專利名稱：在齒輪坯料中擠壓形成螺旋齒的設備的制作方法
技術領域：
本實用新型主要涉及形成花鍵齒或者輪齒的設備，尤其涉及在齒輪坯料中擠壓形成螺旋齒的設備。
背景技術：
盡管螺旋輪齒較難形成，但是用于汽車變速器的類型的行星齒輪組包括具有內(nèi)螺 旋齒的環(huán)形齒輪，而不是直齒輪。為了正確執(zhí)行其功能，內(nèi)輪齒必須以非常準確的尺寸和間 隔形成。螺旋齒可以通過拉削(broaching)形成，拉削是一種切削工藝，其中具有切削齒 的大型拉刀(broaching bar)從齒輪坯料中穿過，以形成輪齒。拉削是一種高花費的工藝， 需要在專用機器、導桿(lead bar)、切削工具和切削油上進行大量的投資。拉削僅可用于在 前后軸向上都易接近的部分，因為長的拉刀必須從齒輪坯料中穿過以切削形成輪齒。螺旋齒可通過另一種用于制造內(nèi)螺旋齒的切削工藝，即插齒(gear shaping)形 成。雖然它是一種比拉削慢的工藝，但它可用于形成封閉端(blind end)以及貫通部件 (through parts)用于高容量生產(chǎn)。即便如此，該工藝也需要在昂貴的機器和切削工具上的 投資。螺旋齒可由冷擠壓形成，其中輪齒成形到部件中，而不是在部件中切割出輪齒。形 成有外螺旋模具齒的精密磨光的、硬化的心軸推進到工件中，該工件的內(nèi)表面形成有模具 齒的負輪廓。當擠壓形成螺旋齒時，必須引導心軸在螺旋路徑中通過工件。這種引導結合 了軸向平移和圍繞中心軸線的旋轉。根據(jù)常規(guī)的實踐，螺旋環(huán)齒輪的擠壓需要特定的螺旋引導件(helical leadguide)作為每個工具組(tool set)的一部分以便以合適的螺旋角生產(chǎn)輪齒。引導件 是模組中昂貴且大型的元件并必須機械加工成精確的尺寸。該引導機構需要占據(jù)模組的垂 直高度的大部分(significant portion)，并增加了液壓機的總體尺寸。引導件和拉刀必須 計算在所生產(chǎn)的每個產(chǎn)品的物料量(inventory)中。在金屬成形工業(yè)中存在一種需要，即對用于擠壓形成內(nèi)螺旋輪齒和外螺旋輪齒而 不用使用引導件控制心軸通過工件材料的螺旋路徑的有效可靠的技術的需要。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的包括提供一種在齒輪坯料中擠壓形成螺旋齒的設備，該設備可 以有效可靠地擠壓形成內(nèi)螺旋輪齒和外螺旋輪齒而不用使用引導件控制心軸通過工件材 料的螺旋路徑。在本實用新型的一個方面，提供一種在齒輪坯料中擠壓形成螺旋齒的設備，該設 備包括用于支承所述齒輪坯料的模座；相對于模座沿著軸線移動的壓力機；與所述軸線 對齊的心軸，所述心軸可與壓力機一起沿著所述軸線移動，并包括具有螺旋模具齒的表面； 以及可驅動地連接到所述心軸的伺服電機，用于當所述心軸相對于齒輪坯料軸向移動時使所述心軸圍繞所述軸線旋轉。在本實用新型的另一方面，提供一種在齒輪坯料中擠壓形成螺旋齒的設備，該設備包括用于支承所述齒輪坯料的模座；相對于模座沿著軸線移動的壓力機；與所述軸線 對齊的心軸，所述心軸可與壓力機一起沿著所述軸線移動，并包括具有螺旋模具齒的表面； 以及可驅動地連接到所述心軸的伺服電機，當所述心軸相對于齒輪坯料軸向移動時所述伺 服電機使所述心軸圍繞所述軸線旋轉，伺服電機配置為鏈接到控制心軸的軸向運動和徑向 力的計算機，進而使心軸的旋轉與壓力機驅動相協(xié)調并消除對機械引導件的需要。伺服電機和控制器提供一些優(yōu)點，尤其在擠壓形成具有小尺寸的螺旋齒的工藝 中，包括尺寸更小從而需要的模具開口高度減?。