專利名稱：形成預(yù)成型件并從該預(yù)成型件形成部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及金屬成型，更具體地，涉及從扁材(flat stock)制造擠出成型預(yù)成型件，特別是通過冷擠出成型工藝或旋壓成型可以形成輪齒和凸輪斜面。
背景技術(shù)：
精確部件，如環(huán)形螺旋齒輪、其他齒輪形式，或單向離合器中的具有斜面的離合器環(huán)的冷擠出成型需要使用按緊密公差制造的預(yù)成型件或坯件。目前公認(rèn)的實踐涉及通過在高溫下在圓柱形心軸上將鋼坯(steel billet)拉延為近似圓柱形的形狀來制造初始工件，該工藝稱為心軸拉延(DOM， drawn over mandrel)。然后將這樣形成的工件橫向切割為縱向片段，再按緊密尺寸公差對這些片段進(jìn)行精加工。 該工藝成本高，需要高能量輸入，并會造成原材料的浪費(fèi)，因為制造尺寸上可接受的預(yù)成型件需要大量機(jī)械加工。 自動變速器中使用的那類單向離合器的離合器環(huán)的精確機(jī)械加工需要多個操作，包括從管件機(jī)械加工得到預(yù)成型件、用拉刀(broach tool)切割出凸角(lobes)、精加工并最終去毛剌。 拉刀(broach bar)是昂貴的，需要磺化拉削油(sulfona ted broaching oil)，需要頻繁的磨刃并且相對于其他機(jī)械加工或成型方法來說速度較慢。從碎片(chips)中去除油成本高并會造成整理工作方面的考慮，如碎片的存儲、運(yùn)輸和丟棄，以及與帶油表面相關(guān)的安全問題。拉削油非常昂貴并且在重復(fù)使用之前必須過濾以去除細(xì)微的金屬顆粒。
金屬成型領(lǐng)域中存在對一種制造成型的坯件和部件的方法的需要。這些坯件應(yīng)成型為近似于凈形(net shape)或完全為凈形，從而可使用能夠擠出成型螺旋齒輪或類似產(chǎn)品的制造廠通常配備的常規(guī)成型設(shè)備產(chǎn)生非常少的浪費(fèi)。 優(yōu)選地，該方法應(yīng)能夠消除在鋼供應(yīng)企業(yè)處進(jìn)行慣常處理(custom processing)的需要，且該預(yù)成型件或坯件可以在能夠進(jìn)行齒輪擠出成型的供應(yīng)企業(yè)中從平板或巻材(roll stock)制造。

發(fā)明內(nèi)容
—種用于形成部件的方法包括使工件形成為與軸線同心并包括沿該軸線延伸的
內(nèi)表面的中空預(yù)成型圓筒，在中空預(yù)成型圓筒內(nèi)放置具有外表面的心軸，使中空預(yù)成型圓
筒的內(nèi)表面和外表面旋壓成型以使中空預(yù)成型圓筒的內(nèi)表面符合心軸的至少部分外表面，
及將旋壓成型的圓筒相對于該軸線橫向地切割為片段，每個片段具有軸向長度。 從低成本的平板或巻材制造的預(yù)成型件或坯件消除了在鋼供應(yīng)企業(yè)處進(jìn)行慣常
處理的需要。 預(yù)成型件可由能夠執(zhí)行圓柱形產(chǎn)品的冷成型、旋壓成型、鍛壓成型(swaging)、落錘成型(hammer forming)的制造廠通常配備的常規(guī)成型設(shè)備制造。成型坯件近似為凈形或完全為凈形，產(chǎn)生很少的浪費(fèi)。與DOM工藝相比，制造商可以極大縮短從鋼供應(yīng)企業(yè)處獲
3得坯件的交付時間(lead time)。制造商可以控制用于凸輪成型(camforming)工藝的進(jìn)入的原材料的數(shù)量、庫存和質(zhì)量。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于形成部件的方法。該方法包括下述步驟(a)在形成有外表面的模上形成具有基本上與軸線同心的孔的工件；(b)使該工件形成為與該軸線同心并包括沿該軸線延伸的內(nèi)表面和外表面的中空預(yù)成型圓筒；(c)從中空預(yù)成型圓筒中去除該模并在中空預(yù)成型圓筒中放置具有外表面的心軸；(d)形成預(yù)成型圓筒的內(nèi)表面以使所述內(nèi)表面符合心軸的至少部分外表面及中空預(yù)成型圓筒的壁的厚度；及(e)將所形成的圓筒相對于該軸線橫向地切割為片段，每個片段具有軸向長度。