直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形工藝研究.pdf

1、齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直齒圓柱齒輪作為齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中最為典型的齒輪零件，其加工方式為傳統(tǒng)的機(jī)械加工，存在材料利用率低、能量消耗高和生產(chǎn)效率低等問題。尤其是金屬材料的纖維流線被切斷，限制了金屬材料性能的發(fā)揮，不利于齒輪零件綜合機(jī)械性能的提升和結(jié)構(gòu)輕量化。我國齒輪產(chǎn)業(yè)的規(guī)模已位居全球首位，但是仍處于大而不強(qiáng)的發(fā)展層面。隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加劇，齒輪制造業(yè)對(duì)于可持續(xù)發(fā)展的需要日益突出。對(duì)于直齒圓柱齒輪的制造，

2、尋求一種更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的綠色加工技術(shù)顯得尤為迫切。齒輪零件精密塑性成形技術(shù)的開發(fā)不僅是齒輪工業(yè)發(fā)展的需求，而且貫穿于金屬材料精密塑性成形技術(shù)的發(fā)展。尤其是直齒圓柱齒輪的精密塑性成形是塑性成形領(lǐng)域應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問題，同時(shí)也是難點(diǎn)問題。
　　本文首先總結(jié)了國內(nèi)外直齒圓柱齒輪精密塑性成形技術(shù)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，闡述了閉式鍛造成形、開式擠壓成形和軋制成形在直齒圓柱齒輪加工領(lǐng)域的應(yīng)用，以及各成形工藝的特點(diǎn)。在現(xiàn)有直齒圓柱齒輪擠壓成形

3、技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)直齒圓柱齒輪的開式溫?cái)D壓成形技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，致力于開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效，且具有良好可行性的直齒圓柱齒輪精密塑性成形技術(shù)。
　　本課題選用20Cr2Ni4A合金鋼為試驗(yàn)材料，通過等溫壓縮試驗(yàn)研究了20Cr2Ni4A合金鋼的溫?zé)嶙冃涡袨?，分別采用表征參數(shù)和物理基參數(shù)構(gòu)建了20Cr2Ni4A合金鋼的Arrhenius型本構(gòu)模型，為本課題的研究提供了材料學(xué)依據(jù)，對(duì)直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形工藝方案的制定和

4、工藝參數(shù)的優(yōu)化具有積極的指導(dǎo)作用。此外，還構(gòu)建了20Cr2Ni4A合金鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型，豐富了20Cr2Ni4A合金鋼材料特性的研究。
　　針對(duì)直齒圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了開式溫?cái)D壓成形工藝的凸模、凹模和坯料結(jié)構(gòu)，分析了直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形的工藝原理。基于商業(yè)有限元模擬軟件 DEFORM-3D，建立了直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形的仿真模型。采用正交試驗(yàn)和單因素循環(huán)試驗(yàn)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，通過數(shù)值模擬深入研究了潤滑條件、凹模入

5、模角、坯料尺寸、擠壓速度和成形溫度對(duì)直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形的影響。探知直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形過程包括輪齒分度、輪齒成形和整形脫模三個(gè)階段，潤滑條件、凹模入模角和坯料尺寸是影響成形質(zhì)量的三個(gè)關(guān)鍵因素。
　　根據(jù)直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形工藝的需求，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)系統(tǒng)，包括成形設(shè)備、加熱設(shè)備和試驗(yàn)?zāi)＞?。為了滿足溫?cái)D壓成形對(duì)擠壓速度的要求，成形設(shè)備是在通用315T液壓機(jī)的基礎(chǔ)上改造而成的，在直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形所需的載荷條件下

6、，改造后的液壓機(jī)滑塊的工作速度達(dá)到了試驗(yàn)的要求。通過初步的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于缺乏適用于溫?cái)D壓成形的潤滑劑，且受直齒圓柱齒輪復(fù)雜結(jié)構(gòu)和開式擠壓成形工藝特點(diǎn)的制約，難以達(dá)到理想的潤滑條件，如何實(shí)現(xiàn)欠潤滑條件下直齒圓柱齒輪的溫?cái)D壓成形成為一個(gè)重要的問題。
　　通過缺陷成因分析，探知導(dǎo)致開式溫?cái)D壓成形的齒坯產(chǎn)生欠充形段缺陷的根本原因是擠壓成形過程速度場失衡，而潤滑條件和凹模結(jié)構(gòu)是兩個(gè)關(guān)鍵因素。實(shí)際生產(chǎn)中達(dá)到直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形所需的

7、潤滑條件是困難且高成本的。為了在欠潤滑條件下實(shí)現(xiàn)直齒圓柱齒輪的溫?cái)D壓成形，采用響應(yīng)曲面法對(duì)凹模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用完全二階函數(shù)模型分別建立了欠充形段高度和輪齒充形的響應(yīng)曲面函數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)欠充形段高度和輪齒充形的定量分析，達(dá)到了控制欠充形段高度和改善輪齒充形的目的。
　　在對(duì)直齒圓柱齒輪開式溫?cái)D壓成形工藝深入研究的基礎(chǔ)上，為了減小溫?cái)D壓成形齒坯的加工余量，提出了直齒圓柱齒輪變輪廓兩步法溫?cái)D壓成形工藝。該工藝包括預(yù)擠壓成形和終