PL244836B1

PL244836B1 - Cylindrical die for obtaining gears and method of producing gears

Info

Publication number: PL244836B1
Application number: PL437610A
Authority: PL
Inventors: Jacek Michalczyk; Sylwia Wencel; Sebastian Mróz; Piotr Szota; Maciej Suliga
Original assignee: Politechnika Czestochowska
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2024-03-11
Also published as: PL437610A1

Abstract

Cylindryczna matryca do otrzymywania kół zębatych charakteryzuje się tym, że ma kształt cylindra i posiada od wewnątrz wyżłobienia (5) na całej długości i obwodzie o głębokości nie mniejszej niż 1/3 długości uzębienia dla gotowego wyrobu oraz część roboczą w postaci występu (6), którego długość występu wynosi nie mniej niż 2/3 długości uzębienia dla gotowego wyrobu a także część roboczą w postaci występu (7), którego długość występu jest równa długości uzębienia dla gotowego wyrobu. Przedmiotem zgłoszenia jest także sposób wytwarzania kół zębatych.The cylindrical matrix for obtaining gears is characterized by the fact that it has the shape of a cylinder and has grooves (5) on the inside along the entire length and circumference with a depth of not less than 1/3 of the length of the teeth for the finished product and a working part in the form of a protrusion (6), the length of the projection is not less than 2/3 of the length of the teeth for the finished product, as well as the working part in the form of a projection (7), the length of which is equal to the length of the teeth for the finished product. The subject of the application is also a method of producing gears.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kół zębatych, przeznaczony do zastosowania w branży przetwórstwa metali żelaznych i nieżelaznych, zwłaszcza w przemyśle maszynowym, metalurgicznym, zbrojeniowym, motoryzacyjnym a w szczególności do wytwarzania uzębień prostych, skośnych i łukowych oraz żeber do radiatorów oraz cylindryczna matryca do otrzymywania kół zębatych.The subject of the invention is a method for producing gears, intended for use in the ferrous and non-ferrous metals processing industry, especially in the machinery, metallurgical, armaments, automotive industries, and in particular for the production of straight, helical and arc teeth as well as fins for heat sinks, as well as a cylindrical matrix for obtaining gears. .

Powszechnie znany jest sposób kucia odkuwek z żebrami na powierzchni bocznej polegający na spęczaniu nagrzanego wsadu w postaci płaskiego krążka metalowego z jednoczesnym wypełnianiem dolej matrycy i komór w matrycy bocznej, gdzie kształtowane są żebra na powierzchni bocznej. Sposób ten z uwagi na znaczny opór plastyczny materiału podczas kształtowania żeber bocznych w komorach matrycy wymaga podgrzewania narzędzi do temperatury zbliżonej do temperatury wsadu. Długość żeber ograniczona jest promieniem matrycy.A commonly known method of forging forgings with ribs on the side surface involves upsetting the heated charge in the form of a flat metal disc while simultaneously filling the bottom of the die and the chambers in the side die, where the ribs on the side surface are shaped. This method, due to the significant plastic resistance of the material when shaping the side ribs in the die chambers, requires heating the tools to a temperature close to the temperature of the charge. The length of the ribs is limited by the die radius.

Znany jest z opisu patentowego PL218673 sposób kątowego wyciskania wyrobów, zwłaszcza metalowych polegający na wypychaniu materiału wsadowego z pojemnika przez otwór lub otwory matrycy w kierunku odmiennym niż przesuwający się stempel. Sposób wyciskania kątowego charakteryzuje się tym, że umieszczony w pojemniku po przeciwnej stronie stempla, co najmniej jeden trzpień wprowadzany jest w ruch obrotowy względem swojej osi, korzystny jest ruch cyklicznie obustronnie obrotowy, przy czym trzpień posiada na swojej powierzchni czołowej nierówności. Sposób ten rzadko znajduje zastosowanie przemysłowe przy wytwarzaniu wyrobów z użebrowaniem bocznym, częściej natomiast stosowany jest do badań rozdrabniania struktury w materiałach metalicznych.A method of angular extrusion of products, especially metal ones, is known from the patent description PL218673, which involves pushing the input material out of the container through the hole or holes in the die in a direction different from that of the moving punch. The angular extrusion method is characterized by the fact that, placed in a container on the opposite side of the punch, at least one pin is put into rotation relative to its axis, preferably cyclically rotating on both sides, and the pin has irregularities on its front surface. This method is rarely used industrially in the production of products with side ribs, but is more often used to study the fragmentation of the structure in metallic materials.

