圓柱齒輪滾軋成形技術專利發展研究

王穩穩

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

滾軋成形是一種將鍛造和軋制相融合，實現齒輪無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點，也避免了成形載荷大、脫模困難等問題。滾軋是指一個或多個同向旋轉的滾壓模具帶動坯料旋轉同時徑向進給擠壓坯料，使坯料產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。國內外有關齒輪滾軋的研究報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，上下兩齒條在傳動機構的作用下同步反向運動，坯料在摩擦力和徑向擠壓力的作用下滾動成形。

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軋輥的數量分為單輥、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專利申請分析

1.1 圓柱齒輪滾軋成形全球專利申請量變化

早在1965年，采用圓柱齒輪滾軋成形技術在國外就已經出現，到1968年專利申請量快速增長，到了20世紀末進入巔峰時期，進入21世紀后，專利申請量逐漸減少，但是仍然有比較平穩的申請量，從圖2-1可以看出圓柱齒輪滾軋成形技術在1986～2004年得到快速發展，專利申請量在1986～1996年明顯增加，在1996年達到高峰期后，增速變緩，但是申請總量仍然較高。

圖3 全球專利申請量國別分布

2 圓柱齒輪滾軋成形專利技術發展分析

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，雙輥滾軋的申請量最為突出，占總申請量的47%，平板滾軋成形的申請量也比較多，占總申請量的31%。

2.1 平板滾軋成形技術

平板滾軋成形是利用一對裝有齒形結構模具的齒條做相向運動，對坯料進行搓齒成形，使坯料與齒條模具嚙合發生塑性變形，971年美國的專利申請US3672203A開始采用平板模對齒輪進行滾軋成形，通過相對于設置的兩個平板模相對運動，隨著平板齒條的運動帶動坯料滾動，使坯料與平板齒條嚙合發生相對運動，成形為最終目標齒形；到了1974年美國申請US3872699A對該項技術進行進一步優化，在平板模前端的咬入部分設置防滑的襯墊，保證坯料能夠以特定的速度穩定的咬入平板模的齒條部分，能夠保證坯料咬入平板模時能夠穩定的進行分齒；隨后蘇聯在1979年的申請SU923689A1通過在平板模的咬入端設置與坯料形狀匹配的圓形槽，從而坯料可以穩定的咬入平板模內，而且，將平板模的齒形的節距和齒高設置為逐漸增加的形式，通過液壓缸帶動平板模來回移動，帶動工件移動逐漸成型齒高、節距逐漸增加的齒形，直到成形完整的齒輪；1992年中國申請CN2131631Y將平板模的上部齒條設置為動齒條，下部齒條設置為定齒條，且將每一個齒條分區設置為三個部分，其中第1段是過渡段，第2段是粗成形段，第3段是精成形段，過渡段齒條齒形的齒高與齒厚是漸增的，故此動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，在通過第3段時，利用具有正確齒形的齒條與齒坯輪齒嚙合，導致齒坯輪齒進一步塑性變形，直至形成正確齒形；1998年日本專利申請JP2000024741A，通過在成形過程中多次改變滾壓模的移動速度，在平板模的齒條的頂端為低速區域，隨后進入加速區域，當達到最高速度區域時，進入減速區，然后再進入最低速度區域，通過改變成形速度可以減小成型時的振動以及畸變；1999年日本專利申請JP2001001098A通過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，減少成形時的摩擦力，而且，將平板模的齒形設計為中間沒有齒條的過渡段，減小滾壓成形時的變形力，提高了齒形的精度；2002年日本專利申請JP2004074163A，將相對稱設置的平板模設置為相互交錯的一對平板模，兩個相對的平板模上設置對稱的、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JP2007216289A將平板齒條設置為包含不在同一高度上的齒頂左端和右端，兩者形成一個臺階面，通過兩個相對設置的帶有臺階面的平板模相對運動，從而可以成形臺階齒輪；2014年日本申請JP2016007608A，在底板上設置兩段平板模具，分為咬入階段、成形階段和精軋階段，通過設置不同的齒形，可以使坯料逐漸過渡到精確的齒形，提高齒輪齒形的精度。

