圓柱齒輪滾軋成形技術(shù)專利發(fā)展研究

王穩(wěn)穩(wěn)

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

滾軋成形是一種將鍛造和軋制相融合，實(shí)現(xiàn)齒輪無(wú)切削精密塑性成形的新工藝。它既保留了展成加工通用性好的優(yōu)點(diǎn)，也避免了成形載荷大、脫模困難等問(wèn)題。滾軋是指一個(gè)或多個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的滾壓模具帶動(dòng)坯料旋轉(zhuǎn)同時(shí)徑向進(jìn)給擠壓坯料，使坯料產(chǎn)生塑性變形得到所需鍛件或鍛坯的塑性成形工藝，它屬于成形軋制（縱軋）的一種。國(guó)內(nèi)外有關(guān)齒輪滾軋的研究報(bào)道主要提出了兩種基本成形方法：齒條滾軋成形及軋輥滾軋成形[1]。

齒條滾軋成形如圖1所示，上下兩齒條在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下同步反向運(yùn)動(dòng)，坯料在摩擦力和徑向擠壓力的作用下滾動(dòng)成形。

圖1 齒條滾軋成形

軋輥滾軋成形工藝分為普通軋輥滾軋加工和行星滾軋加工；普通軋輥滾軋加工根據(jù)軋輥的數(shù)量分為單輥、雙輥、三輥滾軋加工成形[2]，如圖2所示。

圖2 軋輥滾軋成形

1 圓柱齒輪滾軋成形技術(shù)專利申請(qǐng)分析

1.1 圓柱齒輪滾軋成形全球?qū)＠暾?qǐng)量變化

早在1965年，采用圓柱齒輪滾軋成形技術(shù)在國(guó)外就已經(jīng)出現(xiàn)，到1968年專利申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，到了20世紀(jì)末進(jìn)入巔峰時(shí)期，進(jìn)入21世紀(jì)后，專利申請(qǐng)量逐漸減少，但是仍然有比較平穩(wěn)的申請(qǐng)量，從圖2-1可以看出圓柱齒輪滾軋成形技術(shù)在1986～2004年得到快速發(fā)展，專利申請(qǐng)量在1986～1996年明顯增加，在1996年達(dá)到高峰期后，增速變緩，但是申請(qǐng)總量仍然較高。

圖3 全球?qū)＠暾?qǐng)量國(guó)別分布

2 圓柱齒輪滾軋成形專利技術(shù)發(fā)展分析

圓柱齒輪滾軋成形主要分為平板滾軋成形、雙輥滾軋成形、三輥滾軋成形，雙輥滾軋的申請(qǐng)量最為突出，占總申請(qǐng)量的47%，平板滾軋成形的申請(qǐng)量也比較多，占總申請(qǐng)量的31%。

2.1 平板滾軋成形技術(shù)