辉跀D壓形成各齒輪時有更快的循環(huán)周 期；通過對控制器編程以控制以多種不同的螺旋齒和螺旋角的齒輪擠壓從而具有功能上的 靈活性；在不同產(chǎn)品、用于監(jiān)控擠壓工藝的傳感器中進行快速的模具變換；并減少擠壓模 具和液壓機的成本。伺服電機可被編程為通過當液壓機在向下方向驅動時產(chǎn)生旋轉扭矩以允許更好 地控制產(chǎn)生精密成形的齒輪齒廓所需的力來輔助擠壓工藝。另外，引導件被計算機控制的電子伺服機構或者液壓伺服機構替代，該伺 服機構可提供心軸的合適的旋轉，以產(chǎn)生所加工的齒輪所需的螺旋齒輪幾何形狀 (geargeometry)。伺服機構比固定的引導件更小且可編程用于多種不同的螺旋齒輪螺旋升 角(lead angle)。伺服控制裝置鏈接到控制心軸的軸向運動和徑向力的計算機，進而使心軸的旋轉 與壓力機驅動序列相協(xié)調并消除對機械引導件的需要。優(yōu)選的實施例的應用范圍通過下面的具體實施方式
和附圖及本申請的權利要求 將變得明晰可見。應當理解，詳細說明和特定示例盡管表示本實用新型優(yōu)選的實施例，但是 僅以舉例的方式給出。對所描述的實施例和示例的各種變化和修改對本領域技術人員來說 將變得明晰可見。

圖1是配備有用于在齒輪坯料上形成內(nèi)螺旋輪齒的伺服電機的擠壓機的正視圖；圖2是用于圖1的擠壓機的心軸的正視圖；以及圖3是用于在齒輪坯料中形成外螺旋輪齒的心軸和模座的正視圖。
具體實施方式
參考下面的具體實施方式
結合附圖，本實用新型將更容易理解。參考圖1和圖2，安裝在液壓機14中的擠壓模具總成12包括置于液壓機14的底 座部分18上的下模板16以及上模板20。模具導柱24在上模板20和下模板16之間延伸。 各模具導柱24的一端固定在上模板20上。各模具導柱24的相對端具有附在其上的球軸 承保持架26。導套28附于下模板16上，各導套28與一個球軸承保持架26對齊。球軸承 保持架26伸縮地滑進其各自的導套28以允許上模板20相對于下模板16軸向移動，最小 化摩擦力并保持兩個模板16，20相互平行。模具總成12與軸線29同心并沿著軸線29平 移。[0021]導柱24上引導的托板30固定于上模板20，用于與上模板20沿著軸線29的移動。 心軸32由螺栓34固定至托板30，螺栓34穿過心軸32的中間的孔36并接合托板30內(nèi)的 螺紋(tapped screw thread)。銷38接合托板30中的定位銷孔40和心軸32中對應的定 位銷孔42。心軸32形成有外部模具齒(external die teeth) 46、引導表面47、和單個級 48且優(yōu)選地為多級步進心軸(multiple-step mandrel) 0模具齒46的螺旋角與將要從工 件形成的齒輪中所期望的螺旋角相同。安裝在下模板16上的負載元件(load cell) 50，包括安裝在其中并電連接至控制 器的力傳感器。負載元件50感測在成形操作中施加到其上的負荷量和扭矩量。為了控制 成形工藝，力傳感器用于控制伺服裝置提供的下壓運動和旋轉扭矩兩者。如果負荷超出這 些參數(shù)的預定范圍，液壓機14將停止成形操作以便可以檢查壓力裝置。負載元件50是可 選的，如果期望，沒有這個部件也可以執(zhí)行擠壓工藝。模座52安裝在負載元件50上。安裝在模座52上的固定環(huán)54具有圓柱形的中央 腔。硬化的套管嵌件(sleeve insert) 56安裝在固定環(huán)54中并圍繞工件齒輪坯料58。在 成形工藝中模座52軸向地支承齒輪坯料58。