齿轮制造商依赖于可用的机械,设计规格或要求,生产成本以及要进行齿轮的材料类型。

制造齿轮有许多方法,包括:

  • 金属拆卸工艺(滚动,塑造,铣削,剃须,磨削,珩磨和研磨)
  • 各种铸造工艺,用于生产齿轮坯料和近净形状齿轮
  • 冲压和细小的消隐
  • 冷绘和挤压
  • 粉末冶金(P / M)加工
  • 注塑成型
  • 齿轮滚动
  • 锻造生产齿轮坯料和近靠近近锻造和净形齿轮

列出的大多数过程适用于耐磨要求,低功率传输和相对较低的传输运动的齿轮[1]。当应用程序涉及这些特性中的一个或多个的更高值时,使用锻造或剪切/加工齿轮。表1列出了各种齿轮制造工艺的AGMA质量编号的公差[2]。

表1:各种齿轮制造工艺的AGMA质量数字方面推荐的公差。

铸件

虽然铸造过程最常用于制造将具有切割齿的齿轮的空白(图1和图2),但是铸造工艺的几个变化用于制造具有很少或没有加工的齿轮。

图1:铸钢齿轮坯料。重量:478千克(1053磅)。[3]
图2:大型加工铸钢齿轮。[3]
例如,铸造齿内齿轮(图3)以多达1633千克(3600磅)产生的几种尺寸。它们热处理到强度水平的689MPa(100ksi),并且这些齿轮上不需要加工。在需要加工的情况下,通过更靠近最终形状来降低加工费用。

铸造齿轮的另一个例子是由铸造高锰(Hadfield)钢制成的小齿轮,用于图4所示的电动挖掘机。没有必要为齿轮齿加工。

图3:铸造齿内齿轮。重量高达1633千克(3600磅)。[3]
图4:用于电动挖掘机的铸造齿齿轮齿轮。重量:212千克(468磅)。[3]

具体的铸造过程

大多数铸造工艺已用于生产齿轮坯料或铸造齿轮,包括砂铸,壳塑料,永久模具铸造,离心铸造,投资铸造和压铸。切割齿轮也从连续铸棒生产。一些常用的流程将在下面简要审查。有关这些过程的更多详细信息,请参阅ASM手册的“铸造,第15卷”。砂铸接主要用于生产齿轮坯料。最近,只有使用齿齿齿齿的齿轮使用非常有限[4]。在某些情况下,用于农用机械,斯科克和一些手动设备的齿轮使用铸造牙齿。图案上的草稿和冷却的扭曲使得铸铁或铸钢齿轮齿中难以获得大量精度。表1显示了砂铸齿轮具有主要齿轮制造方法的最低视为agma质量水平。

壳成型工艺特别适用于铸件:

  • 壳成型(与常规绿色砂成型相比)提供的尺寸较大的精度可以减少完成部分所需的加工量。
  • 由于铸造尺寸并不重要,但是平滑表面(比砂铸件的光滑)是主要目标。图5中示出了通过壳成型产生的具有优异表面光洁度的铸造齿锥齿轮的示例。

图5:由壳成型工艺生产的铸造齿锥齿轮,以获得优异的表面和近距离公差。[3]
投资铸造工艺在齿轮制造业中的使用情况相似。其最具明显的值在于制造从材料的精确齿轮齿,如此努力地通过加工[4]牙齿不能容易地生产。该过程可与各种钢,隆隆和铝合金一起使用。采用可加工的材料,如果齿轮是一体的,该过程仍然有用,其具有通过机械加工非常难以产生的一些复杂的形状。

通过冷室压铸工艺制造大量小,低成本的齿轮(压铸齿轮通常不超过150mm(6英寸),直径为10至48个径向间距(DP))。通过压铸工艺可以快速和低成本,通过压铸工艺快速和低成本,更昂贵的齿轮形状。该方法的主要缺点是适用于压铸铝,锌和铜的低熔点金属 - 对于高负荷承载能力,不足够高的硬度。