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于形成預(yù)成型部件的方法。該方法包括下述步驟(a)使工件形成為包括沿軸線延伸的內(nèi)表面和外表面的中空預(yù)成型圓筒；(b)使用定位于中空預(yù)成型圓筒內(nèi)并具有圓柱形外表面的第一心軸使中空預(yù)成型圓筒旋壓成型，以使中空預(yù)成型圓筒的內(nèi)表面符合所述第一心軸的圓柱形外表面的至少部分且中空預(yù)成型圓筒的長度為期望的長度；(c)將旋壓成型的圓筒相對于所述長度橫向地切割為旋壓成型的片段，每個片段具有軸向長度；及(d)迫使具有外表面的第二心軸進(jìn)入片段并沿片段長度的至少一部分移動以使片段的內(nèi)表面符合第二心軸的至少部分外表面。在一個實施例中，步驟(b)還包括在中空預(yù)成型圓筒內(nèi)放置心軸，所述心軸的外表面上形成有螺旋輪齒、圓柱形表面、花鍵，和用于單向離合器的離合器環(huán)的凸輪斜面中的一個。 根據(jù)本發(fā)明的再一方面，通過制備包括內(nèi)表面的中空圓筒的工藝形成部件；在中空圓筒內(nèi)放置具有外表面的心軸；使圓筒的內(nèi)表面形成為符合心軸的至少部分外表面。
對完成的離合器環(huán)凸輪斜面(clutch race cam ramps)不需要機(jī)械加工。不需要潤滑流體，且工具成本低于拉削工具(broach tooling)的成本。 優(yōu)選實施例的適用范圍通過下面的詳細(xì)說明、本申請的權(quán)利要求書和附圖將變得明晰可見。應(yīng)理解，說明書和具體示例雖然表示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但僅用于說明目的。對所述實施例和示例的各種改變和修改將對于本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明晰可見。


圖1示出用于制造預(yù)成型圓筒的一系列工藝步驟的示意 圖2是圖1所示預(yù)成型件通過旋壓成型形成的輪廓的側(cè)視 圖3是從圖1所示的杯狀預(yù)成型件冷成型得到的圓筒的透視 圖4是從圖3所示圓筒切割得到的圓柱形坯件的透視圖； 圖5A至5D是示出使用模和心軸從平板冷成型得到環(huán)形齒輪和離合器環(huán)的工藝步驟的橫截面； 圖6是示出切割為片段之前的圖5A至5D所示環(huán)形齒輪和離合器環(huán)的橫截面； 圖7是單向離合器的外環(huán)的正視圖； 圖8是具有螺旋內(nèi)輪齒的環(huán)形齒輪的透視圖； 圖9是從預(yù)成型圓筒冷成型并切割得到并準(zhǔn)備成型為離合器環(huán)的一系列片段的透視圖；及 圖10是從預(yù)成型圓筒冷成型并切割得到并準(zhǔn)備成型為環(huán)形齒輪的一系列片段的透視圖。
具體實施例方式
結(jié)合附圖參考下面的說明，可以更容易地理解本發(fā)明。 現(xiàn)參考附圖，圖1示出工件10，該工件IO優(yōu)選地為板或碳鋼的板巻，并通過常規(guī)的冷鍛、熱鍛或拉延方法形成具有中孔11的拉長的杯形12。在使杯形的預(yù)成型件12退火以軟化材料從而使預(yù)成型件12較不脆并釋放內(nèi)部應(yīng)力之后，通過各種方法、包括通過旋壓成型操作加工杯形的預(yù)成型件12，以制造具有內(nèi)表面16、外表面18和由徑向法蘭22部分地封閉的端部20的凈形預(yù)成型件14。 圖2所示的旋壓成型過程使用具有外表面26的心軸24。凈形預(yù)成型件14套在心軸上并通過尾座28夾持法蘭22以在其端部20固定到心軸的端部。迫使圍繞軸線32互相成角度隔開的若干個滾子30與預(yù)成型件14的外表面接觸。每個滾子30圍繞各自的軸線34旋轉(zhuǎn)并沿軸32向左平移。 通過預(yù)成型件14和滾子30之間的接觸壓力及滾子在心軸24和預(yù)成型件上的運(yùn)動，使預(yù)成型件14的外表面18旋壓成型為圓筒40。