齒輪軸類零件楔橫軋精密成形關(guān)鍵技術(shù)研究

楔橫軋是一種軸類零件成形新工藝。與傳統(tǒng)切削、鍛造工藝相比具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、產(chǎn)品性能好，同時具有軋制成形力小，因而設(shè)備噸位小，投資少成本低等優(yōu)點。 但是傳統(tǒng)楔橫軋技術(shù)只能成形回轉(zhuǎn)體軸類零件，無法成形具有齒形的軸類零件。目前齒輪軸的齒主要是由切削加工方法制造，為節(jié)約金屬材料、提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)在已逐漸采用精密鍛造方法生產(chǎn)小模數(shù)齒輪，如汽車變速箱內(nèi)的小模數(shù)齒輪。但鍛造方法不適合生產(chǎn)大模數(shù)齒輪，因為大模數(shù)齒輪鍛造力巨大而需要龐大的設(shè)備。因而亟需一種高效、節(jié)能、節(jié)材的較大模數(shù)齒輪的生產(chǎn)方法。 本項目取得以下創(chuàng)新性成果： 1)本項目提出將齒輪的范成加工原理與傳統(tǒng)的楔橫軋加工原理相結(jié)合，在軋制成形圓截面軸類零件的同時實現(xiàn)齒形部分的精密軋制成形,不僅可以實現(xiàn)大模數(shù)齒輪軸類零件的近凈成形，而且可以提高齒的承載能力和工作壽命； 2)分析了齒輪軸與模具間的相互作用與運動關(guān)系，揭示了模具與軋件之間即存在齒輪嚙合傳動關(guān)系，又存在滾滑運動關(guān)系。建立了模具與坯料之間運動關(guān)系的數(shù)學模型，推導(dǎo)出計算模具齒距的數(shù)學方程，為確定各階段模具的設(shè)計提供了依據(jù)； 3) 提出了齒的成形方案和設(shè)計模具齒形的方法。針對軋制過程中齒形分度不均的亂齒技術(shù)難題，提出模具由若干階段構(gòu)成并且在任意一個階段內(nèi)所有齒的參數(shù)都相同的模具設(shè)計方法，這樣可以實現(xiàn)各階段模具獨立設(shè)計以及單階段軋制實驗，通過調(diào)整單階段模具參數(shù)就可解決齒形分度不均的亂齒問題，利用齒輪軸軋制實驗和數(shù)值模擬齒輪軸軋制成形，驗證了齒的成形方案和模具齒形的設(shè)計方法是正確的； 4)采用數(shù)值模擬的研究方法，對齒輪軸類零件楔橫軋精密成形的機理和成形規(guī)律等科學問題進行了系統(tǒng)深入的研究。研究了齒輪軸成形過程中應(yīng)力應(yīng)變場及位移場的分布規(guī)律，揭示了齒輪軸類零件精密成形規(guī)律、晶粒組織演變機理； 5) 軋制實驗結(jié)果與有限元仿真模擬結(jié)果基本一致,實驗結(jié)果表明齒輪軸類零件楔橫軋工藝是可行的； 6) 項目成果“萬噸級楔橫軋高質(zhì)量汽車軸類件生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用”對推動行業(yè)技術(shù)進步具有重要作用，經(jīng)濟社會效益顯著。2012年獲河北省科技進步2等獎；項目成果出版科技專著1部；發(fā)表學術(shù)論文43篇，其中SCIE檢索1篇，EI檢索25篇，ISTP檢索2篇；獲授權(quán)國家發(fā)明專利4 項；培養(yǎng)博士生8名、碩士生18名。

本項目提出將齒輪的范成加工原理與傳統(tǒng)的楔橫軋加工原理相結(jié)合，在軋制成形圓截面軸類零件的同時實現(xiàn)齒形部分的精密軋制成形。不僅可以實現(xiàn)齒輪軸類零件的近凈成形，而且可以提高齒輪的承載能力及疲勞壽命。.采用理論分析、數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的研究方法，對齒輪軸類零件楔橫軋精密成形的機理和成形規(guī)律等科學問題進行系統(tǒng)深入的研究。分析齒輪軸與模具間的相互作用與運動關(guān)系，建立描述齒輪軸類零件精密成形的數(shù)學模型，確定精密成形的理論方法和最佳工藝條件。研究齒輪軸成形過程中應(yīng)力應(yīng)變場及位移場的分布規(guī)律，揭示齒輪軸類零件精密成形規(guī)律、晶粒組織演變機理。應(yīng)用試驗研究工藝參數(shù)對齒輪精密成形規(guī)律以及對齒輪晶粒組織、性能的影響規(guī)律。.上述基礎(chǔ)工作的完成，將為齒輪軸類零件精密成形奠定基礎(chǔ)，為實現(xiàn)機械產(chǎn)品零件成形由粗放到精化的轉(zhuǎn)變，使其外部尺寸達到無余量或接近無余量，組織性能明顯提高，對實現(xiàn)軸類零件近凈成形具有重要意義。

