專利名稱：凈成形制品的方法以及用于凈成形制品的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過在模具設(shè)備中冷擠壓而凈成形制品如齒輪的方法。
背景技術(shù)：
冷擠壓用于形成在汽車變速器中使用的齒輪。通常，需要磷化處理以在成形齒輪中所使用的工件或坯料外表面上沉積磷酸鹽潤滑覆層，從而允許擠壓期間工件材料在所用模具之中適當?shù)囊苿?。磷化處理產(chǎn)生了在擠壓之后必須機加工的氧化層。機加工過程產(chǎn)生應(yīng)力集中，尤其在螺旋齒輪的齒根區(qū)域。如果變速器換檔策略需要在齒輪幾何形狀上施加重負載，那么這限制了將經(jīng)歷過磷化處理步驟的凈成形齒輪應(yīng)用于變速器中的能力。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種形成制品如齒輪的模具設(shè)備和方法，其消除了額外的處理驟(例如磷化處理和額外的機加工)，以允許形成具有足夠強度從而在重載期間保持完整性的凈成形制品，例如螺旋齒輪或其它類型的齒輪。該方法改善了工件材料的晶粒流動，并消除了引起與失效齒輪相關(guān)的應(yīng)力集中的額外機加工步驟。
提供的方法包括將工件定位于上模沖與下模沖之間，其中，上模沖和下模沖可操作地連接到上模和下模上。所述方法包括通過所述上模在所述上模沖上向下施加脈動壓力，以便擠壓所述工件，優(yōu)選地，在所述工件的外表面上反向擠壓齒輪齒?？赏ㄟ^改變施加到上模的液壓，例如通過調(diào)節(jié)閥，施加所述脈動壓力?？蛇x擇地，可通過驅(qū)動可操作地連接到所述上模的高頻單元，并向所述上模施加恒定液壓來施加所述脈動壓力。高頻單元振動以引起上模沖的脈動。
所述方法包括在所述模具之間注入流體以便以流體包圍所述工件。這可通過向環(huán)繞所述工件并部分地由所述模具形成的腔供應(yīng)加壓流體而實現(xiàn)。上模的脈動允許對所述腔中流體的持續(xù)補充。在擠壓期間，所述腔中的流體潤滑和冷卻了所述工件，以允許改善晶粒流動和表面幾何形狀。
所述方法還通過在所述施加脈動壓力步驟之前插入芯棒穿過所述工件的內(nèi)徑，然后通過向上移動所述芯棒擠壓所述工件的內(nèi)表面而提供所述工件的受擠壓內(nèi)表面，從而進一步形成所述制品。優(yōu)選地，受擠壓內(nèi)表面具有花鍵。優(yōu)選地，在外表面的擠壓之后進行內(nèi)表面的擠壓。在低于約220華氏度溫度執(zhí)行的擠壓被認為冷擠壓。通過注入流體步驟，可充分地冷卻工件、模沖和模具，使得擠壓在甚至更低的溫度約130至170華氏度執(zhí)行。所述方法的特征為沒有額外的機加工操作。因此，該制品為冷凈成形。與上模沖向下脈動壓力聯(lián)合施加的流體消除了在制品表面上形成磷酸鹽覆層及其相關(guān)二氧化物的需求。因此，消除了應(yīng)力集中，延長了制品壽命。
一種用于凈成形齒輪的設(shè)備，包括模座和其至少部分地由所述模座支撐的模具。所述模具可在所述模座中朝著所述工件移動。所述模座至少部分地形成其中接收所述工件的腔。模沖可操作地與所述模具相連，并可響應(yīng)于所述模具上的液壓而朝著所述腔軸向移動，以擠壓所述工件。所述模座至少部分地形成與所述腔流體連通的流體通道。當所述模沖擠壓所述工件時，所述工件至少部分地浸入流體中?？墒褂酶哳l單元，其可驅(qū)動以使所述模具作用在所述模沖上的壓力脈動?？蛇x擇地，可使用在加壓流體源與所述模具之間流體連通的調(diào)節(jié)器，其可操作以改變作用在所述模具上的壓力。
結(jié)合附圖，從下面對實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式的詳細描述，可容易地理解本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點，以及其它特征和優(yōu)點。


圖1為工件示意性透視圖；圖2為由圖1的工件形成的凈成形螺旋齒輪的示意性透視圖；圖3為用于形成圖2的螺旋齒輪的模具組件；以及圖4為描述形成圖2的螺旋齒輪的流程圖。
具體實施例方式
參考附圖，其中相同的附圖標記表示相同的部件，圖1示出了工件10，本文也稱為坯料。優(yōu)選地，工件10一般為具有內(nèi)徑12和外徑14的圓柱形鑄鋁合金或鋼坯料，其中內(nèi)徑12和外徑14具有各自的內(nèi)表面16和外表面18。如本文所述，工件10置于圖3的模具設(shè)備28之中，并經(jīng)歷圖4流程圖中所示方法包括的處理步驟，以形成圖2的螺旋齒輪10A。螺旋齒輪10A凈成形有在新形成的外表面18A上的擠壓出的螺旋齒輪齒24和在新形成的內(nèi)表面16A上的擠壓出的花鍵26。