預(yù)成型件14的內(nèi)表面16由于預(yù)成型件14和心軸24的外表面之間的接觸壓力而旋壓成型。當(dāng)滾子30和滾子進(jìn)給裝置(rollerfeed) 36作為一個單元沿軸線32移動并在角度上和徑向上相對于該軸線移動時，預(yù)成型件14的圓柱形壁的材料在軸向和徑向上相對于軸線32流動。 以此方式可以使預(yù)成型件14旋壓成型，以使其外表面和內(nèi)表面與如圖3所示的長圓筒40相同。如圖1、圖5A至5D和圖6所示，圓筒40的軸向端部可以形成有孔11、52。
或者，預(yù)成型件14的外表面18可以不是均勻的圓柱形，而是使圓筒41形成有外部特征(exterior features)，如由于當(dāng)滾子30既在軸向上圍繞軸線32移動又在徑向上相對于軸線32移動、如圖2所示在軸線32上方移動時，預(yù)成型件的圓柱形壁的材料在軸向上和徑向上相對于軸線32流動，該圓筒41的壁厚可以變化。 類似地，心軸24的外表面26可以不同于圓柱形。例如，心軸24的外表面26可以形成有沿心軸的至少部分長度延伸的螺旋輪齒，或心軸24的外表面可以形成有用于單向離合器的外環(huán)的凸輪斜面(cam ramps)，這些凸輪斜面圍繞軸線32設(shè)置并沿心軸的至少部分長度延伸。在這些情況下，預(yù)成型圓筒14的內(nèi)表面16將旋壓成型為具有螺旋輪齒或者凸輪斜面。 如圖4所示，然后通過多種技術(shù)中的任何技術(shù)、包括激光切割，將旋壓成型的圓筒40、41相對于軸線32橫向切割為多個環(huán)形片段或坯件42。優(yōu)選地，通過從噴嘴44在軸向上隔開的位置處引導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)的圓筒上的高壓水集中噴射、優(yōu)選地水中包含石榴石金剛砂(garnet)，將圓筒40、41切割為片段15、42。然后，對片段42進(jìn)行精加工(finishmachined)、熱處理并上涂層。 參考圖5A至5D描述稱為模內(nèi)成型(in-die forming)的用于形成預(yù)成型圓筒的替代工藝。沖壓具有中心導(dǎo)孔52且優(yōu)選地由超低碳鋼制成的圓板或片50，使中心導(dǎo)孔具有約2. 54厘米(=1. 0英寸)的直徑。板50具有上表面54和下表面56。如果板50由高碳鋼制成，則在執(zhí)行漸進(jìn)成型階段之前使其退火。 板50放置在以軸線32為中心的實心模58上。模58包括具有內(nèi)半徑64的肩部62和具有外表面68的主體66。液壓機(jī)(未示出)迫使與板50的上表面54接觸的拉延環(huán)
570在多個漸進(jìn)的階段中向下移動以使該板符合肩部62的表面、半徑64及表面68。
如圖5C所示，當(dāng)拉延環(huán)70沿軸線32向下移動時，孔52的直徑增加，以期望的長度形成徑向法蘭22，且由于迫使拉延環(huán)70在預(yù)成型板上移動時模和板之間的接觸壓力，迫使預(yù)成型板50符合模58的外表面68的形狀。 當(dāng)板50成型為圖2中的軸線32下方示出的預(yù)成型圓筒14的形狀時，將模58從預(yù)成型圓筒中移除并由心軸24替代該模。使用尾座28以將法蘭22夾持到心軸24的軸向端部。然后迫使?jié)L子30與預(yù)成型件14的外表面18接觸。每個滾子30圍繞各自的軸線34旋轉(zhuǎn)并沿軸線32平移。 預(yù)成型件14的外表面由預(yù)成型圓筒14和滾子30之間的接觸壓力及滾子在心軸24和預(yù)成型件上的移動旋壓成型。預(yù)成型圓筒14的內(nèi)表面由于迫使預(yù)成型件與心軸24的外表面26接觸的接觸壓力而旋壓成型。當(dāng)滾子30在軸向上沿軸線32移動、在周向上圍繞該軸線移動，并在徑向上相對于該軸線移動時，預(yù)成型件14的圓柱形壁的材料在軸向上和徑向上相對于軸線32流動。 優(yōu)選地，心軸24的外表面26形成為具有圓筒71、螺旋輪齒72 (如在自動變速器的行星齒輪組中的環(huán)形齒輪的內(nèi)表面上形成的螺旋輪齒)，或凸輪斜面73(如在單向離合器的離合器環(huán)的內(nèi)表面上形成的凸輪斜面)。在執(zhí)行旋壓成型步驟時，預(yù)成型件14成為圓筒40、41的形狀且預(yù)成型件14的內(nèi)表面符合心軸24的外表面26上的形狀。以此方式，可以在心軸24的外表面26上旋壓成型出螺旋輪齒72、凸輪斜面73或圓筒71。
