CN112958716A - 一种齿轮成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于齿轮塑性微成形技术领域，尤其涉及一种齿轮成形方法。齿轮成形方法包括如下步骤：模具制备，在第一模板上加工出凸模，并在第二模板上加工出凹模，凹模开设有供坯料设置的模压腔，凸模开设有第一轮齿阵列结构，模压腔的腔壁加工有第二轮齿阵列结构，凸模设置有两个，其中一凸模位于凹模的一侧且一端位于模压腔，而另一凸模位于凹模的另一侧且一端相对模压腔滑动设置，坯料位于两凸模之间；加热成形，通过施力机构驱动滑动设置的凸模朝坯料移动，以使坯料的两端分别抵接两凸模，并通过加热装置将坯料加热至预定温度，施力机构驱动对应的凸模移动并模压成形坯料。本发明通过施力机构模压成形坯料，进而得到所需的微齿轮。

Description

一种齿轮成形方法
技术领域
本发明属于齿轮塑性微成形技术领域，尤其涉及一种齿轮成形方法。
背景技术
目前，产品的微型化可以使独特的产品功能在微尺度的几何图形和特征中实现，并进一步减少产品的重量和体积，是促进产品使用的一种新兴趋势。体积微成形技术以其大批量、高效率、力学性能好等优点，得到了广泛地应用和发展。体积微成形作为一种新型加工工艺，在加工效率和加工性能等多方面展现出了巨大的潜力，可以满足微型零件与日俱增的需求量。
为了便于大量加工并减少成本，很多微齿轮都采用聚合物材料加工而成。与聚合物材料齿轮相比，金属齿轮在多方面更具优势：第一、热膨胀系数小，具有更好的热稳定性，可用于温度变化较大的环境中；第二、金属齿轮硬度和强度高，耐磨性好，抗变形性和高温表现好，能够适应各种复杂环境；第三、加工精度重复性更高等。
传统的微齿轮加工方法有机加工和粉末冶金，但其加工工序复杂，耗时长，不环保，零件力学性能较差，且精度难以保证，致使成本高昂。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种齿轮成形方法，旨在解决如何对金属坯料进行微加工以成形齿轮的问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种齿轮成形方法，用于将坯料制备成齿轮，所述齿轮成形方法包括如下步骤：
模具制备，在第一模板上加工出凸模，并在第二模板上加工出凹模，所述凹模开设有供所述坯料设置的模压腔，所述凸模开设有第一轮齿阵列结构，所述模压腔的腔壁加工有第二轮齿阵列结构，所述第一轮齿阵列结构和所述第二轮齿阵列结构适配，所述凸模设置有两个，其中一所述凸模位于所述凹模的一侧且一端位于所述模压腔，而另一所述凸模位于所述凹模的另一侧且一端相对所述模压腔滑动设置，所述坯料位于两所述凸模之间；
加热成形，通过施力机构驱动滑动设置的凸模朝所述坯料移动，以使所述坯料的两端分别抵接两所述凸模，并通过加热装置将所述坯料加热至预定温度，所述施力机构驱动对应的所述凸模移动并模压成形所述坯料，以将所述第二轮齿阵列结构复制至所述坯料。
在一个实施例中，所述模具制备包括如下步骤：
S11：通过线切割于所述第一模板上加工所述第一轮齿阵列结构，以将所述第一模板分割出板本体和所述凸模，所述第一轮齿阵列结构包括多个间隔布置的第一齿头，其中，至少有一所述第一齿头与所述板本体连接；
S12：通过固定丝将与所述板本体分离的所述第一齿头可拆卸地连接至所述板本体；
S13：通过线切割分离所述S11步骤中与所述板本体连接的各所述第一齿头。
在一个实施例中，所述S12步骤中，通过胶水将所述固定丝胶粘于对应的所述第一齿头和板本体之间，以可拆卸地固定所述第一齿头和所述板本体。
