圆柱齿轮滚轧成形技术专利发展研究

王稳稳

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

滚轧成形是一种将锻造和轧制相融合，实现齿轮无切削精密塑性成形的新工艺。它既保留了展成加工通用性好的优点，也避免了成形载荷大、脱模困难等问题。滚轧是指一个或多个同向旋转的滚压模具带动坯料旋转同时径向进给挤压坯料，使坯料产生塑性变形得到所需锻件或锻坯的塑性成形工艺，它属于成形轧制（纵轧）的一种。国内外有关齿轮滚轧的研究报道主要提出了两种基本成形方法：齿条滚轧成形及轧辊滚轧成形[1]。

齿条滚轧成形如图1所示，上下两齿条在传动机构的作用下同步反向运动，坯料在摩擦力和径向挤压力的作用下滚动成形。

图1 齿条滚轧成形

轧辊滚轧成形工艺分为普通轧辊滚轧加工和行星滚轧加工；普通轧辊滚轧加工根据轧辊的数量分为单辊、双辊、三辊滚轧加工成形[2]，如图2所示。

图2 轧辊滚轧成形

1 圆柱齿轮滚轧成形技术专利申请分析

1.1 圆柱齿轮滚轧成形全球专利申请量变化

早在1965年，采用圆柱齿轮滚轧成形技术在国外就已经出现，到1968年专利申请量快速增长，到了20世纪末进入巅峰时期，进入21世纪后，专利申请量逐渐减少，但是仍然有比较平稳的申请量，从图2-1可以看出圆柱齿轮滚轧成形技术在1986～2004年得到快速发展，专利申请量在1986～1996年明显增加，在1996年达到高峰期后，增速变缓，但是申请总量仍然较高。

图3 全球专利申请量国别分布

2 圆柱齿轮滚轧成形专利技术发展分析

圆柱齿轮滚轧成形主要分为平板滚轧成形、双辊滚轧成形、三辊滚轧成形，双辊滚轧的申请量最为突出，占总申请量的47%，平板滚轧成形的申请量也比较多，占总申请量的31%。

2.1 平板滚轧成形技术

平板滚轧成形是利用一对装有齿形结构模具的齿条做相向运动，对坯料进行搓齿成形，使坯料与齿条模具啮合发生塑性变形，971年美国的专利申请US3672203A开始采用平板模对齿轮进行滚轧成形，通过相对于设置的两个平板模相对运动，随着平板齿条的运动带动坯料滚动，使坯料与平板齿条啮合发生相对运动，成形为最终目标齿形；到了1974年美国申请US3872699A对该项技术进行进一步优化，在平板模前端的咬入部分设置防滑的衬垫，保证坯料能够以特定的速度稳定的咬入平板模的齿条部分，能够保证坯料咬入平板模时能够稳定的进行分齿；随后苏联在1979年的申请SU923689A1通过在平板模的咬入端设置与坯料形状匹配的圆形槽，从而坯料可以稳定的咬入平板模内，而且，将平板模的齿形的节距和齿高设置为逐渐增加的形式，通过液压缸带动平板模来回移动，带动工件移动逐渐成型齿高、节距逐渐增加的齿形，直到成形完整的齿轮；1992年中国申请CN2131631Y将平板模的上部齿条设置为动齿条，下部齿条设置为定齿条，且将每一个齿条分区设置为三个部分，其中第1段是过渡段，第2段是粗成形段，第3段是精成形段，过渡段齿条齿形的齿高与齿厚是渐增的，故此动齿条所受阻力逐渐增加、变化平缓，第2段齿条为平直段，在该段，齿形的齿厚逐渐增加，逐渐正确，在毛坯滚出第2段后齿形已基本正确，在通过第3段时，利用具有正确齿形的齿条与齿坯轮齿啮合，导致齿坯轮齿进一步塑性变形，直至形成正确齿形；1998年日本专利申请JP2000024741A，通过在成形过程中多次改变滚压模的移动速度，在平板模的齿条的顶端为低速区域，随后进入加速区域，当达到最高速度区域时，进入减速区，然后再进入最低速度区域，通过改变成形速度可以减小成型时的振动以及畸变；1999年日本专利申请JP2001001098A通过喷嘴向平板模的齿条上喷射油雾，在齿条和工件上形成一层油膜，减少成形时的摩擦力，而且，将平板模的齿形设计为中间没有齿条的过渡段，减小滚压成形时的变形力，提高了齿形的精度；2002年日本专利申请JP2004074163A，将相对称设置的平板模设置为相互交错的一对平板模，两个相对的平板模上设置对称的、倾斜的齿条，从而可以滚压出人字形齿轮；2006年日本专利申请JP2007216289A将平板齿条设置为包含不在同一高度上的齿顶左端和右端，两者形成一个台阶面，通过两个相对设置的带有台阶面的平板模相对运动，从而可以成形台阶齿轮；2014年日本申请JP2016007608A，在底板上设置两段平板模具，分为咬入阶段、成形阶段和精轧阶段，通过设置不同的齿形，可以使坯料逐渐过渡到精确的齿形，提高齿轮齿形的精度。