平板滾軋成形是利用一對(duì)裝有齒形結(jié)構(gòu)模具的齒條做相向運(yùn)動(dòng)，對(duì)坯料進(jìn)行搓齒成形，使坯料與齒條模具嚙合發(fā)生塑性變形，971年美國(guó)的專利申請(qǐng)US3672203A開(kāi)始采用平板模對(duì)齒輪進(jìn)行滾軋成形，通過(guò)相對(duì)于設(shè)置的兩個(gè)平板模相對(duì)運(yùn)動(dòng)，隨著平板齒條的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)坯料滾動(dòng)，使坯料與平板齒條嚙合發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，成形為最終目標(biāo)齒形；到了1974年美國(guó)申請(qǐng)US3872699A對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在平板模前端的咬入部分設(shè)置防滑的襯墊，保證坯料能夠以特定的速度穩(wěn)定的咬入平板模的齒條部分，能夠保證坯料咬入平板模時(shí)能夠穩(wěn)定的進(jìn)行分齒；隨后蘇聯(lián)在1979年的申請(qǐng)SU923689A1通過(guò)在平板模的咬入端設(shè)置與坯料形狀匹配的圓形槽，從而坯料可以穩(wěn)定的咬入平板模內(nèi)，而且，將平板模的齒形的節(jié)距和齒高設(shè)置為逐漸增加的形式，通過(guò)液壓缸帶動(dòng)平板模來(lái)回移動(dòng)，帶動(dòng)工件移動(dòng)逐漸成型齒高、節(jié)距逐漸增加的齒形，直到成形完整的齒輪；1992年中國(guó)申請(qǐng)CN2131631Y將平板模的上部齒條設(shè)置為動(dòng)齒條，下部齒條設(shè)置為定齒條，且將每一個(gè)齒條分區(qū)設(shè)置為三個(gè)部分，其中第1段是過(guò)渡段，第2段是粗成形段，第3段是精成形段，過(guò)渡段齒條齒形的齒高與齒厚是漸增的，故此動(dòng)齒條所受阻力逐漸增加、變化平緩，第2段齒條為平直段，在該段，齒形的齒厚逐漸增加，逐漸正確，在毛坯滾出第2段后齒形已基本正確，在通過(guò)第3段時(shí)，利用具有正確齒形的齒條與齒坯輪齒嚙合，導(dǎo)致齒坯輪齒進(jìn)一步塑性變形，直至形成正確齒形；1998年日本專利申請(qǐng)JP2000024741A，通過(guò)在成形過(guò)程中多次改變滾壓模的移動(dòng)速度，在平板模的齒條的頂端為低速區(qū)域，隨后進(jìn)入加速區(qū)域，當(dāng)達(dá)到最高速度區(qū)域時(shí)，進(jìn)入減速區(qū)，然后再進(jìn)入最低速度區(qū)域，通過(guò)改變成形速度可以減小成型時(shí)的振動(dòng)以及畸變；1999年日本專利申請(qǐng)JP2001001098A通過(guò)噴嘴向平板模的齒條上噴射油霧，在齒條和工件上形成一層油膜，減少成形時(shí)的摩擦力，而且，將平板模的齒形設(shè)計(jì)為中間沒(méi)有齒條的過(guò)渡段，減小滾壓成形時(shí)的變形力，提高了齒形的精度；2002年日本專利申請(qǐng)JP2004074163A，將相對(duì)稱設(shè)置的平板模設(shè)置為相互交錯(cuò)的一對(duì)平板模，兩個(gè)相對(duì)的平板模上設(shè)置對(duì)稱的、傾斜的齒條，從而可以滾壓出人字形齒輪；2006年日本專利申請(qǐng)JP2007216289A將平板齒條設(shè)置為包含不在同一高度上的齒頂左端和右端，兩者形成一個(gè)臺(tái)階面，通過(guò)兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的帶有臺(tái)階面的平板模相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而可以成形臺(tái)階齒輪；2014年日本申請(qǐng)JP2016007608A，在底板上設(shè)置兩段平板模具，分為咬入階段、成形階段和精軋階段，通過(guò)設(shè)置不同的齒形，可以使坯料逐漸過(guò)渡到精確的齒形，提高齒輪齒形的精度。

2.2 雙輥滾軋成形技術(shù)