參考圖3，模具設(shè)備28包括定位為與下模座32對齊的上模座30。上模座30在中心腔36中支撐上模34以使其可沿著中心軸38移動。上模座30還支撐上模沖40以使其可響應(yīng)于施加在上模34上的液壓而沿著中心軸38移動，下文會進一步描述。下模座32在另外的中心腔44中支撐下模42以使其可沿著中心軸38移動。下模42具有錐形凹槽狀的模腔結(jié)構(gòu)46，其在下模42的內(nèi)徑48的周圍徑向間隔開。模腔結(jié)構(gòu)46設(shè)計成使工件10的材料形成圖2中所示的螺旋齒輪齒24。應(yīng)當理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可利用其它模腔結(jié)構(gòu)形成其它形式的齒輪，或者通常通過冷成形或粉末金屬壓縮處理而形成的其它制品。下模座32還部分支撐了下模沖50，以使其可沿著中心軸38移動。下模沖50的大小定成使得下模沖的外圓周52與下模42的內(nèi)徑48相配合。下模沖50響應(yīng)于足夠的液壓而沿著中心軸38移動。
上模座30具有通過鏜孔、鉆孔或其它方式設(shè)置在其中的流體通道54和58。流體通道54和58與形成在上模座30和下模42之間的腔56相流體連通。
當通過將上模座30沿著中心軸30向上移動足夠的距離而打開模具設(shè)備28時，工件10可定位成使其支撐在下模沖50上，并對中在中心軸38上。然后，上模座30連同上模沖40和上模34可軸向地下降以固定工件10。一旦固定了工件10，芯棒60就向上穿過下模沖50的內(nèi)孔、工件10的內(nèi)徑和上模沖40的內(nèi)孔。圖3示出了這樣固定在上模沖40與下模沖50之間并具有從中穿過的芯棒60的工件10。
開始擠壓過程時，壓力源62的液壓施加到上模34以將上模沖40向下移動。施加在上模34上的有效壓力幅值會振蕩，使得當上模沖40向下移動時會軸向地脈動。具有兩個可選方案以實現(xiàn)上模沖40的脈動。第一，可在上模34與上模沖40之間設(shè)置高頻單元66，可電子地控制該高頻單元66以在其間振動。這樣，通過高頻單元66將由液壓源62施加在上模34上的恒定液壓，例如泵出流體，變成使上模40向下移動的脈動液壓?？蛇x擇地，取代高頻單元66，可電子地控制調(diào)節(jié)閥64以改變通過液壓源62施加到上模34上的壓力，從而以脈動的方式改變施加到上模沖34的壓力。在這種情形下，上模34與上模沖40直接接觸，其間未設(shè)有高頻單元66。
當脈動的上模沖40向下移動時，下模沖50通過上模34的力同時向下移動。并且，來自流體源68的潤滑液通過流體通道54注入腔56中，以便當工件10反向擠入下模42的模腔結(jié)構(gòu)46中時以流體浸潤工件10。另外的流體源70通過流體通道58注入流體以進一步浸潤工件10。優(yōu)選地，供應(yīng)足夠的流體以圍繞著工件10并潤滑下模42。上模沖40向上的脈動將上模沖40周期性地向上移動，以允許腔56與下模42的模腔結(jié)構(gòu)46之間的流體連通。這允許當工件10在模腔結(jié)構(gòu)46中被拉長時，可使額外的流體持續(xù)從腔56流進與工件10相接觸?？蛇x擇地，可在上模沖40的下表面處工件10的緊上方機加工或形成有徑向槽，以便一步利于流體從腔56流出以浸潤工件10。在擠壓期間，上模沖40的脈動頻率和腔56中提供的油壓可選擇和控制成保證工件有足夠的潤滑。反向擠壓拉長了工件的材料，通過冷加工使粒狀結(jié)構(gòu)定向，并且加強了工件10。流體通過在下模42和下模座32形成的排泄通道(未示出)或通過下模沖50排出，以允許通過來自通道54和58的低溫流體持續(xù)補充腔56。
當上模沖40和下模沖50下降預(yù)定量時，完成了在外表面18A上的凈成形的螺旋齒輪齒24，并且工件10通過模具32、42保持在下模42的底端附近。然后，芯棒60沿著中心軸38向上移動通過腔74和工件10的內(nèi)徑12。芯棒60外表上具有外花鍵形外周。因此，芯棒60的向上移動在內(nèi)表面16A上擠壓出匹配的內(nèi)花鍵26，如圖2中所示。
參考圖4，針對圖1-3中所示的結(jié)構(gòu)，描述形成制品(例如螺旋齒輪)的方法100的流程圖。除非本文有其它的說明，否則方法100的步驟無需以圖4中所示的順序執(zhí)行。方法100包括將工件10定位于上模沖40與下模沖50之間的步驟110。具體地，定位步驟110包括將工件10固定在上模沖40與下模沖50之間，使得工件10被支撐在上模座30和下模座32之中。其次，方法100包括將芯棒60插入通過工件10內(nèi)徑的步驟120。具體地，插入步驟120包括將芯棒60向上移動通過工件10的內(nèi)徑12。