Znany jest z opisu patentowego PL206401 sposób polegający na poddawaniu umieszczonego w pojemniku materiału wyciskaniu do promieniowo rozmieszczonych komór, a następnie wyciskaniu współbieżnemu przez połączone z komorami otwory matryc i otrzymywaniu tym samym profili, takich jak pręty, druty, rury, kształtowniki.A method is known from the patent description PL206401, which involves extrusion of the material placed in the container into radially arranged chambers, and then co-extrusion through die openings connected to the chambers, thus obtaining profiles such as rods, wires, pipes, and shapes.

Znany jest z opisu patentowego PL219501 opis sposobu kształtowania w wykroju zamkniętym radiatora polegający na tym, że półfabrykat w kształcie płyty nagrzewa się w piecu do temperatury kucia na gorąco, a następnie nagrzany półfabrykat umieszcza się w wykroju zamkniętym, który utworzony jest przez płytę dolną matrycę stałą, stempel boczny i dwie listwy oporowe, po czym wprawia się stempel boczny z wgłębieniem o zarysie półokrągłym w części kształtującej w ruch postępowy ze stałą prędkością w kierunku matrycy stałej i spęcza się odcinek półfabrykatu i kształtuje się żebro w przestrzeni ograniczonej czołowymi powierzchniami matrycy stałej oraz stempla bocznego. Czynność tę powtarza się w zależności od ilości wykonywanych żeber na powierzchni.A description of a method for shaping a radiator in a closed blank is known from the patent description PL219501, in which a plate-shaped semi-finished product is heated in a furnace to the hot forging temperature, and then the heated semi-finished product is placed in a closed blank, which is formed by a fixed die through the lower plate. , a side punch and two stop strips, then the side punch with a semi-circular recess in the forming part is set in translational motion at a constant speed towards the fixed die, a section of the semi-finished product is upset and a rib is formed in the space limited by the front surfaces of the fixed die and the punch. side. This operation is repeated depending on the number of ribs made on the surface.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu wytwarzania kół zębatych, zwłaszcza kół o uzębieniu prostym, skośnym, łukowym lub żeber radiatorów, który umożliwi formowanie wyrobu z wsadu w postaci płaskich krążków lub krótkich odcinków prętów, przy stosunkowo niskiej temperaturze początkowej wsadu, wykorzystując energię odkształcenia plastycznego wytworzoną w początkowej fazie procesu spęczania oraz wstępne uformowanie uzębienia na wyżłobieniu matrycy, a tym samym spowoduje obniżenie parametrów siłowych całego procesu, ale przede wszystkim pozwoli na kształtowanie uzębień lub żeber o bardziej skomplikowanej geometrii niż to ma miejsce w innych sposobach wytwarzania metodami kucia i wyciskania.The purpose of the invention is to develop a method for producing gears, especially gears with straight, helical, arc teeth or radiator fins, which will enable the formation of a product from a charge in the form of flat disks or short sections of rods, at a relatively low initial temperature of the charge, using the energy of plastic deformation generated in the initial phase of the upsetting process and the initial formation of the teeth on the die groove, and thus will reduce the force parameters of the entire process, but above all, it will allow the shaping of teeth or ribs with more complex geometry than in other manufacturing methods by forging and extrusion.

