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一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺，本发明的成形齿轮齿形外层为钢制材料层，可保证齿形部位具有较好的接触疲劳强度，齿轮内部使用密度较低的铝合金材料，可以实现齿轮整体重量降低，钢制材料层与中部铝合金材料结合面保留了锻造成形过程中金属流动形成的复杂空间结合面，有效保证了二者之间的结合强度。同时本发明成形工艺简单易于操作，其制坯过程和整体挤压过程工序简单，其他辅助工序对于设备要求较低，其整体的生产效率较高和生产成本较低。

Description

一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺
技术领域
本发明涉及金属冷精密锻造领域，具体涉及一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺。
背景技术
当前采用轻质化材料替代原有零部件材料是轻量化设计制造的主要措施之一，采用轻质材料替换钢材在很大程度上可以降低车辆、航空航天机械、装备机械的重量。铝合金具有比强度高、塑性好等优点，同时其密度仅为钢材的30%左右。截止目前，很多车身零部件已经采用铝合金或者其他轻质材料替换钢材以减轻车身重量。
齿轮是机械装置中的重要零部件，是传动机械中的的基础核心零部件之一。由于承受扭矩和载荷较大，齿轮一般使用钢材制造，由于钢材密度较大，因此，齿轮以及变速箱的重量也较大。对于承受载荷较小的齿轮，如正时齿轮，可以采用铝合金代替钢材来制造齿轮，但是考虑到齿面失效是齿轮主要失效形式，直接使用铝合金代替钢材制造齿轮往往无法满足齿轮接触疲劳强度。为达到齿轮轻量化的同时又较少的降低其强度，现提出使用两种金属来制造齿轮，参与啮合的轮齿部位使用钢材，轮齿以里的部分使用铝合金材料，制造双金属齿轮，同时满足齿轮轻量化和强度要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以实现齿轮轻量化设计制造目标的双金属齿轮冷精密塑性成形工艺，成形齿轮齿形外层为钢制材料层，可保证齿形部位具有较好的接触疲劳强度，齿轮内部使用密度较低的铝合金材料，可以实现齿轮整体重量降低，钢制材料层与中部铝合金材料结合面保留了锻造成形过程中金属流动形成的复杂空间结合面，有效保证了二者之间的结合强度。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺，包括以下步骤：
步骤一，下料：制备相匹配的钢环和铝合金棒，铝合金棒的高度高于钢环的高度；
步骤二，退火：对钢环和铝合金棒按照各自的材料属性进行退火及滚光处理，并对钢环的内表面和铝合金棒的外圆周面进行清洗；
步骤三，复合制坯：将铝合金棒***钢环的内侧，共同放入制坯凹模中，通过制坯上冲头和制坯下冲头进行双向挤压，将尺寸高度高于钢环的铝合金棒镦粗，使钢环内表面与铝合金棒外圆周面紧密接触，形成中间坯料；
步骤四，润滑：对中间坯料进行润滑处理；
步骤五，挤压成形：将润滑后的中间坯料放入用于齿轮成形的齿形凹模中，然后通过齿轮成形上冲头和齿轮成形下冲头的双向挤压，使中间坯料双向填充于齿形凹模的齿形部分，形成双金属齿形齿轮，成形后钢环内表面与铝合金棒外圆周面的结合面为类齿形面，且整体上呈现鼓形分布。
进一步的，铝合金棒镦粗完成后，铝合金棒和钢环端面平齐。
进一步的，所述钢环的厚度为双金属齿形齿轮齿高的70%-80%。
进一步的，所述钢环的外径比双金属齿形齿轮的齿根圆小0.4-0.6mm，且钢环的内径比铝合金棒的外径大0.3-0.5mm。
进一步的，所述制坯凹模的内部开设有用于放置铝合金棒和钢环的阶梯孔，该阶梯孔的上部孔径比钢环的外径大0.2-0.3mm，阶梯孔的下部孔径比钢环的内径大0.5-0.8mm。
进一步的，阶梯孔与所述的制坯上冲头和制坯下冲头之间均为间隙配合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明工艺成形的双金属齿轮，由于其心部材料变为密度较小的铝合金材料，因此其整体重量比钢制齿轮减小50%左右，实现了齿轮的轻量化制造；而参与啮合的轮齿部位使用钢材可以满足齿轮接触疲劳强度，由于塑性变形产生的加工硬化可以有效提高齿面的强度；
2、本发明工艺成形的双金属齿轮其齿形钢制部分与心部铝合金部件结合面紧密，结合面为类齿形面，且整体上呈现鼓形分布，结合面为坯料金属在凹模中流动自行产生的复杂空间曲面，可有效保证齿轮在受到一定的切向力和轴向力时两种金属不会剥离；
3、本发明成形工艺简单易于操作，其制坯过程和整体挤压过程工序简单，其他辅助工序对于设备要求较低，其整体的生产效率和生产成本较低。
附图说明
图1为采用本发明工艺所制备的双金属齿形齿轮的结构示意图；
图2为本发明精密成形制造工艺的工艺简图；
图3为成形后钢环的结构示意图；
图4为成形后铝合金棒的结构示意图；
图5为将钢环与铝合金棒放入制坯凹模后的挤压成形示意图；
图6为将中间坯料放入齿形凹模进行成形的状态示意图；