许多不同类型的齿轮可以是压铸,如刺激,螺旋蠕虫,簇和斜面。这些类型的齿轮的应用包括玩具,洗衣机,小家电,手动工具,摄像机,商业机器和类似设备。

成型

冲压和细小的消隐

冲压是一种金属加工技术,它已经与使用饼干刀具进行比较。在该过程中,将一片金属放置在模具的顶部和底部之间;上模被压入下部和“移除”或从片材中切割档位。这是一种低成本,高效的方法,用于生产轻量级齿轮,用于不加载到中型应用。冲压受工件的厚度限制,主要用于正齿轮和其他薄的扁平形式[5]。冲压齿轮尺寸范围为20到120 dp,0.25至3 mm(0.010至0.125英寸)厚[6]。随着沥青变得更精细,材料规格必须变薄。表2显示了常用的各种俯仰的推荐库存厚度,并且在模具维护中不需要特别注意。如表1所示,冲压齿轮的公差是好的,并且可以通过额外的护理实现AGMA质量等级9。

表2:冲压齿轮的推荐库存厚度。

可以通过冲压处理各种材料,包括所有低级和中碳钢,黄铜和一些铝合金。非金属材料也可以冲压。通过该过程制造的齿轮用于玩具,时钟和定时器机构,手表,诸如搅拌机,搅拌器,烤面包机等小家电以及开瓶器,以及垫圈和干衣机等较大的电器。

罚款(也称为细边消隐)实际上类似于冷挤出而不是诸如冲压的切割操作。该过程从像冲压片一样使用金属;但与之不同,因为它使用两个模具并通过将其压入所需的形状来形成工件。将金属挤出到模腔中以形成所需的形状。同样与冲压不同,细小的消隐提供设计人员有限的三维能力,因此可以用于产生斜面,多齿轮组和其他复杂的形式[5]。精致的坯料可以在各种应用中找到,包括汽车,设备,办公设备,液压和医疗设备行业。

冷绘和挤压[6]

该过程需要大规模生产正齿轮 - 齿轮齿轮元件的刀具支出,并且非常通用,以至于可以生产所需的几乎任何齿形。顾名思义,通过一系列几个模具,拉动(绘制)或推动(挤出),最后具有所需齿形的最终形状。由于材料通过这些模具,实际上被挤压成模的形状。由于材料被压力移位,因此外表面是加工硬化的并且相当光滑。

“空白”为此过程的条形通常为3至3.7米(10至12英尺)的长度。在通过模具之后,它们被称为小齿根杆,并且经常被放入完成各个齿轮的螺钉机上。经验表明,将挤出杆切断比切割单独的齿轮更经济。在某些情况下,不可能以任何其他方式产生所需的小齿轮形状。可以获得16至100dp的小齿根,但随着间距变细,可以更难以获得有时在细间距小幅上所需的近似公差。具有良好拉伸性能的任何材料,如高碳钢,黄铜,青铜,铝和不锈钢,可用于拉长的小齿条。

通过该过程制造的齿轮和小齿轮具有各种各样的应用,并已在手表,电时钟,弹簧缠绕时钟,打字机,化油器,磁体​​,小型电动机,开关设备,游戏表,摄像机,老虎机,所有类型机械玩具,以及各种机械的许多其他零件。

齿轮滚动

像样条曲线一样的螺旋和螺旋齿轮是形成的(参考文献1)。通过这个过程每年生产数百万种高品质的齿轮;这种汽车变速箱中的许多齿轮都是这样的。如图6所示,该过程基本上与滚动辊形成螺纹形成的过程,除了在大多数情况下,齿不能在成形辊的单个旋转中形成;在几个转旋转期间,辊逐渐向内送入。

图6:通过冷成形形成齿轮齿和花键的方法。[1]
由于发生的金属流动,卷形成齿的顶部落地不是光滑且完美的形状;通常可以看到两个轻微的突起之间的凹陷线。然而,由于顶部土地在齿轮齿动作中没有零件,如果配合齿轮上有足够的间隙,则不会遇到困难。在所考虑的情况下,光转动切口用于提供平滑的顶部陆地和正确的附加物直径。

