齒輪軸毛坯楔橫軋技術(shù)條件

張軍改、張康生等。 2100433B

河北東安精工股份有限公司、北京科技大學(xué)等。

本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)齒形部分的精密軋制成形。不僅可以實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jī)理和成形規(guī)律等科學(xué)問題進(jìn)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(yùn)動關(guān)系，建立描述齒輪軸類零件精密成形的數(shù)學(xué)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(jī)理。應(yīng)用試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(dá)到無余量或接近無余量，組織性能明顯提高，對實(shí)現(xiàn)軸類零件近凈成形具有重要意義。

早在19世紀(jì)，人們就探討用楔橫軋生產(chǎn)軸類件。1961年捷克斯洛伐克首先將這一工藝及設(shè)備用于工業(yè)生產(chǎn)之中。1967年民主德國在萊比錫國際博覽會上展出了他們的板式楔橫軋技術(shù)并獲獎。中國從20世紀(jì)60年代起對此工藝和設(shè)備進(jìn)行了大量研究工作，并將楔橫軋技術(shù)用于扳手等工具的制坯和軸類件生產(chǎn)。世界上許多國家采用楔橫軋工藝生產(chǎn)了上百種軸類零件及其毛坯。20世紀(jì)60年代中期，繼二輥楔橫軋問世不久，許多國家對三輥楔橫軋開展了較為廣泛的研究工作。70年代出現(xiàn)了三輥楔橫軋軋機(jī)及生產(chǎn)的產(chǎn)品。中國從70年代初對三輥楔橫軋技術(shù)進(jìn)行研究，成功地軋制鐵路貨車車軸、電機(jī)軸等空心實(shí)心軸類件以及設(shè)計(jì)出大中小型三輥楔橫軋軋機(jī)，并于1987年獲尤里卡國際發(fā)明金獎。

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(diǎn)。 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?yàn)榇竽?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(xiàng)目取得以下創(chuàng)新性成果： 1)本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)齒形部分的精密軋制成形,不僅可以實(shí)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(yùn)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(yùn)動關(guān)系。建立了模具與坯料之間運(yùn)動關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出計(jì)算模具齒距的數(shù)學(xué)方程，為確定各階段模具的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)； 3) 提出了齒的成形方案和設(shè)計(jì)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(jì)方法，這樣可以實(shí)現(xiàn)各階段模具獨(dú)立設(shè)計(jì)以及單階段軋制實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬齒輪軸軋制成形，驗(yàn)證了齒的成形方案和模具齒形的設(shè)計(jì)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(jī)理和成形規(guī)律等科學(xué)問題進(jìn)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(jī)理； 5) 軋制實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真模擬結(jié)果基本一致,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明齒輪軸類零件楔橫軋工藝是可行的； 6) 項(xiàng)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(jìn)步具有重要作用，經(jīng)濟(jì)社會效益顯著。2012年獲河北省科技進(jìn)步2等獎；項(xiàng)目成果出版科技專著1部；發(fā)表學(xué)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(xiàng)；培養(yǎng)博士生8名、碩士生18名。