时，进给辊系驱动丝杆旋转，带动轧辊沿径向向坯料靠近。坯料外圈连续局部塑性变形，逐步形成齿形轮廓。轧辊轴径向进给到位后，丝杠停止转动。轧辊轴、坯料轴保持旋转2周后，主电机方向旋转，带动两驱动轴同时反向运动，对坯料齿形进行精整，旋转两周后停止运动。进给轴向复位，气缸与底部带有导轨的可滑动轴承座相连，气缸拉出滑动轴承座，卸下成形件后重新装夹，进入下一工作循环。

本发明的优点在于：

1)提供了一种近净热轧成形装置，用于大模数圆柱齿轮的成形制造，具有后续加工少，节材的优点；

2)轧件晶粒尺寸细小均匀，且具有完整的金属流线及较高的力学性能；

3)使用圆弧形感应加热线圈对坯料进行局部加热，加热速度快，减少了高温时坯料与空气的接触时间，减少了氧化皮的生成，同时只对坯料进行表面加热，而内孔还处于常温状态，可以防止成形过程中出现内孔扩孔现象；

4)高温下多道次连续局部塑性变形，所需轧制力远低于模锻，使得模具寿命高，设备紧凑；

5)具有工艺稳定、噪音低、自动化程度高等优点。

附图说明

图1为大模数圆柱齿轮热轧成形工艺原理图。

图2为齿轮热轧成形装置结构示意图。

图3为齿轮热轧成形装置轧制对称面剖切图。

图中：1.主电机，2.减速器，3.球笼式万向联轴器，4.机架，5.电磁感应装置，6.坯料，7.气缸，8.轧辊，9.伺服电机,10.导轨，11.丝杆螺母，12.滚珠丝杠。

具体实施方式

本发明提供了一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置，用于大模数圆柱齿轮的近净成形制造。该装置主要包括主电机1，减速器2，球笼式万向联轴器3，机架4，电磁感应装置5，坯料6，气缸7，轧辊8，伺服电机9,导轨10，丝杆螺母11，滚珠丝杠12。

轧制时，首先根据目标零件形状设计轧辊8与坯料6尺寸。将二者装夹到位后对坯料进行加热，坯料由圆弧形中频电磁感应线圈5加热，以降低材料的变形抗力。待坯料被加热到一定温度后，主电机1输出动力，经减速器2、球笼式万向联轴器3，分别带动轧辊与坯料反向旋转。同时，进给辊系由伺服电机9驱动丝杆12旋转，带动轧辊沿导轨10径向靠近坯料。坯料外圈连续局部塑性变形，逐步形成齿形轮廓。轧辊轴径向进给到位后，丝杠停止转动。轧辊轴、坯料轴保持旋转2周后，主电机反向旋转，带动两驱动轴同时反向运动，对坯料齿形进行精整，旋转两周后停止运动。进给轴向复位，压紧气缸7拉出滑动轴承座，卸下成形件后重新装夹，进入下一工作循环。

其中所述轧辊8，其端面由左、右挡板加紧，设计挡板外径略大于轧辊齿顶圆直径，起到防止坯料金属沿轴向流动的作用。挡板与轧辊间采用螺栓连接，施加预应力以保证压紧度。轧辊轴向位置由轴向挡圈调整，通过对轴向挡圈进行修配，调整轧辊在轧辊轴中的轴向位置。同时，因轧件尺寸发生变化而导致轧辊尺寸变化时，也需更换轴向挡圈以调整轧辊的轴向位置。

所述电磁感应装置5，该装置具有在线加热，加热速度快，坯料心部强度高的优点。减少了高温时坯料与空气的接触时间，减少了氧化皮的生成，同时只对坯料进行表面加热，使内孔处于常温状态，可以防止成形过程中出现内孔扩孔现象。

所述球笼式万向联轴器3，其特点是使主、从动轴间的转速得以保持同步，从而消除轧制过程中轧辊与坯料的速度波动，使二者同步旋转，保持良好啮合状态。

所述导轨10、滚珠丝杠12，二者均有较高的刚度及传动精度，以保证成形件质量。同时进给电机采用伺服电机9，在导轨上安装有光栅，利用闭环控制回路以精确控制轧辊的进给行程。进给装置的安装要求较高，安装过程需进行消除传动间隙处理。

所述气缸7，用以对坯料进行轴向固定。气缸与底部带有导轨的可滑动轴承座相连，可实现坯料的快速装夹与拆卸。带有内锥孔的空心轴轴向固定于滑动轴承座内，空心轴同轴承配合，可在轴承座内自由转动。装夹坯料时，空心轴同坯料轴的外锥面相配合，既方便装配，又可保证坯料的轴向定位。

主电机1输出动力，减速器2降低转速，并将一个方向的旋转运动转换为两个相反方向的旋转运动。轧辊辊系用于安装轧辊8，并在轧制过程中驱动轧辊转动。轧辊端面由左、右挡板加紧，设计挡板外径略大于轧辊齿顶圆直径，起到防止坯料金属沿轴向流动的作用。轧辊轴向位置由轴向挡圈调整。