固定環(huán)54，套管嵌件56以及齒輪坯料58與 軸線29和心軸32同心定位。齒輪坯料58形成有與軸線29對齊的圓柱形中心空腔53。齒輪坯料58包括環(huán)形的、具有控制的直徑的圓筒狀表面，內(nèi)螺旋輪齒在成形工藝 中將在該表面中被擠出。圖1示出環(huán)形齒輪坯料58插入到套管嵌件56。伺服電機90固定在上模板20上，面向心軸32，并具有可驅動地連接至心軸的軸 (shaft)，以便響應于控制器92產(chǎn)生的控制信號使伺服電機的電樞以及心軸作為一個單元 圍繞軸線29旋轉。由負載元件50產(chǎn)生并表示液壓機14的擠壓力、扭矩和速度的大小的電子信號94 作為輸入提供至控制器92。電子信號96由傳感器98產(chǎn)生，表示心軸32以及伺服電機90 的轉子從參考位置圍繞軸線29的角位移，且伺服電機90的速度作為輸入被提供到控制器 92。由傳感器102產(chǎn)生的電子信號100表示工件58從參考位置圍繞軸線29的角位移，也 作為輸入被提供給控制器92。控制器92優(yōu)選地包括互相通信并在數(shù)據(jù)總線112上具有輸出110的電子微處理 器104、電子存儲器106、以及信號調理電路108。存儲器包括控制算法，該控制算法使用由 輸入信號表示的變量執(zhí)行，并編程為生產(chǎn)多種不同的螺旋齒輪螺旋升角并根據(jù)與壓力機14 的期望狀態(tài)的偏離連續(xù)調節(jié)?？刂菩盘?14被從控制器92的輸出110傳送到伺服電機控制裝置(未示出)，伺 服電機控制裝置響應于控制器92的控制信號輸出驅動伺服電機90圍繞軸線29旋轉。類 似地，控制器92使模具總成12沿著軸線29垂直地平移。擠出模具總成12用于以引導精度(lead accuracy)的緊密控制在齒輪坯料58中 形成內(nèi)螺旋齒的冷擠出工藝。在操作中，齒輪坯料58插入到環(huán)形嵌件56中，液壓機14啟動并在模具導柱24引 導下推動上模板20向下模板16移動。該軸向平移將心軸32向齒輪坯料58帶動，以便使引導表面(lead surfaCe)47進 入工件58的中心開口 53。伺服電機90促使心軸32圍繞軸線29旋轉至期望的角位置，在 該期望的角位置心軸32的外表面上的螺旋模具齒46首先接觸齒輪坯料工件58。當心軸32在其期望的角位置時，液壓機14被驅動以持續(xù)其軸向路徑，伺服電機90被驅動以與其軸 向路徑的速度相關的速度旋轉，以便在工件58中以期望的螺旋角形成內(nèi)輪齒。 心軸32上的模具齒46接合齒輪坯料58的內(nèi)表面并當被擠進齒輪坯料時向下以 螺旋運動的方式移動進入工件的材料，進而形成螺旋輪齒。當達到完成的齒輪的預定深度 時，液壓機14停止擠壓上模板20，并縮回上模板20和心軸32。伺服徑向力用于在壓力機 和模具的向上行程(upper stroke)期間形成齒輪齒面。這種移動引起心軸32向上縮回并從模座52表面提升工件58。固定在模座52上 的箱式脫模器(box stripper) 120接觸工件58的上表面122，從心軸32上分離工件58并 允許心軸從擠出的齒輪縮回?？s回運動在插入運動之后。完成的環(huán)形齒輪然后從壓力機14移除，另一個齒輪坯料58在重復成形工藝之前 被插入其位置。因為壓力機14的行進距離很短，循環(huán)周期時間短，生產(chǎn)能力比現(xiàn)有技術顯 著增加。盡管參考外螺旋心軸齒46在工件58上用于在坯料58上擠壓形成內(nèi)齒來描述擠 壓過程，但是如果將要在工件158上擠壓形成外螺旋齒，如圖3所示，則心軸132形成為具 有中心圓柱形空腔153，圍繞工件158的外表面并與軸線29對齊。工件158的內(nèi)表面由圓 柱形插銷160支承。心軸132的內(nèi)表面形成為螺旋模具齒146。伺服電機90可驅動連接到 心軸132并當壓力機14軸向推動模具齒146進入并通過工件158的壁時旋轉心軸，因而在 工件或者齒輪坯料158的外表面上形成外螺旋齒輪齒。根據(jù)專利法規(guī)定，描述了優(yōu)選實施例。但是應當理解除明確圖示和描述的之外，替 代的實施例也可以實施。