在一个实施例中，所述S11步骤中，对与所述板本体分离的第一齿头进行重复多次线切割。
在一个实施例中，所述S11步骤中，与所述板本体连接的各所述第一齿头相邻设置。
在一个实施例中，通过电火花加工工艺于所述第二模板上加工所述模压腔，再通过线切割加工所述第二轮齿阵列结构，所述第二轮齿阵列结构包括多个间隔布置的第二齿头。
在一个实施例中，所述加热装置包括脉冲电源，所述脉冲电源的两电极分别电性连接两所述凸模，两所述凸模以及所述坯料形成回路，所述凸模上涂覆有高阻抗层。
在一个实施例中，所述高阻抗层为氧化铝阻抗层。
在一个实施例中，所述凸模抵接所述坯料的端面呈凸面设置。
在一个实施例中，所述凹模沿背离所述施力机构的施力方向浮动预定距离，以使所述坯料填充所述模压腔。
本申请的有益效果在于：通过制备凹模和凸模，将坯料设置在模压腔内，再通过对坯料加热至预定温度，通过施力机构模压成形坯料，从而将第二轮齿阵列结构复制至坯料，进而得到所需的微齿轮。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的凸模的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的凹模的结构示意图；
图3是本申请的方法流程图。
其中，图中各附图标记：
10、第一模板；11、凸模；12、板本体；13、第一齿头；30、第一轮齿阵列结构；14、固定丝；131、第一号第一齿头；1312、第十二号第一齿头；151、进刀点；152、退刀点；20、第二模板；23、凹模；22、第二齿头；24、第二轮齿阵列结构；
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1及图2，本申请实施例提供了一种齿轮成形方法，用于将坯料制备成齿轮，其中，坯料为金属坯料，可选地，本实施例中T紫铜。T2紫铜具有良好的塑性成形能力，同时兼具优异的导电、导热、耐蚀和加工性能，在微机电***等领域有着越来越广泛地应用。所成形的齿轮为微小尺寸的齿轮，其模数为0.1～0.4mm，齿数为12或24齿。
齿轮成形方法包括如下步骤：
S1：模具制备，在第一模板10上加工出凸模11，并在第二模板20上加工出凹模23，可选地，本实施例中第一模板10的材料为YG8硬质合金，第二模板20的材料为D2淬火钢。凹模23开设有供坯料设置的模压腔，凸模11开设有第一轮齿阵列结构30，模压腔的腔壁加工有第二轮齿阵列结构24，第一轮齿阵列结构30和第二轮齿阵列结构24适配，凸模11设置有两个，其中一凸模11位于凹模23的一侧且一端位于模压腔，而另一凸模11位于凹模23的另一侧且一端相对模压腔滑动设置，坯料位于两凸模11之间。可选地，凹模23平铺设置，其中一凸模11位于凹模23的下方，而另一凸模11位于凹模23的上方，位于凹模23下方的凸模11固定设置，而位于凹模23上方的凸模11上下滑动设置。
S2：加热成形，通过施力机构驱动滑动设置的凸模11朝坯料移动，以使坯料的两端分别抵接两凸模11，通过加热装置将坯料加热至预定温度，可选地，坯料的加热温度范围为250～500摄氏度。施力机构驱动对应的凸模11移动并模压成形坯料，以将第二轮齿阵列结构24复制至坯料。本实施例中的施力机构为单向压缩设备，其最大成形力达到50kN，精度I级，位移分辨率8μm。
通过制备凹模23和凸模11，将坯料设置在模压腔内，再通过对坯料加热至预定温度，通过施力机构模压成形坯料，从而将第二轮齿阵列结构24复制至坯料，进而得到所需的微齿轮。
在一个实施例中，模具制备包括如下步骤：