坯料辊系用于安装坯料6，并在轧制过程中驱动坯料转动。为方便坯料装卸，采用气缸7驱动压紧装置对坯料进行轴向固定。压料装置为底部带有导轨的可滑动轴承座，轴承座与气缸相连，可实现快速装夹与拆卸。带有内锥孔的空心轴轴向固定于滑动轴承座内，空心轴同轴承配合，可在轴承座内自由转动。

进给辊系用于驱动轧辊在轧制过程中沿径向进给。进给丝杆12同丝杆螺母11相连，将进给丝杆的转动转换为丝杆螺母的轴向运动，丝杆螺母带动轧辊辊系沿导轨运动。进给辊系由伺服电机9驱动，采用闭环控制回路以控制轧辊的进给行程。所述丝杆轴向移动速度范围为0.2mm/s～0.5mm/s，环形坯料厚度不变，外表面连续局部塑性变形，逐步形成齿形轮廓。

轧制时，首先根据目标零件形状设计轧辊与坯料尺寸，将二者装夹到位后，由电磁感应装置5对坯料进行感应加热。待坯料被加热到一定温度后，轧辊轴与坯料轴分别带动轧辊与坯料反向旋转，同时，进给辊系驱动丝杆旋转，带动轧辊沿滑动导轨10靠近坯料。坯料外圈连续局部塑性变形，逐步形成齿形轮廓。轧辊轴径向进给到位后，丝杠停止转动。

轧辊轴、坯料轴保持旋转2周后，主电机方向旋转，带动两驱动轴同时反向运动，对坯料齿形进行精整，旋转两周后停止运动。进给轴向复位，压紧气缸拉出滑动轴承座，卸下成形件后重新装夹，进入下一工作循环。

本发明的工作原理：

首先根据目标零件形状设计轧辊与坯料尺寸，将二者装夹至轧机。大模数圆柱齿轮热轧成形时，主电机1输出动力，沿传动装置传至两驱动轴。传动装置中采用球笼式万向联轴器3，使主、从动轴间的转速得以保持同步，从而消除轧制过程中轧辊与坯料间的速度波动。两个驱动轴分别带动轧辊8与坯料6沿反方向旋转。坯料6由圆弧形中频电磁感应线圈5加热，以降低材料的变形抗力。轧辊在轧制过程中由进给辊系控制其沿径向进给，坯料外圈连续局部塑性变形。进给辊系由伺服电机9驱动，采用闭环控制回路以精确控制轧辊的进给行程。

其中所述轧辊轴旋转速度范围为8r/min～25r/min，所述坯料轴的旋转速度可由公式ω_坯料＝z₁ω_轧辊/z₂求得，其中，z₁为模具齿数，z₂为所制圆柱齿轮齿数，ω_轧辊为轧辊轴的旋转速度。

所述坯料被加热到温度为950℃-1100℃后，所述驱动轴带动齿形模具旋转。

相比于现有的其它大模数齿轮成形工艺，该齿轮热轧成形装置具有生产效率高，产品质量好，工艺稳定，模具寿命高，设备紧凑等优点。

Claims (8)

1.一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置，其特征在于，所述装置包括机架、同步转动动力单元、及弧形加热单元，所述机架上并行架设坯料及轧辊，所述坯料及轧辊同时连接同步转动动力单元，所述弧形加热单元置于所述坯料相反于轧辊方向的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置，其特征在于，所述同步转动动力单元包括一球笼式万向联轴器、一减速器及一主电极，所述主电极、减速器及球笼式万向联轴器依次连接，所述球笼式万向联轴器连接坯料及轧辊。

3.根据权利要求2所述的一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置，其特征在于，所述坯料通过坯料驱动轴架设在支架的导轨上，所述轧辊通过轧辊驱动轴架设在支架的导轨上，所述轧辊驱动轴相反于坯料的一侧连接一伺服电机。所述轧辊轴旋转速度范围为8r/min～25r/min，所述坯料轴的旋转速度可由公式ω_坯料＝z₁ω_轧辊/z₂求得，其中，z₁为模具齿数，z₂为所制圆柱齿轮齿数，ω_轧辊为轧辊轴的旋转速度。

4.根据权利要求2所述的一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置，其特征在于，所述弧形加热单元为一电磁感应加热装置，所述电磁感应加热装置形状与所述坯料形状相配，所述电磁感应加热装置上均匀缠绕有电磁线圈。

5.根据权利要求4所述的一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置，其特征在于，所述电磁感应加热装置面向坯料的一侧面上任意一点到坯料的最近距离为5-10mm，所述坯料被加热到温度为950℃-1100℃后，所述驱动轴带动齿形模具旋转。

6.根据权利要求2所述的一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置，其特征在于，所述坯料相反于球笼式万向联轴器的一侧设置有气缸，所述气缸与底部带有导轨的可滑动轴承座相连，气缸活塞拉动压紧装置，松开环形坯料，取出制得圆柱齿轮。

7.根据权利要求3所述的一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置，其特征在于，所述伺服电机通过滚珠丝杠连接所述轧辊驱动轴，所述丝杆轴向移动速度范围为0.2mm/s～0.5mm/s，环形坯料厚度不变，外表面连续局部塑性变形，逐步形成齿形轮廓。

8.根据权利要求3所述的一种大模数圆柱齿轮近净热轧成形装置，其特征在于，所述导轨上设置有光栅，所述光栅连接闭环控制回路。