雙輥滾軋成形的專利申請(qǐng)量比較多，由于其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，應(yīng)用比較廣泛，1965年美國(guó)專利申請(qǐng)US19650516929A，將工件用頂尖支撐固定在兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的滾壓輪之間，將滾壓輪上齒形齒頂?shù)膲毫呛妄X根的壓力角設(shè)置為相等，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾壓輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)工件進(jìn)行滾壓成形；1967年美國(guó)專利申請(qǐng)US61875067A，將滾壓輪設(shè)置為一個(gè)為固定滾壓輪一個(gè)為可動(dòng)滾壓輪，工件被夾持在兩個(gè)滾壓輪之間，而且在工作之前，將工件向固定滾壓輪移動(dòng)，移動(dòng)到工作位置，然后驅(qū)動(dòng)移動(dòng)滾壓輪移動(dòng)到工作位置；1967年美國(guó)專利申請(qǐng)US3531976A，將滾壓輪設(shè)置為包括一對(duì)安裝軸向相互平行的滾壓輪，每一個(gè)滾壓輪包括兩個(gè)成對(duì)設(shè)置的扇形齒輪單元，兩個(gè)扇形單元通過(guò)螺栓連接起來(lái)，其中一個(gè)為右旋齒齒形，另一個(gè)為左旋齒齒形，兩個(gè)構(gòu)成人字形齒形，通過(guò)兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的人字形滾壓輪可以成形人字形齒輪，相比于傳統(tǒng)的切削加工方法，提高了成形質(zhì)量和效率；1969年德國(guó)專利申請(qǐng)DE2025659A1，改進(jìn)了工件和滾壓輪的運(yùn)動(dòng)方式，坯料被夾持定位在兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)的滾壓輪之間，兩個(gè)滾壓輪可以相對(duì)移動(dòng)從而靠近或遠(yuǎn)離工件，工件固定不動(dòng)的方式可以避免工件移動(dòng)過(guò)程中引起的晃動(dòng)；1974年蘇聯(lián)專利申請(qǐng)SU503619A1，在工件的下部設(shè)置一個(gè)光滑的輥輪起到支撐工件的作用，而且，還設(shè)置彈簧結(jié)構(gòu)，緩沖滾壓成形過(guò)程中的力，提高了工件在旋轉(zhuǎn)成形過(guò)程中的穩(wěn)定性；1980年蘇聯(lián)申請(qǐng)SU935186A1，在滾壓輪固定裝置的一側(cè)設(shè)置緩沖彈簧，來(lái)緩沖滾壓輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的力，避免滾壓產(chǎn)生晃動(dòng)；1980年蘇聯(lián)專利申請(qǐng)SU940973A1，將一對(duì)滾壓輪設(shè)置為上下兩個(gè)并列設(shè)置的大輥、小輥，通過(guò)兩個(gè)不同旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置的滾壓輪成型出臺(tái)階形齒輪；1981年蘇聯(lián)申請(qǐng)SU1016006A1，在軋機(jī)上設(shè)置滑塊和導(dǎo)軌，滾壓輪沿著導(dǎo)軌移動(dòng)到工作位置，過(guò)滑塊和導(dǎo)軌移動(dòng)可以提高其移動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，而且兩個(gè)滾壓輪通過(guò)同一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，提高兩者之間運(yùn)動(dòng)的同步性；1986年蘇聯(lián)專利申請(qǐng)SU4085360A，研究了熱塑性齒輪的熱軋成形方法，通過(guò)加熱線圈將軋輥加熱，并將熱量傳遞給工件，控制熱膨脹系數(shù)在一定的范圍內(nèi)，避免直接對(duì)工件進(jìn)行加熱時(shí)，對(duì)工件造成的不利影響；1995年日本專利申請(qǐng)，通過(guò)固定裝置將多個(gè)毛坯齒輪固頂在移動(dòng)，在多個(gè)滾壓輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滾壓時(shí)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)毛坯也進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)，保證同時(shí)成形多個(gè)滾壓輪時(shí)有足夠的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力；1995年日本專利申請(qǐng)JPH03169447A，為了提高工件的表面質(zhì)量和軋輥的使用壽命，在工件的底部用支撐裝置支撐，而不是懸空設(shè)置，可以避免工件滾軋過(guò)程中的振動(dòng)；1999年日本專利申請(qǐng)JP4201299B2，將工件的滾軋成形過(guò)程分為四個(gè)階段，第一階段對(duì)工件的外圍進(jìn)行成形，以較小的切入量對(duì)工件進(jìn)行滾軋，到第二階段、第三階段逐漸增加切入量，直至最終滾軋成形，然后進(jìn)入第四階段對(duì)齒形進(jìn)行精整直到滾軋出精確的齒形；2013年日本專利申請(qǐng)JP6307877B2，滾壓輪的模齒包括用于在桿形材料的外周緣表面上生成齒輪齒的成形模齒和通過(guò)與生成的齒輪齒接合并且旋轉(zhuǎn)來(lái)提高生成的齒輪齒的齒表面精度的精軋模齒，精軋模齒的構(gòu)型形成為均具有不與生成的齒輪齒的齒槽底面接觸的齒頂，精軋模齒(T2) 的齒高比所述成形模齒(T1)的齒高更短，對(duì)齒形合理的設(shè)計(jì)提高齒輪的成形精度；2014年中國(guó)專利申請(qǐng)CN104438993A，在工件的頂部設(shè)置一個(gè)圓柱輪，圓柱輪對(duì)坯料逐漸成形的齒形齒頂進(jìn)行碾壓，隨著齒形齒頂沿徑向逐漸長(zhǎng)高，圓柱輪逐漸進(jìn)行徑向回退運(yùn)動(dòng)，滾圓齒形齒頂滾軋中形成的突耳，獲得齒頂相對(duì)平整的無(wú)突耳或者小突耳的成形齒輪；2016年中國(guó)專利申請(qǐng)CN106391955A，芯棒將多個(gè)齒輪串接起來(lái)，液壓缸推動(dòng)齒輪在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，齒坯完全穿過(guò)左軋輪和右軋輪時(shí)，完成軸向軋制，對(duì)大模數(shù)齒輪快速分齒，而且也能避免亂齒、多齒或少齒現(xiàn)象發(fā)生；2017年中國(guó)專利申請(qǐng)CN106807865A，滾壓輪在軸向上分為分齒區(qū)、成形區(qū)和精整區(qū)，成形區(qū)的齒形節(jié)距逐漸減小到標(biāo)準(zhǔn)齒形的節(jié)距，同時(shí)，精整區(qū)的齒形節(jié)距不變，而齒形的齒頂尺寸逐漸減小，逐漸減小到標(biāo)準(zhǔn)齒形嚙合的齒頂尺寸；2017年中國(guó)專利申請(qǐng)CN107626863A，將切入段設(shè)計(jì)為齒高線性增大、而壓力角逐漸減小的輪齒，校準(zhǔn)段的齒全高和壓力角均不發(fā)生變化，退出段的齒高和齒厚逐漸減小，以避免軋輪輪齒脫離齒坯時(shí)劃傷齒面。

