直齒圓柱齒輪滾軋成形工藝數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、齒輪是機(jī)械傳動(dòng)裝置中重要的機(jī)械零件。常規(guī)的齒輪加工方法可以分為切削加工和塑性成形。齒輪滾軋成形工藝方法因具有材料利用率高、生產(chǎn)效率高、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)且能克服齒輪鍛造過(guò)程中遇到的變形抗力大、齒輪角隅部位難充滿、模具易損壞等系列問(wèn)題而日益受到關(guān)注。該工藝成形過(guò)程中，齒形模具對(duì)圓柱形坯料的成形方式類似于齒輪切削中刀具對(duì)齒坯的范成加工，圓柱坯料在齒形模具連續(xù)滾軋中逐漸成形出齒形。根據(jù)其使用的模具為齒輪或齒條，齒輪滾軋成形技術(shù)可分為齒輪滾軋成形

2、與齒條滾軋成形兩種基本工藝。在齒輪滾軋成形中，齒輪模具旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可與坯料齒形反復(fù)嚙合，因而獲得的齒輪精度高，且克服了齒條滾軋嚙合次數(shù)受模具長(zhǎng)度限制的問(wèn)題，同時(shí)，齒輪模具所占空間小，因此，以齒輪為模具的齒輪滾軋成形工藝具有更加良好的應(yīng)用前景。然而，在齒輪滾軋成形初始階段，滾壓輪齒與坯料表面間易發(fā)生打滑，導(dǎo)致錯(cuò)齒、亂齒等缺陷，嚴(yán)重影響待成形齒輪質(zhì)量;成形中后期，坯料齒形齒項(xiàng)兩側(cè)材料突起，形成突耳，突耳的存在使?jié)L軋成形后期齒形齒項(xiàng)處容易發(fā)生折

3、疊，且后續(xù)切除突耳造成工時(shí)和材料的浪費(fèi)，同時(shí)割斷齒形金屬纖維也會(huì)降低齒輪的力學(xué)性能。因此，打滑現(xiàn)象及突耳缺陷的存在嚴(yán)重影響著滾軋成形質(zhì)量，制約了滾軋成形工藝的實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展。同時(shí)，齒輪滾軋成形工藝尚未形成完整的成形理論和技術(shù)體系，工藝因素對(duì)成形質(zhì)量影響規(guī)律等還未探明。因此，有必要針對(duì)直齒圓柱齒輪滾軋成形工藝研究與應(yīng)用中存在的上述若干問(wèn)題，采用理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究方法對(duì)直齒圓柱齒輪滾軋成形工藝開展較為系統(tǒng)而深入的研究。
　　

4、本文根據(jù)金屬塑性成形原理及齒輪滾軋過(guò)程中滾壓輪與坯料間的范成運(yùn)動(dòng)關(guān)系，分析齒輪滾軋成形方法中的相關(guān)工藝基礎(chǔ)問(wèn)題。根據(jù)分齒均勻性要求，基于等弦長(zhǎng)原則，推導(dǎo)給出了坯料初始直徑確定方法;分別對(duì)單輪滾軋、待滾軋齒輪為單數(shù)齒或雙數(shù)齒的雙輪滾軋初始階段坯料受力狀態(tài)進(jìn)行分析，分析確定影響自然咬入條件的因素，建立了齒輪滾軋初始階段坯料隨滾壓輪發(fā)生純滾動(dòng)而不打滑的自然咬入條件;除坯料初始尺寸影響分齒均勻性之外，分析確定了咬入過(guò)程是否存在打滑及打滑量的大小

5、也是影響齒輪滾軋成形過(guò)程中分齒均勻性的主要因素，提出了齒輪滾軋過(guò)程中避免打滑的強(qiáng)制咬入方法，并推導(dǎo)給出了滿足分齒均勻性要求的打滑量的允許范圍;為保證齒輪成形質(zhì)量，針對(duì)滾軋成形過(guò)程中坯料齒形節(jié)距不斷減小的情況，基于滾壓輪與坯料對(duì)滾中線速度相等的原則，給出了滾壓輪轉(zhuǎn)速與坯料轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系，同時(shí)指出滾軋中為避免坯料節(jié)距變化對(duì)滾壓輪與坯料純滾動(dòng)關(guān)系的影響應(yīng)調(diào)整坯料滾軋中的轉(zhuǎn)速;對(duì)于雙輪滾軋，滾軋中送進(jìn)率的最大允許值應(yīng)確保在雙輪滾軋過(guò)程中弧長(zhǎng)之差

6、小于保證分齒均勻性的打滑錯(cuò)齒極值，并據(jù)此建立了滾軋送進(jìn)率合理取值的解析式;根據(jù)滾壓輪與坯料間的范成運(yùn)動(dòng)關(guān)系，分析了滾壓輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)齒形成形質(zhì)量的影響，給出了滾壓輪齒形結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;基于齒輪嚙合原理及其齒形輪廓方程，推導(dǎo)建立了滾軋過(guò)程中滾壓輪齒廓與坯料接觸與脫離的位置所對(duì)應(yīng)的夾角，由滾壓輪齒廓方程求得夾角范圍內(nèi)均勻離散位置處的接觸弧長(zhǎng)，并針對(duì)研究對(duì)象中的滾壓輪與成形齒輪參數(shù)，求得了滾壓輪與坯料接觸弧長(zhǎng)隨滾壓輪旋轉(zhuǎn)角度變化的數(shù)值解。