針對國民經(jīng)濟發(fā)展迫切需要對大斷面收縮率軸類零件實行高效凈近成形制造，但相關(guān)基礎(chǔ)理論研究滯后，阻礙先進的楔橫軋技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀。采用理論分析，數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的研究方法對大斷面收縮率軸類零件楔橫軋精確成形中存在的重要科學問題開展基礎(chǔ)研究。分析大斷面收縮率軸類零件楔橫軋精確成形過程中應(yīng)力應(yīng)變場及位移場的分布和變化規(guī)律，揭示大斷面收縮率軋制時內(nèi)部缺陷產(chǎn)生機理及預(yù)防措施。確立單次超常限斷面收縮率穩(wěn)定軋制條件，闡明多次楔入軋制時各階段斷面收縮率的最佳分配比例。建立描述大斷面收縮率工件精確成形的幾何模型和數(shù)學模型，給出提高成形精度的理論方法和最佳工藝條件。完成上述基礎(chǔ)研究，為開發(fā)大斷面收縮率軸類零件楔橫軋成形技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。對完善楔橫軋成形技術(shù)理論體系，指導(dǎo)大斷面收縮率軸類零件研制，提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足大批量工業(yè)化凈近制造大斷面收縮率軸類零件的市場需求具有重要意義。

第1章 概論

1.1 冷滾壓精密成形技術(shù)概述

1.2 軸類零件加工技術(shù)現(xiàn)狀

1.2.1 花鍵軸的切削加工

1.2.2 花鍵軸的塑性成形

1.2.3 螺紋類零件的加工方法

1.3 軸類零件冷滾壓精密成形技術(shù)研究進展

1.3.1 花鍵軸加工技術(shù)現(xiàn)狀

1.3.2 花鍵軸冷滾壓成形理論研究

1.3.3 花鍵軸冷滾壓表面改性研究

1.3.4 螺紋類零件冷滾壓成形國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.4 軸類零件冷滾壓精密成形技術(shù)的發(fā)展趨勢

第2章 花鍵冷滾壓精密成形原理及力學分析

2.1 花鍵軸冷滾壓精密成形原理及過程

2.2 受力分析

2.3 花鍵冷滾壓齒部成形過程分析

2.3.1 分齒咬入條件

2.3.2 旋轉(zhuǎn)條件

2.3.3 分齒幾何條件

2.4 雙面無側(cè)隙嚙合

2.4.1 成形過程的接觸區(qū)

2.4.2 接觸點位置

2.5 接觸點的滑動

2.5.1 主動側(cè)接觸點的滑動運動

2.5.2 從動側(cè)接觸點的滑動運動

2.5.3 工件齒面金屬流動

2.6 花鍵冷滾壓精密成形力學分析

2.6.1 應(yīng)力分析基本假設(shè)

2.6.2 應(yīng)力分析塑性成形理論基礎(chǔ)

2.6.3 初始滾壓滑移線場與應(yīng)力分析

2.6.4 穩(wěn)定滾壓滑移線場與應(yīng)力分析

2.7 成形過程接觸面上的平均壓力

第3章 花鍵冷滾壓精密成形工藝參數(shù)

3.1 花鍵軸冷滾壓精密成形過程的接觸面積

3.1.1 計算模型

3.1.2 成形過程的滾壓輪和工件齒廓方程

3.1.3 接觸邊界條件

3.1.4 接觸面積計算

3.1.5 主要子程序算法

3.2 滾壓力與滾壓力矩

3.2.1 滾壓力與滾壓力矩的理論計算

3.2.2 成形過程的滾壓力與滾壓力矩分析

3.3 滾壓成形工件坯料直徑的計算

3.3.1 理論計算公式

3.3.2 齒根圓以上單齒截面積

3.3.3 齒根過渡圓弧半徑

第4章 花鍵冷滾壓成形過程數(shù)值模擬

4.1 有限元模型的建立及邊界條件

4.1.1 有限元模型

4.1.2 模擬參數(shù)與約束條件

4.2 滾壓過程的數(shù)值模擬

4.2.1 塑性變形區(qū)域

4.2.2 端面凸起

4.2.3 應(yīng)力、應(yīng)變場

4.3 理論分析與數(shù)值模擬對比

4.3.1 接觸面上單位壓力

4.3.2 滾壓成形過程滾壓力

第5章 花鍵軸冷滾壓成形金屬流動規(guī)律及成形質(zhì)量

5.1 花鍵軸冷滾壓精密成形齒部金屬流動規(guī)律

5.1.1 試件毛坯與成形參數(shù)