S11：通过线切割于第一模板10上加工第一轮齿阵列结构30，以将第一模板10分割出板本体12和凸模11，第一轮齿阵列结构30包括多个间隔布置的第一齿头13，其中，至少有一个第一齿头13与板本体12连接；可选地，并根据所需要加工的第一齿头13的数量在第一模板10上设定进刀点151和退刀点152，本实施例中进刀点151和退刀点152位于同一位置。本实施例中第一齿头13的数量为十二个且依次编号。请参阅图1，将第一号第一齿头131和第十二号第一齿头1312各保留半齿，且均与板本体12保持连接，而对其它的第一齿头13进行线切割并均与板本体12完全分离。由于位于首尾的第一齿头13和第十二齿头均与板本体12保持连接，从而避免在凸模11的加工过程中产生重力矩，使凸模11发生偏移，影响凸模11的加工精度。
S12：通过固定丝14将与板本体12分离的第一齿头13可拆卸地连接至板本体12；可选地，在第二号第一齿头13至第十一号第一齿头13通过固定丝14而与板本体12保持连接，第二号第一齿头13至第十一号第一齿头13在穿丝固定过程中，通过在对应的第一齿头13的齿顶和相应的第一齿头13的齿根交错设置固定丝14，从而不但可以使固定力分布均匀，而且还可以提高穿丝固定的效率，最终避免凸模11的加工过程中产生重力矩，使凸模11发生偏移，影响凸模11的加工精度。可选地，固定丝14可以为线切割中的电极丝。
S13：通过线切割分离S11步骤中与板本体12连接的各第一齿头13。可选地，再通过线切割工艺而将第一号第一齿头131和第十二号第一齿头1312进行线切割，从而实现凸模11与板本体12的完全分离。
可选地，使用线切割加工凸模11时，在退刀点152位置的第一齿头13会出现齿廓不完整的缺陷，一般需要进行二次加工以消除该缺陷，但在二次加工过程中都需要对工作台进行更换，而工作台的更换会导致加工误差，不利于加工精度的控制。而通过“穿丝固定”的方法，在不更换工作台的情况下，可以对凸模11进行二次加工，有效地解决了对应的第一齿头13的齿廓不完整的缺陷以及避免更换工作台而造成的加工误差。
在一个实施例中，S12步骤中，通过胶水将固定丝14胶粘于对应的第一齿头13和板本体12之间，以可拆卸地固定第一齿头13和板本体12。可选地，电极丝作为固定和导电介质依次穿入第一齿头13和板本体12的加工间隙之中，并用胶水将电极丝和板本体12进行局部固定，滴胶时要避免胶水四溢造成慢走丝加工过程中的断丝现象，为了进一步避免此情况，在靠近第一号第一齿头131和第十二号第一齿头1312的位置穿入电极丝以隔绝胶水流通。
在一个实施例中，S11步骤中，对与板本体12分离的第一齿头13进行重复多次线切割。可选地，将第二号第一齿头13至第十一号第一齿头13进行9次修刀，以提高各第一齿头13的尺寸精度，降低表面粗糙度。
在一个实施例中，S11步骤中，与板本体12连接的各第一齿头13相邻设置，从而提高凸模11与板本体12的连接力。
在一个实施例中，通过电火花加工工艺于第二模板20上加工模压腔，再通过线切割加工第二轮齿阵列结构24，第二轮齿阵列结构24包括多个间隔布置的第二齿头22，且第一齿头13和第二齿头22适配。
在一个实施例中，加热装置包括脉冲电源，脉冲电源的两个电极分别电性连接两凸模11，两凸模11以及坯料形成回路，凸模11上涂覆有高阻抗层。通过高阻抗层从而提高凸模11的发热量，并通过热传导将热量传递至坯料，改善坯料的加工塑性。可以理解的是，通过脉冲电源辅助坯料模压成形，并使坯料通入电流，从而在坯料中产生电塑性效应，即通过焦耳热效应、磁场压缩效应、集肤效应和纯电塑性效应四种物理效应构成的一种复合效应，从而改善坯料的塑性，有利于模压成形。可选地，脉冲电流辅助微成形拥有一次锻压成型、材料利用率高、精度可控性高、容易批量生产等特点。