2.2 雙輥滾軋成形技術

雙輥滾軋成形的專利申請量比較多，由于其結構比較簡單，而且，結構比較穩定，應用比較廣泛，1965年美國專利申請US19650516929A，將工件用頂尖支撐固定在兩個相對設置的滾壓輪之間，將滾壓輪上齒形齒頂的壓力角和齒根的壓力角設置為相等，通過電機驅動滾壓輪旋轉，對工件進行滾壓成形；1967年美國專利申請US61875067A，將滾壓輪設置為一個為固定滾壓輪一個為可動滾壓輪，工件被夾持在兩個滾壓輪之間，而且在工作之前，將工件向固定滾壓輪移動，移動到工作位置，然后驅動移動滾壓輪移動到工作位置；1967年美國專利申請US3531976A，將滾壓輪設置為包括一對安裝軸向相互平行的滾壓輪，每一個滾壓輪包括兩個成對設置的扇形齒輪單元，兩個扇形單元通過螺栓連接起來，其中一個為右旋齒齒形，另一個為左旋齒齒形，兩個構成人字形齒形，通過兩個相對設置的人字形滾壓輪可以成形人字形齒輪，相比于傳統的切削加工方法，提高了成形質量和效率；1969年德國專利申請DE2025659A1，改進了工件和滾壓輪的運動方式，坯料被夾持定位在兩個可旋轉的滾壓輪之間，兩個滾壓輪可以相對移動從而靠近或遠離工件，工件固定不動的方式可以避免工件移動過程中引起的晃動；1974年蘇聯專利申請SU503619A1，在工件的下部設置一個光滑的輥輪起到支撐工件的作用，而且，還設置彈簧結構，緩沖滾壓成形過程中的力，提高了工件在旋轉成形過程中的穩定性；1980年蘇聯申請SU935186A1，在滾壓輪固定裝置的一側設置緩沖彈簧，來緩沖滾壓輪旋轉過程中的力，避免滾壓產生晃動；1980年蘇聯專利申請SU940973A1，將一對滾壓輪設置為上下兩個并列設置的大輥、小輥，通過兩個不同旋轉方向設置的滾壓輪成型出臺階形齒輪；1981年蘇聯申請SU1016006A1，在軋機上設置滑塊和導軌，滾壓輪沿著導軌移動到工作位置，過滑塊和導軌移動可以提高其移動過程中的穩定性，而且兩個滾壓輪通過同一個驅動裝置驅動，提高兩者之間運動的同步性；1986年蘇聯專利申請SU4085360A，研究了熱塑性齒輪的熱軋成形方法，通過加熱線圈將軋輥加熱，并將熱量傳遞給工件，控制熱膨脹系數在一定的范圍內，避免直接對工件進行加熱時，對工件造成的不利影響；1995年日本專利申請，通過固定裝置將多個毛坯齒輪固頂在移動，在多個滾壓輪進行旋轉滾壓時，通過電機驅動毛坯也進行同步旋轉，保證同時成形多個滾壓輪時有足夠的旋轉動力；1995年日本專利申請JPH03169447A，為了提高工件的表面質量和軋輥的使用壽命，在工件的底部用支撐裝置支撐，而不是懸空設置，可以避免工件滾軋過程中的振動；1999年日本專利申請JP4201299B2，將工件的滾軋成形過程分為四個階段，第一階段對工件的外圍進行成形，以較小的切入量對工件進行滾軋，到第二階段、第三階段逐漸增加切入量，直至最終滾軋成形，然后進入第四階段對齒形進行精整直到滾軋出精確的齒形；2013年日本專利申請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與生成的齒輪齒接合并且旋轉來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，對齒形合理的設計提高齒輪的成形精度；2014年中國專利申請CN104438993A，在工件的頂部設置一個圓柱輪，圓柱輪對坯料逐漸成形的齒形齒頂進行碾壓，隨著齒形齒頂沿徑向逐漸長高，圓柱輪逐漸進行徑向回退運動，滾圓齒形齒頂滾軋中形成的突耳，獲得齒頂相對平整的無突耳或者小突耳的成形齒輪；2016年中國專利申請CN106391955A，芯棒將多個齒輪串接起來，液壓缸推動齒輪在導軌上滑動，齒坯完全穿過左軋輪和右軋輪時，完成軸向軋制，對大模數齒輪快速分齒，而且也能避免亂齒、多齒或少齒現象發生；2017年中國專利申請CN106807865A，滾壓輪在軸向上分為分齒區、成形區和精整區，成形區的齒形節距逐漸減小到標準齒形的節距，同時，精整區的齒形節距不變，而齒形的齒頂尺寸逐漸減小，逐漸減小到標準齒形嚙合的齒頂尺寸；2017年中國專利申請CN107626863A，將切入段設計為齒高線性增大、而壓力角逐漸減小的輪齒，校準段的齒全高和壓力角均不發生變化，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劃傷齒面。

2.3 三輥滾軋成形技術

三輥滾軋成形由于其結構相對于兩輥滾軋成形技術復雜，有關三輥滾軋成形技術的研究比較少，1984年美國專利申請US4571972A，率先采用三輥滾軋成形技術用于滾壓成形齒輪，將三個滾壓輪在圓周方向上對稱設置，對處于三個滾壓輪中間的坯料進行滾軋成形；1987年德國專利申請DE3711927C1，也進行了相似的研究，不同的時滾壓輪設置方式不同；1995年中國專利申請CN1151917A，三滾輪同向同步轉動，工件頭端送進三滾輪間，三滾輪徑向定距擠壓工件，帶動工件滾動并推動工件軸向進給，直至工件離開滾輪，完成齒輪滾軋過程；1998年德國專利申請DE19827499A，在每個滾壓輪的安裝座上設置兩個支撐輥用于支撐滾壓輪，起到穩定支撐作用，同時避免了滾壓輪與安裝座之間的摩擦力過大；2000年美國專利申請US20010854068A，在滾壓成型裝置的兩側傾斜的設置上料、下料裝置，實現送料、成形、下料的自動化；2016年中國專利申請CN103008511A，對工件進行中高頻感應加熱，振動器通過夾具與坯料軸向串聯，在齒輪滾軋過程中一定變形溫度下對坯料施加軸向振動，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年國際專利申請WO2018024354A1，三個滾壓輪同向旋轉對工件滾壓成形，在滾壓輪的齒頂部分設置滾珠，可以對齒輪的齒形的齒根部分進行圓滑的滾壓，得到齒根具有圓弧形的齒輪。

3 小結

從國外圓柱齒輪滾軋成形技術專利技術發展來看，該技術領域的技術已經趨于成熟，國內該技術領域的發展起步較晚，由于國外的相應技術發展已經非常成熟，因此，國內申請人借鑒了國外的各種先進技術，在現有技術的基礎上加強自主研發，后期的國內申請的研究主要集中在軋輥輥形、齒形的優化等方面，設計出適合復雜工件加工的軋輥裝置，同時提高裝置的自動化程度，和齒輪的成形精度。