2.2 双辊滚轧成形技术

双辊滚轧成形的专利申请量比较多，由于其结构比较简单，而且，结构比较稳定，应用比较广泛，1965年美国专利申请US19650516929A，将工件用顶尖支撑固定在两个相对设置的滚压轮之间，将滚压轮上齿形齿顶的压力角和齿根的压力角设置为相等，通过电机驱动滚压轮旋转，对工件进行滚压成形；1967年美国专利申请US61875067A，将滚压轮设置为一个为固定滚压轮一个为可动滚压轮，工件被夹持在两个滚压轮之间，而且在工作之前，将工件向固定滚压轮移动，移动到工作位置，然后驱动移动滚压轮移动到工作位置；1967年美国专利申请US3531976A，将滚压轮设置为包括一对安装轴向相互平行的滚压轮，每一个滚压轮包括两个成对设置的扇形齿轮单元，两个扇形单元通过螺栓连接起来，其中一个为右旋齿齿形，另一个为左旋齿齿形，两个构成人字形齿形，通过两个相对设置的人字形滚压轮可以成形人字形齿轮，相比于传统的切削加工方法，提高了成形质量和效率；1969年德国专利申请DE2025659A1，改进了工件和滚压轮的运动方式，坯料被夹持定位在两个可旋转的滚压轮之间，两个滚压轮可以相对移动从而靠近或远离工件，工件固定不动的方式可以避免工件移动过程中引起的晃动；1974年苏联专利申请SU503619A1，在工件的下部设置一个光滑的辊轮起到支撑工件的作用，而且，还设置弹簧结构，缓冲滚压成形过程中的力，提高了工件在旋转成形过程中的稳定性；1980年苏联申请SU935186A1，在滚压轮固定装置的一侧设置缓冲弹簧，来缓冲滚压轮旋转过程中的力，避免滚压产生晃动；1980年苏联专利申请SU940973A1，将一对滚压轮设置为上下两个并列设置的大辊、小辊，通过两个不同旋转方向设置的滚压轮成型出台阶形齿轮；1981年苏联申请SU1016006A1，在轧机上设置滑块和导轨，滚压轮沿着导轨移动到工作位置，过滑块和导轨移动可以提高其移动过程中的稳定性，而且两个滚压轮通过同一个驱动装置驱动，提高两者之间运动的同步性；1986年苏联专利申请SU4085360A，研究了热塑性齿轮的热轧成形方法，通过加热线圈将轧辊加热，并将热量传递给工件，控制热膨胀系数在一定的范围内，避免直接对工件进行加热时，对工件造成的不利影响；1995年日本专利申请，通过固定装置将多个毛坯齿轮固顶在移动，在多个滚压轮进行旋转滚压时，通过电机驱动毛坯也进行同步旋转，保证同时成形多个滚压轮时有足够的旋转动力；1995年日本专利申请JPH03169447A，为了提高工件的表面质量和轧辊的使用寿命，在工件的底部用支撑装置支撑，而不是悬空设置，可以避免工件滚轧过程中的振动；1999年日本专利申请JP4201299B2，将工件的滚轧成形过程分为四个阶段，第一阶段对工件的外围进行成形，以较小的切入量对工件进行滚轧，到第二阶段、第三阶段逐渐增加切入量，直至最终滚轧成形，然后进入第四阶段对齿形进行精整直到滚轧出精确的齿形；2013年日本专利申请JP6307877B2，滚压轮的模齿包括用于在杆形材料的外周缘表面上生成齿轮齿的成形模齿和通过与生成的齿轮齿接合并且旋转来提高生成的齿轮齿的齿表面精度的精轧模齿，精轧模齿的构型形成为均具有不与生成的齿轮齿的齿槽底面接触的齿顶，精轧模齿(T2) 的齿高比所述成形模齿(T1)的齿高更短，对齿形合理的设计提高齿轮的成形精度；2014年中国专利申请CN104438993A，在工件的顶部设置一个圆柱轮，圆柱轮对坯料逐渐成形的齿形齿顶进行碾压，随着齿形齿顶沿径向逐渐长高，圆柱轮逐渐进行径向回退运动，滚圆齿形齿顶滚轧中形成的突耳，获得齿顶相对平整的无突耳或者小突耳的成形齿轮；2016年中国专利申请CN106391955A，芯棒将多个齿轮串接起来，液压缸推动齿轮在导轨上滑动，齿坯完全穿过左轧轮和右轧轮时，完成轴向轧制，对大模数齿轮快速分齿，而且也能避免乱齿、多齿或少齿现象发生；2017年中国专利申请CN106807865A，滚压轮在轴向上分为分齿区、成形区和精整区，成形区的齿形节距逐渐减小到标准齿形的节距，同时，精整区的齿形节距不变，而齿形的齿顶尺寸逐渐减小，逐渐减小到标准齿形啮合的齿顶尺寸；2017年中国专利申请CN107626863A，将切入段设计为齿高线性增大、而压力角逐渐减小的轮齿，校准段的齿全高和压力角均不发生变化，退出段的齿高和齿厚逐渐减小，以避免轧轮轮齿脱离齿坯时划伤齿面。