在執(zhí)行旋壓成型步驟之后，旋壓成型的圓筒40、41將具有圖6所示的形狀。對內(nèi)表面16進(jìn)行滲碳和感應(yīng)加熱。接下來，將圓筒40、41的外表面磨削為其最終形狀。
然后，如參考圖3和圖4所述使用激光切割方法或高壓水集中噴射將旋壓成型的圓筒40、41相對于軸線32橫向切割為多個片段或環(huán)形坯件76。取決于心軸24的外表面26的形狀，片段76將具有直圓柱環(huán)78、環(huán)形齒輪80或單向離合器的離合器環(huán)82的形狀。
圖7示出單向離合器的離合器環(huán)82，該離合器環(huán)具有在離合器環(huán)的內(nèi)表面上形成的凸輪斜面74。離合器環(huán)82的凸輪斜面74在使用過程中由接合元件接合，如由滾子、楔塊(sprag)或球接合，以在離合器的內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間產(chǎn)生傳動連接。 圖8示出具有螺旋內(nèi)輪齒84的用于自動變速器的行星齒輪組的環(huán)形齒輪80，該螺旋內(nèi)輪齒84是通過在模具(die tooling)中在預(yù)成型圓筒40、41的內(nèi)表面上擠出成型產(chǎn)生輪齒凈形而冷成型得到的。 參考圖9描述用于在模具中通過擠出成型產(chǎn)生凸輪斜面凈形以冷成型得到離合器環(huán)90的替代方法。如參考圖1至圖4或圖5A至5D和圖6所述，使預(yù)成型圓筒40、41旋壓成型并切割為具有圓柱形內(nèi)表面16和外表面18的片段42。優(yōu)選地，預(yù)成型圓筒40、41的長度足以產(chǎn)生約十個片段42，并從每個片段42形成離合器環(huán)90。 對每個圓柱形片段42進(jìn)行球化退火并用標(biāo)準(zhǔn)的磷酸鹽/潤滑皂涂層(phosphate/so即coating)涂覆，這些處理是金屬成型操作中的常規(guī)處理。 如圖9所示，片段42靠住精確磨削成型心軸94放置在擠出成型模具(extrusiontooling)上，該心軸94的外表面上形成有將在離合器環(huán)90的內(nèi)表面上形成的凸輪斜面74的互補(bǔ)形狀(negative)。標(biāo)準(zhǔn)的液壓機(jī)設(shè)備用于迫使心軸94沿軸線96進(jìn)入并穿過圓柱形片段42以在片段42的內(nèi)表面16上形成凸輪斜面74。
6
在片段42的內(nèi)表面16上形成凸輪斜面74之后，在緊密公差之內(nèi)磨削片段的外表 面18且內(nèi)表面16具有圍繞軸線96成角度設(shè)置并形成近凈形(near net shape)的一系列 凸輪斜面74。然后，對離合器環(huán)90進(jìn)行精加工、熱處理并上涂層。 參考圖10描述用于通過在模具中擠出成型產(chǎn)生輪齒凈形以冷成型得到環(huán)形齒輪
100的替代方法。首先，參考圖1至圖4或圖5A至5D和圖6所述，使圖3所示的預(yù)成型圓
筒40、41成型并切割為具有圓柱形內(nèi)表面16和外表面18的片段42。優(yōu)選地，預(yù)成型圓筒
40、41的長度足以產(chǎn)生約十個片段42，并從每個片段42形成環(huán)形齒輪100。 對每個圓柱形片段42進(jìn)行球化退火并用標(biāo)準(zhǔn)的磷酸鹽/潤滑皂涂層涂覆，這些處