轧制生产齿轮50倍,尽可能快地换档,表面光滑为0.10μm(4μ厘米。)。不仅轧制通常不需要无表面操作,而且轧制改进工件的微观结构。

生产设置通常只需要一组滚动模具和适当的夹具来装备滚动机。通过进料(插入)方法或通料方法,滚动管芯在它们之间传动工件,通过压力形成牙齿。

限制

如果有18个牙齿或更多,可以卷起正齿轮。牙齿较少,导致工作卷不好。如果螺旋角足够较少,螺旋齿轮可以用较少的牙齿滚动。

滚动齿通常是不切实际的,压力角度小于20°。较低的角度在根和嵴上有宽平底,需要在轧制中更压力。较低的角度也阻碍金属流动。虽然0.13毫米(0.005英寸)滚动圆角,但可以滚动0.25毫米(0.010英寸)是更好的最低限度。为了更高的准确性,在滚动之前将齿轮坯料接地。倒角计应为30°或更少。

用于齿轮滚动的钢不应超过0.13%的S,最好是没有铅。空白不应该比28 HRC更难。

锻造

长期以来已经在齿轮的制造中使用了锻造。这对于生产齿轮坯料尤其如此,随后将被切割/加工到最终期望的配置中。齿轮坯料已由开放式锻造,闭合锻造(图7)和热镦锻锻造生产。在过去的35年中,通过精密锻造来生产近净或净形齿轮的相当大的研发。如今,需要很少或根本没有完成加工的精密齿轮通常用于汽车,卡车,偏远气,航空航天,铁路,农业和物料处理行业以及能源和采矿领域。

图7:齿轮坯料被封闭的灯泡锻造成四锤子从煎羊群(未示出)吹来,然后在一冲刷中修剪和刺穿。尺寸以英寸为单位。

高能率锻造

用于制造附近或净形齿轮的第一锻造工艺之一是高能量锻造工艺,其是闭合的热或冷锻造过程,其中工作金属在异常高的速度下变形。理想情况下,锻造的最终配置是一次性开发的,或者最多是少量吹来的。RAM的速度,而不是其质量,产生了主要的锻造力。

可以使用高能速率锻造的齿的构造来产生具有轮廓颗粒流的齿轮。在正齿轮的情况下,这是通过薄雾实现的,以引起在其周边处的所需齿构造的模具中的金属的横向流动。在不增加齿尺寸的情况下,轮廓晶粒增加了负荷容量。此外,该过程最小化生产成品齿轮所需的加工。尽管齿轮是最容易的锻造,但如果它们的配置允许从模腔喷射齿轮的喷射,也可以伪造螺旋和螺旋形齿轮。齿轮已由低合金钢,黄铜,铝合金,不锈钢,钛和一些耐热合金锻造。

具有5至20的DP的齿轮通常伪造很少或没有加工津贴。在锻造细粒齿轮时,模具寿命会显着降低。

锻造5-DP齿轮,渐开线的耐受性为0.013 mm(0.0005英寸)和0.08mm(0.003英寸)的总复合误差。这些齿轮锻造齿齿间距偏差约0.025mm(0.001英寸),并且总累积偏差为0.089mm(0.0035英寸)。在这些齿轮上的过销尺寸保持在±0.05mm(0.002英寸),总复合误差约为0.20毫米(0.008英寸)。

保持齿轮尺寸为极其近距离的公差可能会消除饰面加工,但可以通过更高的模具制造/维护成本超出节省。因此,大多数锻造齿轮都具有加工的余地。

在齿轮齿上的表面光洁度为0.5至1.5μm(20至60μIN)是实用的。然而,即使具有0.5μm(20μ亮)的表面处理,局部缺陷也可以将平均值增加到1.5μm(60μ±)或更高。因此,难以在不磨削的情况下保持齿轮齿上的良好表面光洁度。

典型的齿轮锻件

图8中所示的4.5千克(10磅)齿轮在长度为124毫米(4.9英寸)的直径为8620钢坯75mm(3英寸)。需要353,000 j(260,000英尺LBF)的能量水平,以在1230°C(2250°F)的一个吹来中锻造齿轮。齿轮上的网锻造成最终厚度;牙齿锻造成0.51毫米(0.020英寸)的原料,用于完成加工。

图8:高能率锻造的近净形状簇齿轮。尺寸以英寸为单位。

最初用于锻造该齿轮的模具插入件由H11或H13工具钢制成。该钢通常在生产20齿轮后经常软化,因为其温度高于H13钢的565℃(1050°F)回火温度上升。发现使用合金718(UNS N07718)来改善模具插入寿命。

