圆柱直齿轮热精锻冷挤压复合成形关键技术研究

发布时间：2019-09-17 12:21

【摘要】：齿轮是一种典型传动零件,一般通过切削加工方法制造。采用精密塑性成形圆柱直齿轮具有材料利用率高、生产效率高,而且齿形部分的金属流线沿齿廓连续分布,齿轮强度、寿命高于切削加工齿轮等优点,因此通过精密塑性成形方法制造圆柱齿轮具有广阔的应用前景。精密塑性成形在小模数、小直径锥齿轮上已得到广泛应用。对于模数、直径较大的圆柱齿轮,由于冷成形载荷和模具受力大,工业生产难以实现；热精锻成形精度难以控制,产品表面质量差,工业生产应用较少。本课题针对较大尺寸圆柱直齿轮采用热精锻成形、冷挤压精整复合成形工艺,旨在实现较大尺寸圆柱直齿轮的精密成形。本课题采用理论分析和有限元仿真相结合的方法,建立了齿轮热精锻成形载荷预测模型,利用模型分析了齿轮尺寸、材料应力状态对成形载荷的影响,得到了不同公称压力的压力机可锻压齿轮的尺寸范围,为齿轮热精锻压力机选型提供了理论指导。提出齿轮热精锻齿形精度控制方法。建立了齿轮热精锻过程中模具和工件齿廓变形数学模型,理论模型和有限元仿真共同计算了模具预热膨胀和弹性膨胀、锻件回弹和冷缩四个因素对齿廓变形的影响,结果表明锻件冷缩是热精锻齿廓变形的主要影响因素；基于此模型提出了模具齿形修形方法,锻造出了齿形精度10级的齿轮：分析了模具在齿轮成形过程中受力变形的不均匀性,理论计算结合仿真分析得到模具沿齿宽方向变形值,实验测量数据验证了仿真的准确性。提出齿轮冷挤压齿形和齿向精度控制方法。建立了齿轮冷挤压精整过程中模具和工件齿廓变形数学模型,理论模型和有限元仿真共同计算了模具弹性膨胀和锻件回弹对齿廓变形的影响；基于此模型对模具齿形进行修形,齿形成形精度达到8级：分析了模具弹性变形随挤压过程的变化规律,仿真计算得到挤压齿轮齿宽方向鼓形量,并设计三段式挤压模具,减小了工件鼓形。实验测量数据验证了分析和设计的准确性,挤压齿轮齿向精度达到8级,有效提高了齿轮成形精度。分析了复合成形过程中的金属流动规律、模具应力等特点。通过有限元仿真分析了模具结构、减压槽对齿轮热精锻金属流动、成形载荷和模具应力的影响；分析了挤压余量等工艺参数对齿轮冷挤压精整金属流动、成形载荷和工件应力的影响。最终确定了热精锻成形、冷挤压精整的最佳工艺方案。并通过热精锻、冷挤压精整实验验证了有限元仿真分析的准确性。对复合成形工艺微观组织进行了观察,依次分析了齿轮热精锻、正火、冷挤压和淬火工艺中微观组织的变化；对比了传统切削加工和复合成形工艺加工齿轮的微观组织,揭示了复合成形工艺对齿轮强化的微观机理。本课题的研究结果应用于行星齿轮加工,成形出了表面质量好、齿形精度高、微观组织致密的齿轮,并有效提高了材料利用率,为圆柱直齿轮复合成形工艺提供了理论和实验依据,为齿轮零件精密塑性成形工艺的工业应用提供了重要的指导。
【图文】：

传统加工,齿轮,仿形法,方法

切削加工是齿轮类零件的主要加工方法，常用齿轮切削制造方法可分为仿形法和范成法18】，如图2-1所示。仿形法是用形状与齿轮齿槽相同或相近的成形刀加工出齿轮齿形的方法，统齿、拉齿、磨齿等都属于仿形法加工；范成法亦称展成法、共辆法或包络法，是利用轮刀具与说还之间保持强制哨合运动关系而切削出齿轮齿形的方法，其刀具分齿轮型刀具和齿条型刀具两大类，滚齿、插齿、削齿、衍齿等都属于范成法加工。4#y(a)仿形法（b)范成法图2-1齿轮传统加工方法-2-

曲线,成形载荷,精密锻造,齿轮

齿轮精锻是还料受到模具轴向挤￡li从而径丨(0填充模具型腔的T艺如图2-4(a)所示。锻件表面只需少量加工即满足图样要求和使用需求的成形技术，是一种近净成形技术采用精锻成形工艺能快速生产高质量的饭轮，不仅解决了齿轮传统加工方法的诸多+足，丨“]时先分满足了齿轮在传递动力过程屮长期承受的周期性载荷对抗疲劳性能的要求，并对齿轮高强度化产生了较好的推动作用暠2-4(b)为齿轮精密锻造典型的成形载荷，在成形的最后阶段，即填充齿形角隅阶段，由丁金属流动阻力大大增加，载荷陆然升高，导致模具受力增人123.26〗。灥 iP T I酬媝！：： J少,夕..30- V'/ 广■ . I I I// // ： , y ~0 2 4 6 8 10?"々/ \ ?：,：‘；行?i/m?图2-4齿轮精密锻造工艺示意图(a)及其成形载荷曲线(b)说轮精锻以热精锻与冷精锻为主，热精锻与冷精锻相比，，成形载荷小，但锻件表面氧化皮降低了表面粗植度
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG376;TG316;TH132.41

【参考文献】