Sposób według wynalazku polega na tym, że metalowy wsad o objętości zbliżonej do objętości gotowego wyrobu z uzębieniem, w postaci płaskiego krążka lub krótkiego odcinka pręta zostaje podgrzany do temperatury odkształceń plastycznych na gorąco lub niższej i umieszczony wewnątrz unieruchomionej cylindrycznej matrycy pomiędzy dwoma współosiowo usytuowanymi stemplami zaopatrzonymi na całej długości i po całym obwodzie w uzębienie, przy czym dolny stempel ogranicza matrycę od dołu, a górny ogranicza matrycę od góry. Początkowo wsad dociska się stemplem górnym z niewielką siłą w celu uzyskania współosiowości z matrycą.The method according to the invention consists in the fact that a metal charge with a volume similar to the volume of the finished product with teeth, in the form of a flat disk or a short section of a rod, is heated to the temperature of hot plastic deformation or lower and placed inside a fixed cylindrical matrix between two coaxially located punches equipped with along the entire length and around the entire circumference into the teeth, with the lower punch limiting the die from below and the upper punch limiting the die from above. Initially, the charge is pressed with a small force using the upper punch to achieve coaxiality with the matrix.

Matryca na całej wysokości wyposażona jest od wewnątrz w wyżłobienia o geometrii odpowiadającej uzębieniu wytwarzanego wyrobu i głębokości wyżłobienia około Y długości uzębienia gotowego wyrobu. Matryca dodatkowo posiada dwie części robocze, dolny występ i górny występ, z których dolny występ ma wymiar nie mniej niż % długości uzębienia gotowego wyrobu, a górny wysęp ma wymiar odpowiadający całkowitej długości dla uzębienia gotowego wyrobu.The entire height of the die is equipped on the inside with grooves with a geometry corresponding to the toothing of the product being manufactured and the groove depth approximately Y to the tooth length of the finished product. The die additionally has two working parts, a lower projection and an upper projection, of which the lower projection has a dimension of not less than % of the length of the teeth of the finished product, and the upper projection has a dimension corresponding to the total length of the teeth of the finished product.

Początkowo podgrzany wsad umieszczony zostaje w matrycy pomiędzy dolnym i górnym występem przy unieruchomionym dolnym stemplu i poddawany spęczaniu poprzez nacisk górnego stempla, aż do chwili wypełnienia przez materiał wsadu wyżłobień w matrycy i wstępnym ukształtowaniu zarysu uzębienia na bocznej powierzchni wyrobu, po czym dolny stempel i górny stempel, przemieszczając się w dół z jednakową prędkością, przeciągają znajdujący się pomiędzy powierzchniami czołowymi stempli wsad przez dolny występ, kalibrując uzębienie do długości około % długości uzębienia gotowego wyrobu, a następnie dolny stempel i górny stempel, przemieszczając się z powrotem do góry, nadal z jednakową prędkością, przeciągają wsad przez górny występ, kalibrując uzębienie na długość uzębienia dla gotowego wyrobu. Dolny stempel i górny stempel na całej długości i po całym obwodzie wyposażone są w uzębienie odpowiadające geometrii uzębienia górnego występu, przez co możliwe jest wypchnięcie wyrobu z matrycy po zakończeniu procesu formowania koła zębatego bez kolizji z uzębieniem matrycy.Initially, the heated charge is placed in the die between the lower and upper projections with the lower punch immobilized and is upset by the pressure of the upper punch until the material fills the grooves in the matrix and the initial shaping of the tooth outline on the side surface of the product, after which the lower punch and the upper the punch, moving down at the same speed, pull the stock located between the punch faces through the lower projection, calibrating the teeth to a length of approximately % of the tooth length of the finished product, and then the lower punch and the upper punch, moving back up, still with at the same speed, they pull the load through the upper projection, calibrating the teeth to the length of the teeth for the finished product. The lower punch and the upper punch are equipped with teeth along their entire length and circumference corresponding to the geometry of the teeth of the upper protrusion, which makes it possible to push the product out of the die after completing the gear forming process without colliding with the die's teeth.