在牙齿上直径的图9,272.49mm(10.728英寸)中所示的汽车飞轮和重11千克(24磅),由来自40级灰铁的加工坯料铸造(通常被认为是不可借鉴的)锻造。加工预制件,图9中所示的一部分被加热至955℃(1750°F)并以271,000J(200,000 ft·LBF)的能量水平锻造。这部分具有最小的公差规范。牙齿上的直径和主体的厚度具有+ 0.00mm,-0.18mm(+0.000英寸,-0.007英寸)的耐受性。凹槽的直径上,该部件上的最大容差为±1.02 mm(±0.040英寸)。其他凹槽上的公差为±0.18毫米(±0.007英寸)和+0.48 mm,-0.00 mm(+0.019英寸,-0.000英寸)。该齿轮锻造到成品尺寸。

图9:高能量锻造的近净形状汽车飞轮。尺寸以英寸为单位。

具有整体部分的各种齿轮已经锻造。这些在外径范围内的64至267毫米(2.5至10.5英寸),重量为0.54至11kg(1.2至24磅)。每颗牙齿的侧翼都有0.13至0.51毫米(0.005至0.020英寸)的每颗牙齿的衬垫,用于完成滚动和研磨。穿着整体牙齿的齿轮通常具有较长的疲劳和磨损寿命,而不是由牙齿呼吸,形状或磨损的牙齿的常规锻造坯料制成的寿命。

精密锻造

术语“精密锻造”不指定一个不同的锻造过程,而是描述了锻造的哲学方法。这种方法的目标是在伪造条件下产生净形状或至少近净形状。

术语网表示不需要随后的加工或精加工。因此,净形状锻造不需要进一步在任何锻造表面上工作,尽管可能需要二次操作以产生少量孔,线程和其他这些细节。近净形状的锻造可以是其中一些但不是所有表面是网的,或者表面只需要最小的加工或精加工。精密锻造有时被描述为近耐腐蚀锻造,以强调完成在成品部分所需的尺寸和表面光洁度的尺寸和表面光洁度的目标。近年来,计算机辅助设计和制造(CAD / CAM)技术已应用于各种锻造过程[7]。这种计算机化的方法适用于传统压力机中的螺旋锥,刺激和螺旋齿轮的精确热锻造,因为它允许模具设计师检查各种过程变量(负载,应力和温度)对模具设计的影响。

精密热锻齿轮具有与其他模制齿轮(铸造,P / M-加工,注塑)的切割齿轮相同的优点,因为很少或没有材料丢失(图10)。这是从材料本身成本的角度来看的节省成本,更重要的是,加工成本。此外,精密锻造齿轮还具有在载荷容量增加的切割齿轮上的优点。这种增加的强度疲劳强度的形式是由于齿轮从杆式和锻造齿轮切割的齿轮流动的差异是导致的。切割齿轮中的晶粒流由杆状坯的热轧方向决定,与齿轮齿轮廓没有关系。在锻造标本上,颗粒流动在每个齿轮齿中牙齿轮廓遵循牙齿轮廓。图11比较了切割和锻造齿轮的疲劳性能[8]。

图10:使用近净形状锻造过程的材料/重量节省。大型正齿轮重25千克(55磅),为坯料(左侧)。作为齿轮齿轮(0.04英寸)的锻造齿轮(右侧)的牙齿型材,用于齿型的牙齿型材,重17千克(37磅)。资料来源:预普里特公司
图11:(a)削减齿轮和(b)近净形状锻造齿轮的疲劳数据。[8]

近净形状质量齿轮

今天生产的大多数伪造齿轮都是近净形态的配置。齿轮齿围绕牙齿轮廓围绕材料(股票津贴)。随后由锻造房屋或购买伪造齿轮的客户拆除该信封。制造过程始于钢筋原料,通常转动并抛光以改善表面,切割到精确的重量。精确的重量至关重要,因为钢的量必须完全填充模具以产生完整的齿轮轮廓。在锻造之前,坯料在电感炉中在电感炉中加热在925和1230°C(1700和2250°F)之间,该电容炉由光学高温计控制为±14℃(25°F)。

在单程中风,标准机械锻造压机,范围为14,235至53,375kN(1600至6000吨),形成近净形状齿轮,具有完整的允许储存零件。形成“煎饼”的第一操作的目的是打破坯料的鳞片,并尺寸外径到齿轮模具中的根直径的尺寸下。接下来,操作员将坯料定位到终点中。