2.3 三輥滾軋成形技術(shù)

三輥滾軋成形由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)于兩輥滾軋成形技術(shù)復(fù)雜，有關(guān)三輥滾軋成形技術(shù)的研究比較少，1984年美國(guó)專利申請(qǐng)US4571972A，率先采用三輥滾軋成形技術(shù)用于滾壓成形齒輪，將三個(gè)滾壓輪在圓周方向上對(duì)稱設(shè)置，對(duì)處于三個(gè)滾壓輪中間的坯料進(jìn)行滾軋成形；1987年德國(guó)專利申請(qǐng)DE3711927C1，也進(jìn)行了相似的研究，不同的時(shí)滾壓輪設(shè)置方式不同；1995年中國(guó)專利申請(qǐng)CN1151917A，三滾輪同向同步轉(zhuǎn)動(dòng)，工件頭端送進(jìn)三滾輪間，三滾輪徑向定距擠壓工件，帶動(dòng)工件滾動(dòng)并推動(dòng)工件軸向進(jìn)給，直至工件離開(kāi)滾輪，完成齒輪滾軋過(guò)程；1998年德國(guó)專利申請(qǐng)DE19827499A，在每個(gè)滾壓輪的安裝座上設(shè)置兩個(gè)支撐輥用于支撐滾壓輪，起到穩(wěn)定支撐作用，同時(shí)避免了滾壓輪與安裝座之間的摩擦力過(guò)大；2000年美國(guó)專利申請(qǐng)US20010854068A，在滾壓成型裝置的兩側(cè)傾斜的設(shè)置上料、下料裝置，實(shí)現(xiàn)送料、成形、下料的自動(dòng)化；2016年中國(guó)專利申請(qǐng)CN103008511A，對(duì)工件進(jìn)行中高頻感應(yīng)加熱，振動(dòng)器通過(guò)夾具與坯料軸向串聯(lián)，在齒輪滾軋過(guò)程中一定變形溫度下對(duì)坯料施加軸向振動(dòng)，降低了金屬的變形抗力， 改善了坯料與模具間的摩擦狀況；2017年國(guó)際專利申請(qǐng)WO2018024354A1，三個(gè)滾壓輪同向旋轉(zhuǎn)對(duì)工件滾壓成形，在滾壓輪的齒頂部分設(shè)置滾珠，可以對(duì)齒輪的齒形的齒根部分進(jìn)行圓滑的滾壓，得到齒根具有圓弧形的齒輪。

3 小結(jié)

從國(guó)外圓柱齒輪滾軋成形技術(shù)專利技術(shù)發(fā)展來(lái)看，該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，國(guó)內(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，由于國(guó)外的相應(yīng)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，因此，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人借鑒了國(guó)外的各種先進(jìn)技術(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)自主研發(fā)，后期的國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的研究主要集中在軋輥輥形、齒形的優(yōu)化等方面，設(shè)計(jì)出適合復(fù)雜工件加工的軋輥裝置，同時(shí)提高裝置的自動(dòng)化程度，和齒輪的成形精度。