Zaletą sposobu według wynalazku w stosunku do znanych metod kucia oraz wyciskania kół zębatych i wyrobów z użebrowaniem na powierzchni bocznej jest to, że siła potrzebna do plastycznego kształtowania wyrobu jest znacznie mniejsza niż w powszechnie stosowanych metodach kucia lub wyciskania z uwagi na specyficzny schemat połączonego wstępnego spęczania i przeciągania wsadu oraz możliwe jest szybkie usuwanie wsadu po zakończeniu procesu za pomocą dolnego stempla.The advantage of the method according to the invention in relation to known methods of forging and extruding gears and products with ribs on the side surface is that the force needed to plastically shape the product is much lower than in commonly used forging or extrusion methods due to the specific scheme of combined pre-swelling. and pulling the batch, and it is possible to quickly remove the batch after the process is completed using the lower punch.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym: Fig. 1 przedstawia w przekroju wzdłużnym schematycznie stan wyjściowy procesu przed operacją wytwarzania koła zębatego, Fig. 2 przedstawia schematycznie proces spęczania wsadu ze wstępnym formowaniem uzębienia na wyżłobieniu, Fig. 3 przedstawi a schematycznie etap procesu po przeciągnięciu wsadu przez dolny występ części roboczej matrycy, Fig. 4 przedstawi a schematycznie proces przeciągania przez górny występ części roboczej matrycy. Na Fig 5a. uwidoczniono przekrój wzdłużny przez matrycę z rozmieszczonymi wyżłobieniami i częściami roboczymi w postaci występów, Fig, 5b przedstawia przekrój poprzeczny górnego występu w części roboczej matrycy, Fig. 5c przedstawia przekrój poprzeczny przez wyżłobienia w matrycy, Fig. 5d przedstawia przekrój poprzeczny dolnego występu w części roboczej matrycy, Fig 6, 7, 8 przedstawiają w widoku przestrzennego modelu przykładowy wyrób koła z uzębieniem po procesie spęczania i przepychania, a Fig. 9 - koło w widoku ogólnym.The subject of the invention is shown in an example embodiment in the drawing, in which: Fig. 1 shows, in a longitudinal section, schematically, the initial state of the process before the gear manufacturing operation, Fig. 2 shows schematically the process of upsetting the stock with the initial formation of the teeth on the groove, Fig. 3 shows a schematically, the stage of the process after pulling the batch through the lower projection of the working part of the die, Fig. 4 schematically shows the process of pulling it through the upper projection of the working part of the die. In Fig 5a. a longitudinal section through the die with arranged grooves and working parts in the form of projections is visible, Fig. 5b shows a cross-section of the upper projection in the working part of the die, Fig. 5c shows a cross-section through the grooves in the matrix, Fig. 5d shows a cross-section of the lower projection in the working part matrix, Fig. 6, 7, 8 show an example of a wheel product with teeth after the upsetting and pushing process in a three-dimensional model, and Fig. 9 - a general view of the wheel.