2.3 三辊滚轧成形技术

三辊滚轧成形由于其结构相对于两辊滚轧成形技术复杂，有关三辊滚轧成形技术的研究比较少，1984年美国专利申请US4571972A，率先采用三辊滚轧成形技术用于滚压成形齿轮，将三个滚压轮在圆周方向上对称设置，对处于三个滚压轮中间的坯料进行滚轧成形；1987年德国专利申请DE3711927C1，也进行了相似的研究，不同的时滚压轮设置方式不同；1995年中国专利申请CN1151917A，三滚轮同向同步转动，工件头端送进三滚轮间，三滚轮径向定距挤压工件，带动工件滚动并推动工件轴向进给，直至工件离开滚轮，完成齿轮滚轧过程；1998年德国专利申请DE19827499A，在每个滚压轮的安装座上设置两个支撑辊用于支撑滚压轮，起到稳定支撑作用，同时避免了滚压轮与安装座之间的摩擦力过大；2000年美国专利申请US20010854068A，在滚压成型装置的两侧倾斜的设置上料、下料装置，实现送料、成形、下料的自动化；2016年中国专利申请CN103008511A，对工件进行中高频感应加热，振动器通过夹具与坯料轴向串联，在齿轮滚轧过程中一定变形温度下对坯料施加轴向振动，降低了金属的变形抗力， 改善了坯料与模具间的摩擦状况；2017年国际专利申请WO2018024354A1，三个滚压轮同向旋转对工件滚压成形，在滚压轮的齿顶部分设置滚珠，可以对齿轮的齿形的齿根部分进行圆滑的滚压，得到齿根具有圆弧形的齿轮。

3 小结

从国外圆柱齿轮滚轧成形技术专利技术发展来看，该技术领域的技术已经趋于成熟，国内该技术领域的发展起步较晚，由于国外的相应技术发展已经非常成熟，因此，国内申请人借鉴了国外的各种先进技术，在现有技术的基础上加强自主研发，后期的国内申请的研究主要集中在轧辊辊形、齿形的优化等方面，设计出适合复杂工件加工的轧辊装置，同时提高装置的自动化程度，和齿轮的成形精度。