5.1.2 齒廓材料的流動分析

5.2 花鍵軸冷滾壓成形精度

5.3 花鍵軸冷滾壓成形零件表面質(zhì)量

5.3.1 成形零件表面粗糙度

5.3.2 成形零件齒面硬度

5.3.3 冷滾壓成形花鍵齒部組織特征

5.3.4 冷滾壓精密成形花鍵軸齒面強化機理

5.4 花鍵軸冷滾壓成形誤差與缺陷

5.4.1 齒距累積誤差的產(chǎn)生與控制

5.4.2 花鍵軸冷滾壓精密成形缺陷分析

5.5 花鍵軸冷滾壓精密成形質(zhì)量控制方法

5.5.1 冷滾壓毛坯設(shè)計

5.5.2 滾壓輪對刀和牙位調(diào)整

5.5.3 合理選擇工藝參數(shù)

第6章 螺紋冷滾壓成形原理與工藝分析

6.1 螺紋冷滾壓成形原理

6.1.1 螺紋的兩滾絲輪滾壓

6.1.2 螺紋的三滾絲輪滾壓

6.2 三滾絲輪滾壓的螺紋直徑條件

6.3 螺紋的冷滾壓成形過程

6.4 工件與滾絲輪之間的相對運動

6.4.1 軸向運動關(guān)系

6.4.2 工件與滾絲輪之間的旋轉(zhuǎn)運動關(guān)系

6.4.3 滾絲輪與工件間的相對滑動

第7章 螺紋冷滾壓成形工藝參數(shù)

7.1 螺紋冷滾壓前的毛坯

7.1.1 工件毛坯直徑的常用計算公式

7.1.2 螺紋冷滾壓坯件直徑的求解

7.1.3 坯件的倒角

7.1.4 滾壓坯料的材料

7.2 螺紋冷滾壓參數(shù)

7.2.1 滾壓力

7.2.2 滾壓速度的選擇

7.2.3 滾壓進給量的選擇

7.3 空心薄壁螺紋件的冷滾壓加工

7.3.1 空心螺紋冷滾壓

7.3.2 空心螺紋件壁厚條件

第8章 螺紋冷滾壓成形過程數(shù)值模擬

8.1 模擬基本步驟及基本假設(shè)

8.1.1 螺紋冷滾壓數(shù)值模擬流程

8.1.2 模型的簡化

8.2 M10×；1.5實心螺紋的冷滾壓過程模擬

8.2.1 模具的載荷和扭矩

8.2.2 工件應(yīng)力狀態(tài)分析

8.3 空心螺紋冷滾壓數(shù)值模擬

8.3.1 滾壓力分析

8.3.2 速度場

8.3.3 工件的應(yīng)力狀態(tài)

8.3.4 應(yīng)變場分析

8.4 螺紋件失效過程的分析

8.4.1 工件內(nèi)的等效應(yīng)力變化

8.4.2 三滾絲輪對空心螺紋件失穩(wěn)的修復(fù)作用

第9章 螺紋冷滾壓精密成形金屬流動規(guī)律及參數(shù)優(yōu)化

9.1 三軸滾絲機螺紋冷滾壓成形

9.1.1 工件材料及成形設(shè)備

9.1.2 螺紋冷滾壓咸形影響因素

9.1.3 空心螺紋壁厚對螺紋成形的影響

9.2 螺紋冷滾壓成形金屬流動規(guī)律

9.3 冷滾壓成形及切削加工螺紋硬度分布

9.4 滾壓參數(shù)優(yōu)化

9.4.1 螺紋冷滾壓成形參數(shù)正交因素水平及指標的確定

9.4.2 不同成形條件下的硬化程度

9.5 最優(yōu)滾壓參數(shù)的確定

第10章 冷滾壓精密成形設(shè)備

10.1 概述

10.2 冷滾壓成形機床與模具設(shè)計

10.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)

10.2.2 主軸同步阻尼減振設(shè)計

10.2.3 液壓系統(tǒng)及其建模與仿真

10.2.4 滾壓輪設(shè)計

10.3 力能參數(shù)測試系統(tǒng)

10.3.1 主軸轉(zhuǎn)矩的測量方法

10.3.2 滑座徑向進給力的測量

10.3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

10.4 工藝參數(shù)的確定

10.4.1 滾壓輪轉(zhuǎn)速

10.4.2 滾壓輪進給速度

10.4.3 滾壓時間

10.4.4 主軸位置控制

10.5 冷滾壓精密成形力能參數(shù)

10.5.1 成形過程動態(tài)載荷

10.5.2 工藝參數(shù)對最大成形力的影響

10.5.3 理論計算與試驗結(jié)果的對比

10.6 冷滾壓精密成形設(shè)備簡介

10.6.1 莢國肯尼福公司（Kinefac）冷滾壓成形設(shè)備

10.6.2 德國寶飛螺技術(shù)有限公司（PROFIROLL，bad duben）冷滾壓成形設(shè)備

10.6.3 青島生建機械廠冷滾壓成形設(shè)備

參考文獻 2100433B