在一个实施例中，高阻抗层为氧化铝阻抗层，通过设置高阻抗层提高发热效率。
在一个实施例中，凸模11抵接坯料的端面呈凸面设置，从而可以将坯料向模压腔的四周挤压，有利于提高坯料的横向模压力，使坯料朝第二轮齿阵列结构24填充整个模压腔，以将第二轮齿阵列结构24复制至坯料。
在一个实施例中，凹模23沿背离施力机构的施力方向浮动预定距离，以使坯料填充模压腔。对坯料进行加热模压后，通过驱动凹模23上浮预定距离，使凹模23对坯料向上的静摩擦力转化为向下的动摩擦力，即有害摩擦转化为有利摩擦，且通过凹模23的移动，可以使被挤压变形的坯料进一步填充满模压腔的死角，进而提高齿轮成形的精度。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种齿轮成形方法，用于将坯料制备成齿轮，其特征在于，包括如下步骤：
模具制备，在第一模板上加工出凸模，并在第二模板上加工出凹模，所述凹模开设有供所述坯料设置的模压腔，所述凸模开设有第一轮齿阵列结构，所述模压腔的腔壁加工有第二轮齿阵列结构，所述第一轮齿阵列结构和所述第二轮齿阵列结构适配，所述凸模设置有两个，其中一所述凸模位于所述凹模的一侧且一端位于所述模压腔，而另一所述凸模位于所述凹模的另一侧且一端相对所述模压腔滑动设置，所述坯料位于两所述凸模之间；
加热成形，通过施力机构驱动滑动设置的凸模朝所述坯料移动，以使所述坯料的两端分别抵接两所述凸模，并通过加热装置将所述坯料加热至预定温度，所述施力机构驱动对应的所述凸模移动并模压成形所述坯料，以将所述第二轮齿阵列结构复制至所述坯料。
2.如权利要求1所述的齿轮成形方法，其特征在于：所述模具制备包括如下步骤：
S11：通过线切割于所述第一模板上加工所述第一轮齿阵列结构，以将所述第一模板分割出板本体和所述凸模，所述第一轮齿阵列结构包括多个间隔布置的第一齿头，其中，至少有一所述第一齿头与所述板本体连接；
S12：通过固定丝将与所述板本体分离的所述第一齿头可拆卸地连接至所述板本体；
S13：通过线切割分离所述S11步骤中与所述板本体连接的各所述第一齿头。
3.如权利要求2所述的齿轮成形方法，其特征在于：所述S12步骤中，通过胶水将所述固定丝胶粘于对应的所述第一齿头和板本体之间，以可拆卸地固定所述第一齿头和所述板本体。
4.如权利要求2所述的齿轮成形方法，其特征在于：所述S11步骤中，对与所述板本体分离的第一齿头进行重复多次线切割。
5.如权利要求2所述的齿轮成形方法，其特征在于：所述S11步骤中，与所述板本体连接的各所述第一齿头相邻设置。
6.如权利要求1所述的齿轮成形方法，其特征在于：通过电火花加工工艺于所述第二模板上加工所述模压腔，再通过线切割加工所述第二轮齿阵列结构，所述第二轮齿阵列结构包括多个间隔布置的第二齿头。
7.如权利要求1所述的齿轮成形方法，其特征在于：所述加热装置包括脉冲电源，所述脉冲电源的两电极分别电性连接两所述凸模，两所述凸模以及所述坯料形成回路，所述凸模上涂覆有高阻抗层。
8.如权利要求7所述的齿轮成形方法，其特征在于：所述高阻抗层为氧化铝阻抗层。
9.如权利要求1所述的齿轮成形方法，其特征在于：所述凸模抵接所述坯料的端面呈凸面设置。
10.如权利要求1所述的齿轮成形方法，其特征在于：所述凹模沿背离所述施力机构的施力方向浮动预定距离，以使所述坯料填充所述模压腔。
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