理是金屬成型操作中的常規(guī)處理。 如圖10所示，片段42靠住精確磨削成型的心軸104放置在擠出成型模具中，該 心軸104的外表面上形成有將在環(huán)形齒輪100的內(nèi)表面上形成的螺旋輪齒84的互補(bǔ)形狀 106。標(biāo)準(zhǔn)的液壓機(jī)設(shè)備可用于迫使心軸104沿軸線96進(jìn)入并穿過圓柱形片段42以在片 段42的內(nèi)表面16上形成輪齒84。 在片段42的內(nèi)表面上形成輪齒84之后，在緊密公差之內(nèi)磨削片段42的外表面18 且內(nèi)表面16具有圍繞中心軸線96成角度設(shè)置并形成近凈形的輪齒。然后，對環(huán)形齒輪IOO 進(jìn)行精加工、熱處理并上涂層。 根據(jù)專利法律的規(guī)定，已描述了優(yōu)選實施例。然而，應(yīng)注意，可以實施與具體示出 和描述的實施例不同的替代實施例。
權(quán)利要求
一種用于形成部件的方法，所述方法包括下述步驟(a)使工件形成為與軸線同心并包括沿所述軸線延伸的內(nèi)表面和外表面的中空預(yù)成型圓筒；(b)在中空預(yù)成型圓筒內(nèi)放置具有外表面的心軸；及(c)使中空預(yù)成型圓筒的內(nèi)表面和外表面旋壓成型，以使中空預(yù)成型圓筒的內(nèi)表面符合心軸的至少部分外表面。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括在工件形成為中空預(yù)成型圓筒之前，沖壓工件以在工件上形成貫穿板的厚度并以所述軸線為中心的孔；使中空預(yù)成型圓筒冷成型為具有法蘭，所述法蘭相對于所述軸線在徑向上延伸、位于 中空預(yù)成型圓筒的軸向端部并圍繞所述孔； 將尾座插入所述孔；及通過迫使尾座靠著法蘭和迫使心軸與法蘭接觸將中空預(yù)成型圓筒固定在心軸上。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述步驟(a)還包括通過模使中空預(yù)成型圓 筒冷成型為具有相對于所述軸線在軸向上延伸的法蘭的步驟；且所述方法還包括迫使心軸與所述法蘭接觸以將中空預(yù)成型圓筒固定在心軸上。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)還包括下述步驟 在中空預(yù)成型圓筒內(nèi)放置心軸，所述心軸的外表面上形成有螺旋輪齒、圓柱形表面、花鍵，和用于單向離合器的離合器環(huán)的凸輪斜面中的一個。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)還包括下述步驟 在中空預(yù)成型圓筒內(nèi)放置心軸，所述心軸的外表面上形成有圍繞所述軸線設(shè)置并沿心軸的至少部分長度延伸的螺旋輪齒。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)還包括下述步驟 在中空預(yù)成型圓筒內(nèi)放置心軸，所述心軸的外表面上形成有圍繞所述軸線設(shè)置并沿心軸的至少部分長度延伸的多個凸輪斜面。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括下述步驟將旋壓成型的中空預(yù)成型圓筒相對于所述軸線橫向地切割為片段，每個片段具有軸向 長度，以使中空預(yù)成型圓筒的外表面符合期望的形狀且中空預(yù)成型圓筒的壁具有期望的厚 度。
全文摘要
本發(fā)明涉及形成預(yù)成型件并從該預(yù)成型件形成部件，提供一種用于形成部件的方法，該方法包括使工件形成為與軸線同心并包括沿該軸線延伸的內(nèi)表面的中空預(yù)成型圓筒，在中空預(yù)成型圓筒內(nèi)放置具有外表面的心軸，使中空預(yù)成型圓筒的內(nèi)表面和外表面旋壓成型以使中空預(yù)成型圓筒的內(nèi)表面符合心軸的至少部分外表面，及將旋壓成型的圓筒相對于該軸線橫向地切割為片段，每個片段都具有軸向長度。通過本發(fā)明，可制造出近似為凈形或完全為凈形的成型坯件，并減少材料浪費(fèi)，降低成本。
文檔編號B21D28/24GK101712058SQ200910179348
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月3日
發(fā)明者基思·休斯, 約瑟夫·斯祖巴, 羅德尼·G·懷特貝克 申請人:福特汽車公司