權利要求一種在齒輪坯料中擠壓形成螺旋齒的設備，其特征在于，包括用于支承所述齒輪坯料的模座；相對于模座沿著軸線移動的壓力機；與所述軸線對齊的心軸，所述心軸可與壓力機一起沿著所述軸線移動，并包括具有螺旋模具齒的表面；以及可驅動地連接到所述心軸的伺服電機，當所述心軸相對于齒輪坯料軸向移動時所述伺服電機使所述心軸圍繞所述軸線旋轉。
2.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述螺旋模具齒位于所述心軸的外表面；以及所述設備還包括支承于模座上、具有與所述軸線同心的空腔并可以在所述空腔中接收 齒輪坯料的環(huán)。
3.如權利要求1所述的設備，其特征在于， 所述螺旋模具齒位于所述心軸的內(nèi)表面； 所述齒輪坯料具有與所述軸線同心的空腔；以及所述設備還包括支承在模座上并位于所述齒輪坯料的空腔中的模具。
4.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述螺旋模具齒位于所述心軸的外表面；以及所述設備還包括支承在模座上、具有與所述軸線同心的空腔并可在空腔中接收齒輪坯料的環(huán)；以及 脫模器，所述脫模器固定并定位為在齒輪坯料中擠出形成螺旋模具齒之后接觸所述齒 輪坯料并從所述心軸分離所述齒輪坯料。
5.如權利要求1所述的設備，其特征在于，還包括控制器，所述控制器配置為控制所述心軸和伺服電機的旋轉，控制心軸至齒輪坯料的 軸向移動，協(xié)調所述旋轉和所述軸向移動，以便所述心軸在齒輪坯料中擠出形成具有期望 螺旋角的螺旋模具齒。
6.一種在齒輪坯料中擠壓形成螺旋齒的設備，其特征在于，包括 用于支承所述齒輪坯料的模座；相對于模座沿著軸線移動的壓力機；與所述軸線對齊的心軸，所述心軸可與壓力機一起沿著所述軸線移動，并包括具有螺 旋模具齒的表面；以及可驅動地連接到所述心軸的伺服電機，當所述心軸相對于齒輪坯料軸向移動時所述伺 服電機使所述心軸圍繞所述軸線旋轉，伺服電機配置為鏈接到控制心軸的軸向運動和徑向 力的計算機，進而使心軸的旋轉與壓力機驅動相協(xié)調并消除對機械引導件的需要。
專利摘要本實用新型涉及一種在齒輪坯料中擠壓形成螺旋齒的設備，該設備包括用于支承所述齒輪坯料的模座；相對于模座沿著軸線移動的壓力機；與所述軸線對齊的心軸，所述心軸可與壓力機一起沿著所述軸線移動，并包括具有螺旋模具齒的表面；以及可驅動地連接到所述心軸的伺服電機，用于當所述心軸相對于齒輪坯料軸向移動時使所述心軸圍繞所述軸線旋轉。本實用新型的設備可以有效可靠地擠壓形成內(nèi)螺旋輪齒和外螺旋輪齒而不用使用引導件控制心軸通過工件材料的螺旋路徑。
文檔編號B21C25/04GK201558876SQ20092017929
公開日2010年8月25日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權日2008年10月3日
發(fā)明者約瑟夫·A·斯祖巴, 羅德尼·G·懷特貝克, 艾米羅·A·托尼洛, 邁克爾·A·庫克 申請人:福特汽車公司