7、
　　齒輪滾軋成形起始階段，滾壓輪齒與坯料表面間易發(fā)生打滑，嚴(yán)重影響待成形齒輪質(zhì)量。本文根據(jù)齒輪滾軋工藝中滾壓輪與坯料之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，分析了滾軋初始階段坯料的受力狀況，確定了影響齒輪滾軋初期打滑的主要因素:建立了滾軋過(guò)程打滑程度的量化指標(biāo)并對(duì)齒輪滾軋初期分齒階段進(jìn)行了模擬，分析齒輪滾軋過(guò)程中初始咬入量、摩擦因子、滾壓輪齒數(shù)、滾壓輪個(gè)數(shù)等主要因素對(duì)打滑程度的影響。
　　齒輪滾軋成形過(guò)程中突耳缺陷易導(dǎo)致折疊，即使未發(fā)生折疊，后續(xù)

8、切除亦會(huì)造成材料和工時(shí)的浪費(fèi)，且割斷金屬纖維，導(dǎo)致齒輪力學(xué)性能降低。本文通過(guò)分析齒輪滾軋成形過(guò)程中滾壓輪與坯料間相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立了齒輪滾軋成形有限元模擬模型，并對(duì)齒輪滾軋成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了坯料齒形突耳在齒輪滾軋成形過(guò)程不同階段的形貌特征變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)齒輪滾軋成形模擬結(jié)果中坯料的受力狀況、變形分布及金屬流動(dòng)情況進(jìn)行分析，揭示了突耳的形成機(jī)理:坯料齒形齒腹表層金屬受滾壓輪齒腹擠壓，而朝阻力較小方向即齒頂兩側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致齒項(xiàng)兩側(cè)

9、和中心金屬流動(dòng)速度差異，從而造成齒頂兩側(cè)突起形成突耳。
　　基于對(duì)齒輪滾軋成形過(guò)程中坯料受力狀況及金屬流動(dòng)狀況分析，確定了影響齒輪滾軋成形的工藝參數(shù)及滾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了齒輪滾軋有限元模擬模型并對(duì)齒輪滾軋成形過(guò)程進(jìn)行了模擬。以單個(gè)齒有效齒形體積占整個(gè)齒形體積比例并求均值作為描述滾軋成形齒輪有效齒形的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析齒輪滾軋成形過(guò)程中坯料初始尺寸、滾壓輪進(jìn)給速度和滾壓輪旋轉(zhuǎn)速度、滾壓輪與坯料間摩擦因子、滾壓輪齒數(shù)、坯料材料、滾軋

10、溫度以及滾壓輪壓力角、滾壓輪齒頂圓直徑、滾壓輪齒根圓直徑等對(duì)有效齒形的影響。
　　突耳缺陷的存在嚴(yán)重影響齒輪成形質(zhì)量。本文基于突耳成形機(jī)理以及滾軋成形過(guò)程中各因素對(duì)齒輪齒形成形的影響規(guī)律，分析給出了齒輪滾軋過(guò)程中齒形突耳的控制方法。以單個(gè)齒突耳體積占整個(gè)齒形體積比例并求均值作為描述滾軋成形過(guò)程中齒輪突耳的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)影響齒形突耳的滾軋成形工藝參數(shù)、滾壓輪齒形結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化;提出了梯形及花瓣形兩種坯料預(yù)成形

11、設(shè)計(jì)方案，有限元模擬表明，梯形預(yù)成形方法能起到一定的減小突耳缺陷的作用，并對(duì)梯形預(yù)成形坯料的不同尺寸參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步模擬分析，獲得了能基本消除突耳缺陷的梯形預(yù)成形坯的尺寸參數(shù);提出在滾軋過(guò)程中附加阻礙及抑制突耳徑向增長(zhǎng)的圓柱輪的齒輪滾軋方法，并推導(dǎo)建立了圓柱輪徑向回退的位置函數(shù)，有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，在滾軋裝置中附加抑制突耳的圓柱輪的方法對(duì)減小并消除突耳具有明顯作用。
　　為了對(duì)有限元模型及有限元模擬結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，使用課

12、題組自行設(shè)計(jì)并開發(fā)的一套雙滾壓輪滾軋成形實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行滾軋咬入分齒階段不同滾壓輪初始咬入量和不同滾壓輪齒數(shù)的打滑實(shí)驗(yàn)、滾軋成形階段齒形突耳及齒形成形規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)壓印法，測(cè)算了試樣滾軋打滑量的大小，給出了打滑量隨不同初始咬入量和不同滾壓輪齒數(shù)的變化規(guī)律，趨勢(shì)與模擬結(jié)果一致;觀察齒輪滾軋成形階段突耳形態(tài)的變化，與模擬結(jié)果一致;通過(guò)圖像網(wǎng)格測(cè)算法，給出了滾軋成形試樣有效齒形比例隨滾壓輪不同進(jìn)給速度的變化規(guī)律，趨勢(shì)與模擬結(jié)果一致。鉛試樣滾軋