方法100包括在上模沖40上向下施加脈動壓力，以在下模50之中反向擠壓工件10的步驟130。如上所述，可以各種可選的方式實現(xiàn)施加脈動壓力步驟130。一種方法包括向上模34施加恒定液壓，并驅(qū)動位于上模34與上模沖40之間的振動高頻單元66，以通過上模沖40向工件10傳遞脈動壓力?？蛇x擇地，可通過改變施加到上模34的液壓實現(xiàn)施加脈動壓力步驟130。這可通過設(shè)置調(diào)節(jié)器64達到，例如調(diào)節(jié)閥，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，當調(diào)節(jié)閥64與恒定壓力源62流體連通時，調(diào)節(jié)閥64傳遞往復(fù)振動的壓力水平以作用在上模34上。
方法100還包括在擠壓期間于上模34與下模42之間注入流體以浸潤工件10，以便潤滑和冷卻工件10與下模42的步驟140。通過流體通道54和58使腔56中蓄積的流體包圍工件10而完成注入流體步驟140。施加脈動壓力步驟130允許上模沖40以振動的方式升起，從而在工件10被擠入下模42中時允許額外的流體通向工件10。注入流體步驟140允許改進工件10的材料流動，消除在齒根區(qū)域的湍流(turbulence)，即，在圖2中形成的螺旋齒24之間外表面18A的內(nèi)徑處的湍流。這種湍流會產(chǎn)生應(yīng)力集中，通常必須以傳統(tǒng)的齒輪生產(chǎn)方式機加工掉。即使這樣，齒根區(qū)域仍可能具有應(yīng)力集中，從而增加了齒輪故障的可能性。因而步驟140允許了齒輪10A的凈成形，而消除了額外的機加工操作。注入流體步驟140還防止了在模具設(shè)備28中產(chǎn)生熱量蓄積，因而減少了模具損壞的可能性，延長了模具壽命。另外，在工件10表面提供的流體消除了通常于擠壓之前執(zhí)行的傳統(tǒng)磷化表面精整處理。磷化包括酸洗工件的外表面以沉積磷酸鹽覆層。方法100期間與工件10的恒定流體接觸通過施加脈動壓力步驟130和注入流體步驟140使得消除了對覆層的需求，并可省略磷化步驟。由于在擠壓之后無需另外的機加工步驟，所以施加脈動壓力步驟130和注入流體步驟140允許齒輪10A凈成形。
方法100包括向上移動芯棒60以正向擠壓內(nèi)花鍵齒26的步驟150。在步驟150期間，可繼續(xù)通過上模34施加脈動壓力，并在正向擠壓內(nèi)花鍵26期間，繼續(xù)注入流體以浸潤工件10的內(nèi)表面。
在步驟160中，從模具34、42彈出凈成形制品(例如，螺旋齒輪10A)。依賴于最終制品的復(fù)雜性，可能還需要在一個或多個模具設(shè)備中另外擠壓。如果有必要使制品中獲得適當?shù)牟牧狭鲃樱敲纯稍趯⑵渲糜诹硗獾哪＞咴O(shè)備之前退火并潤滑。另外的模具設(shè)備可布置成一列上，或布置在模具轉(zhuǎn)動傳遞沖床中。然后，可在另外的模具設(shè)備中，在制品上執(zhí)行步驟110、120、130、140、150(步驟150可選)，以進一步冷凈成形制品，直到獲得制品最終所需的結(jié)構(gòu)。除了下模42會具有稍微不同的模腔結(jié)構(gòu)以及芯棒會具有稍微不同成形的花鍵外，另外的模具設(shè)備與圖2的模具設(shè)備28相類似。
圖3的模具設(shè)備28和圖4的方法100通過改善金屬流動和表面微精整，提供了用于成形制品(例如，圖2的螺旋齒輪10A)的改進的凈成形冷擠壓處理，并使處理步驟的數(shù)量最小。
盡管已經(jīng)詳細描述了實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，但是本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員會認識到落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)實現(xiàn)本發(fā)明的各種可選設(shè)計和實施方式。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括將工件定位于上模沖與下模沖之間，其中，上模沖和下模沖可操作地連接到上模和下模上；通過所述上模在所述上模沖上向下施加脈動壓力，從而擠壓所述工件；以及在所述施加壓力步驟期間，在所述上模與下模之間注入流體，以將所述工件包圍在流體中，從而從所述工件形成制品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述向下施加脈動壓力引起所述工件的外表面的反向擠壓。