图中标记：1、钢环，100、钢环内表面，2、铝合金棒，200、铝合金棒外圆周面，3、制坯上冲头，4、制坯凹模，5、制坯下冲头，6、齿轮成形上冲头，7、齿形凹模，8、齿轮成形下冲头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明所述的双金属齿轮冷精密成形制造工艺步骤如下：（1）下料：钢环1由管料锯切制备，铝合金棒2由铝合金棒材锯切制备，铝合金棒比钢环高度高一定尺寸；（2）退火：对钢环1、铝合金棒2按照各自的材料属性进行退火及滚光处理，并对钢环1的内表面和铝合金棒2的外圆周面进行清洗处理；（3）钢环与铝合金棒复合制坯：将铝合金棒2***钢环1的内侧，共同放入制坯凹模4中，通过制坯上冲头3、制坯下冲头5双向挤压，将尺寸高度高于钢环的铝合金棒2镦粗，使其完全填充于钢环1的内部，使钢环1的内表面与铝合金棒2的外圆周面紧密接触，形成中间坯料，镦粗时所选用的挤压力F1较小；（4）润滑：将中间坯料进行润滑处理；（5）齿轮挤压成形：将润滑后的中间坯料放入用于齿轮成形的齿轮凹模7中，通过齿轮成形上冲头6、齿轮成形下冲头8双向挤压，使中间坯料双向填充于齿形凹模7的齿形部分，形成双金属齿形齿轮，其成形力F2比通常挤压钢制实心坯料时小23%左右, 如图3和图4所示，成形后钢环内表面100和铝合金棒外圆周面200即两种金属的结合面为类齿形面，且整体上呈现鼓形分布，结合面为坯料金属在凹模中流动自行产生的复杂空间曲面，可有效保证齿轮在受到一定的切向力和轴向力时两种金属不会剥离。
本实施例中，钢环厚度应为所制造双金属齿形齿轮齿高尺寸的75%左右，锯切的钢环1外径比双金属齿形齿轮的齿根圆小0.4-0.6mm，钢环1内径比铝合金棒料2外径大0.3-0.5mm，铝合金棒比钢环高度所高的尺寸能保证二者端面镦平后铝合金填充满钢环内孔，该尺寸可通过体积计算得出。
如图5所示，本发明中制坯凹模4的内孔为呈圆形台的阶梯孔，阶梯孔上部孔径大于钢环坯料外径0.2-0.3mm，阶梯孔下部孔径大于钢环坯料内孔径0.5-0.8mm，制坯上冲头3和制坯下冲头5与制坯凹模4内部开设的阶梯孔之间均为间隙配合，其配合间隙为0.4-0.6mm。
如图6所示，本发明所述成形工艺中齿轮挤压成形过程为：齿轮成形上冲头6、齿轮成形下冲头8双向挤压中间坯料，中间坯料中的铝合金和钢金属按照流动规律填充齿轮，成形后两种两金属结合面为类齿形面，且整体上呈现鼓形分布。接触面由原先的圆柱面变为空间曲面，其表面积增加，新产生的接触面其钢材金属与铝合金金属结合更为紧密，二者之间不存在杂质以金属氧化物。
本发明的成形齿轮齿形外层为钢制材料层，可保证齿形部位具有较好的接触疲劳强度，齿轮内部使用密度较低的铝合金材料，可以实现齿轮整体重量降低，钢制材料层与中部铝合金材料结合面保留了锻造成形过程中金属流动形成的复杂空间结合面，有效保证了二者之间的结合强度。同时本发明成形工艺简单易于操作，其制坯过程和整体挤压过程工序简单，其他辅助工序对于设备要求较低，其整体的生产效率较高和生产成本较低。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，下料：制备相匹配的钢环和铝合金棒，铝合金棒的高度高于钢环的高度；
步骤二，退火：对钢环和铝合金棒按照各自的材料属性进行退火及滚光处理，并对钢环的内表面和铝合金棒的外圆周面进行清洗；
步骤三，复合制坯：将铝合金棒***钢环的内侧，共同放入制坯凹模中，通过制坯上冲头和制坯下冲头进行双向挤压，将尺寸高度高于钢环的铝合金棒镦粗，使钢环内表面与铝合金棒外圆周面紧密接触，形成中间坯料；
步骤四，润滑：对中间坯料进行润滑处理；
步骤五，挤压成形：将润滑后的中间坯料放入用于齿轮成形的齿形凹模中，然后通过齿轮成形上冲头和齿轮成形下冲头的双向挤压，使中间坯料双向填充于齿形凹模的齿形部分，形成双金属齿形齿轮，成形后钢环内表面与铝合金棒外圆周面的结合面为类齿形面，且整体上呈现鼓形分布。
2.根据权利要求1所述的一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺，其特征在于，铝合金棒镦粗完成后，铝合金棒和钢环端面平齐。
3.根据权利要求2所述的一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺，其特征在于，所述钢环的厚度为双金属齿形齿轮齿高的70%-80%。
4.根据权利要求3所述的一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺，其特征在于，所述钢环的外径比双金属齿形齿轮的齿根圆小0.4-0.6mm，且钢环的内径比铝合金棒的外径大0.3-0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺，其特征在于，所述制坯凹模的内部开设有用于放置铝合金棒和钢环的阶梯孔，该阶梯孔的上部孔径比钢环的外径大0.2-0.3mm，阶梯孔的下部孔径比钢环的内径大0.5-0.8mm。
6.根据权利要求5所述的一种双金属齿轮冷精密成形制造工艺，其特征在于，阶梯孔与所述的制坯上冲头和制坯下冲头之间均为间隙配合。
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