Przykład. W celu przeprowadzenia sposobu według wynalazku wykorzystano nagrzany do temperatury nie mniejszej niż 450°C metalowy wsad 1 ze stopu AlMgSi, cylindryczną matrycę 2, w której od dołu umieszczono współosiowo stempel dolny 3, a od góry umieszczono współosiowo stempel górny 4. Dodatkowo matryca została wyposażona od wewnątrz na całej swojej wysokości i po całym obwodzie w wyżłobienia 5 o głębokości nie mniejszej niż 3 mm, korzystnie jest nie więcej niż ¹Z długości uzębienia gotowego wyrobu oraz w dwie części robocze w postaci występów, gdzie dolny występ 6 ma długość nie większą niż 6 mm, korzystnie jest nie więcej niż % długości uzębienia gotowego wyrobu, a górny występ 7 ma długość równą długości uzębienia gotowego wyrobu, która wynosi 10 mm.Example. In order to carry out the method according to the invention, a metal charge 1 made of an AlMgSi alloy, heated to a temperature of not less than 450°C, was used, as well as a cylindrical die 2 in which the lower punch 3 was placed coaxially at the bottom and the upper punch 4 was placed coaxially at the top. Additionally, the die was equipped with from the inside, along its entire height and around the entire circumference, into grooves 5 with a depth of not less than 3 mm, preferably not more than ¹ Z of the length of the teeth of the finished product, and into two working parts in the form of projections, where the lower projection 6 has a length of not more than 6 mm, preferably not more than % of the tooth length of the finished product, and the upper projection 7 has a length equal to the tooth length of the finished product, which is 10 mm.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku wsad 1 umieszcza się w cylindrycznej matrycy 2 na powierzchni czołowej dolnego stempla 3 i wsad 1 dociska się od góry stemplem górnym 4 z niewielką siłą w celu zapewnia współosiowości wsadu 1 z matrycą 2. Początkowo wsad 1 umieszczony jest pomiędzy częściami roboczymi 6 i 7 matrycy 2, po czy zostaje poddany operacji spęczania do chwili aż stempel dolny 3 i stempel górny 4 osiągną między sobą odpowiednią odległość, która odpowiada wysokości gotowego wyrobu oraz gdy odkształcony metal wypełni wyżłobienia 5 w obszarze pomiędzy występami 6 i 7. Następnie dolny stempel 3 i górny stempel 4, przemieszczając się w dół z jednakową prędkością, przeciągają wsad 1 przez dolny występ 6, kalibrując uzębienie wyrobu na długość co najmniej 3 mm, po czym stempel dolny 3 i stempel górny 4 przemieszczają się z powrotem do góry z jednakową prędkością przeciągając wsad 1 przez górny występ 7, kalibrując uzębienie wyrobu na gotowy długość uzębienia o długości 10 mm. Po zakończeniu procesu dolny stempel 3 wypycha z matrycy gotowy wyrób w postaci koła zębatego.According to the method according to the invention, the charge 1 is placed in a cylindrical die 2 on the front surface of the lower punch 3 and the charge 1 is pressed from above with the upper punch 4 with a slight force in order to ensure coaxiality of the charge 1 with the die 2. Initially, the charge 1 is placed between the working parts 6 and 7 of the matrix 2, then it is subjected to an upsetting operation until the lower punch 3 and the upper punch 4 reach the appropriate distance between them, which corresponds to the height of the finished product and when the deformed metal fills the grooves 5 in the area between the protrusions 6 and 7. Then the lower punch 3 and the upper punch 4, moving down at the same speed, pull the charge 1 through the lower protrusion 6, calibrating the toothing of the product to a length of at least 3 mm, and then the lower punch 3 and the upper punch 4 move back up at the same speed. speed by pulling the charge 1 through the upper protrusion 7, calibrating the toothing of the product to a finished tooth length of 10 mm. After the process is completed, the lower punch 3 pushes the finished product out of the die in the form of a gear wheel.

Claims

1. Cylindrical die for obtaining gears, characterized in that it has the shape of a cylinder and has grooves (5) on the inside along the entire length and circumference with a depth of not less than ¹ Z of the length of the teeth for the finished product and a working part in the form of a protrusion (6), the length of the projection is not less than % of the length of the teeth for the finished product, as well as the working part in the form of a projection (7), the length of which is equal to the length of the teeth for the finished product.

2. A method of producing gears consisting in placing a previously heated metal charge in a cylindrical die between two coaxially placed punches and then upsetting, characterized in that the charge (1) is placed between the lower punch (3) and the upper punch (4), which move downwards with a constant and uniform speed, they pull the charge (1) through the protrusion (6), where the initial teeth are calibrated to a dimension not less than % of the total dimension of the tooth length for the finished product, and then the lower punch (3) and the upper punch (4) ), moving back up with a constant and uniform speed, they pull the charge (1) through the protrusion (7), where the teeth are again calibrated to the length of the teeth for the finished product.

3. The method according to claim 1, characterized in that during upsetting the charge (1) is placed between the protrusion (6) and the protrusion (7) and, as a result of upsetting, a preliminary tooth outline is formed on the side surface in the groove (5), the length of which is not less than Z of the total length dimension teeth for the finished product.