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述向下施加脈動壓力之前，插入芯棒通過所述工件的內(nèi)徑；以及通過向上移動所述芯棒擠壓所述工件的內(nèi)表面，從而進一步形成所述制品。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述制品為齒輪；其中所述向下施加脈動壓力以擠壓所述工件包括在所述工件的外表面上擠壓出齒輪齒；以及其中擠壓所述工件的內(nèi)表面包括擠壓出花鍵。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述擠壓為冷擠壓。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述施加脈動壓力是通過改變施加到所述上模的液壓。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述施加脈動壓力包括驅(qū)動可操作地連接到所述上模的高頻單元，并向所述上模施加恒定液壓。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模具由模座支撐，并且其中所述在模具之間注入流體包括向環(huán)繞所述工件并且部分地由所述模座形成的腔供應(yīng)加壓流體。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述施加脈動壓力使得補充所述腔中的流體。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法的特征為沒有額外的機加工操作，使得所述制品凈成形。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述擠壓制品為螺旋齒輪。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法的特征為沒有在所述工件上沉積磷酸鹽潤滑覆層。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述上模沖、下模沖和所述上模在第一模具設(shè)備上，并且還包括從所述第一模具設(shè)備彈出所述制品；以及在不同的模具設(shè)備中于所述制品上重復(fù)所述定位、所述施加脈動壓力和所述注入流體，以進一步形成所述制品。
14.一種用于從工件凈成形齒輪的設(shè)備，該設(shè)備包括模座，其至少部分地形成其中可容納所述工件的腔；模具，其至少部分地由所述模座支撐，并可在所述模座中朝著所述工件移動；模沖，其可響應(yīng)于所述模具上的液壓而朝著所述腔移動，以擠壓所述工件；其中所述模座至少部分地形成與所述腔流體連通的流體通道，使得當所述模沖擠壓所述工件時，所述工件至少部分地浸沒在流體中。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，還包括高頻單元，其可驅(qū)動以使所述模具作用在所述模沖上的壓力脈動。
16.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，還包括調(diào)節(jié)器，其在加壓流體源與所述模具之間流體連通，并可操作以改變作用在所述模具上的壓力。
17.一種凈成形齒輪的方法，包括在工件上施加脈動壓力，以沿第一方向擠壓所述工件；以及沿第二相反的方向進一步擠壓所述工件；所述施加脈動壓力和進一步擠壓由此形成所述齒輪。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括在所述施加脈動壓力和所述進一步擠壓所述工件期間，將所述工件包圍在流體中。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述擠壓為冷擠壓。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述方法的特征為沒有在所述工件上沉積磷酸鹽潤滑覆層。
全文摘要
提供了一種形成制品如螺旋齒輪的方法和一種形成該制品的設(shè)備。所述方法包括向下施加脈動壓力以擠壓工件，并且當向下施加壓力時，注入流體以將所述工件包圍在流體中。該方法消除了擠壓通常所需的酸洗處理和磷酸鹽潤滑覆層，從而也消除了去除覆層所需的外部機加工步驟。因此能夠擠壓出冷凈成形制品。還提供了實現(xiàn)上述方法的設(shè)備。
文檔編號B21C25/00GK101053880SQ20071009679
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者Y·S·金 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司