在锻造之后,液压敲除系统立即从饰面模具中提取齿轮。在原料锻造齿轮从模具中液压喷射之后,它被放置在孔被冲压的修剪巢中。然后使其冷却至环境温度,通常需要24小时。一旦冷却,它就准备好完成加工(图12)。

图12:近净形状锻造齿轮的示例。(a)螺旋锥齿轮,具有0.5毫米的股票余量,(b)粗沥青(小于5 dp)的正常齿轮,股票占尺寸为1至2 mm。资料来源:预普里特公司

可以使用五种基本配置的任何渗碳或感应硬化钢生产近净形状齿轮:螺旋斜面,螺旋锥,直斜面,带有1毫米(0.04英寸)的螺旋齿轮,以及齿轮,齿轮0.1至0.3MM(0.004至0.012英寸)股票津贴。近净形状齿轮可以直径产生,其具有高达425毫米(17英寸)的储存余量范围为0.1至1.5mm(0.004至0.06英寸)。各种齿轮配置的规格包括:

  • 螺旋锥齿轮可在直径上产生高达425毫米(17英寸),每侧翼0.5毫米(0.02英寸)。最大螺旋角度为35°和小于7个DP的间距范围
  • 直锥齿轮具有类似于螺旋锥齿轮的配置/属性
  • 螺旋齿轮的直径可产生高达250毫米(10英寸),重量高达40kg(90磅),每侧的最低股票0.5毫米(0.02英寸)。可以实现25°的最大螺旋角,并且可以实现4至12个DP的间距范围
  • 带有1毫米(0.04英寸)的螺旋齿轮的齿轮可直径为400毫米(16英寸),重量高达135千克(300磅),最低股票1毫米(0.04英寸)每个侧翼允许津贴。可以实现小于5 dp的间距范围。这种类型的齿轮需要滚肺,滚动和剃须,滚动和磨削,或踩踏
  • 20.1至0.3毫米的正齿轮(0.004至0.012英寸)的股票余量可直径250毫米(10英寸),最高为150毫米(6英寸)的最大面宽度,0.1至0.3MM(0.004至0.012英寸)股票津贴。可以实现4至12个DP的间距范围。这种类型的齿轮需要磨削或踩踏的表面处理。净根是可能的。

参考

  1. T.T. Krenzer和J.W.Coniglio,齿轮制造,加工,Vol 16,ASM手册,ASM International,1989,P 330-355
  2. J.G.Bralla,制造产品设计手册,第16卷,McGraw-Hill Book Company,1986,P 355
  3. M. Blair和T.L.Stevens,Ed。,钢铸件手册,第六版,钢铁创始人协会和ASM International,1995,P 2-34
  4. D.W.达德利,刨花制造方法,实用齿轮设计手册,麦格劳山书公司,P 5.86
  5. C. Cooper,替代齿轮制造,齿轮技术。1998年7月/ 8月,P 9-16
  6. D.P.Townsend,Ed。,Dies,Dudley's Gear手册的齿轮:齿轮,第二版,McGraw Hill Book Company,1992,P 17.1-17.21的设计,制造和应用
  7. D.J.Kuhlmann和P.S.Raghupathi,锻造和挤压齿轮制造,齿轮技术,七月/ 8月1990,P 36-45
  8. T. Russell和L. Danis,精密流动齿轮,齿轮制造和性能,美国金属协会,1974,P 229-239
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1980年加入亚马逊作为一名编辑助理。到1989年,他是ASM手册的经理。1991年,乔离开亚马逊,但继续为参考出版物部门工作。作为一个独立的承包商,直到53岁的自由死亡。作为一个自由职业者,他编辑了至少22名ASM书籍,其中包括八家ASM专业手册,包括八家ASM专业手册ASM材料工程词典,第二版金属手册桌面版,以及三本腐蚀书。作为ASM员工编辑,他大大参与了金属手册的编辑部,第9章,卷6-17,以及工程材料手册,1-4.ASM,在2013年庆祝其100周年,是一个致力于为材料科学和工程专业提供服务。通过全球36,000名成员网络,ASM从结构到纳米级提供有权信息和关于材料和过程的知识。有关更多信息,请访问www.asminternational.org.