【摘要】：齒輪軸作為一種重要的動(dòng)力傳輸零件廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電力、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的齒輪軸加工方法為預(yù)制坯后進(jìn)行切削齒形,齒形切削生產(chǎn)效率低,而且浪費(fèi)了優(yōu)質(zhì)齒輪鋼材。采用精密塑性成形方法成形齒輪軸擁有材料利用率高、生產(chǎn)效率高,以及齒形部分的金屬流線沿齒廓連續(xù)分布并且晶粒得到細(xì)化等優(yōu)點(diǎn),因此齒輪軸近凈成形具有較好的應(yīng)用前景。塑性成形方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小模數(shù)、小直徑的圓柱齒輪和錐齒輪的成形。對(duì)于模數(shù)較大、直徑較大的齒輪軸,尤其螺旋齒形的齒輪軸,熱精鍛成形精度難以控制,產(chǎn)品表面質(zhì)量差,而直接冷成形載荷和模具受力大,因此應(yīng)用較少。本課題針對(duì)螺旋齒齒輪軸采用熱鍛成形、冷收縮精整復(fù)合成形工藝,旨在實(shí)現(xiàn)齒輪軸的近凈成形。由于采用傳統(tǒng)浮動(dòng)凹模方法成形齒輪軸會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)軸在模具中失穩(wěn)的現(xiàn)象,因此本課題提出了齒形模具向下浮動(dòng)的齒輪軸熱鍛模具結(jié)構(gòu)成形齒輪軸,主要研究了階梯軸坯料的尺寸對(duì)金屬流動(dòng)方向的改變,以解決齒形下端面折疊的問(wèn)題。針對(duì)齒輪軸頂端帶有盲孔的特點(diǎn),對(duì)盲孔尺寸進(jìn)行了研究,得出了較小的盲孔錐度可以改善金屬在齒腔內(nèi)的流動(dòng),解決了因金屬流動(dòng)方向造成的上端面折疊；發(fā)現(xiàn)了較大的盲孔深度所對(duì)應(yīng)的模具應(yīng)力較小,防止了金屬流入齒形模具與上凸模的間隙影響鍛后脫模。在齒輪軸熱鍛模具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,提出軸端壓力輔助成形工藝用以解決齒輪軸齒形填充不滿的問(wèn)題。對(duì)鍛造中的工件進(jìn)行受力分析,建立了軸端壓力輔助成形數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸端輔助壓力的計(jì)算。分析了軸端輔助壓力與齒輪軸參數(shù)的關(guān)系,揭示了模數(shù)相同時(shí)齒數(shù)越多所需的輔助壓力越小,而模數(shù)越大則需要更大的輔助壓力,軸部?jī)啥沃睆降闹睆奖仍酱笏璧妮o助壓力就越小的規(guī)律。針對(duì)傳統(tǒng)減徑擠壓工藝精整螺旋齒形存在的同一齒的兩齒面受力不均衡的現(xiàn)象造成的齒形兩齒面精整差異,提出了冷收縮精整工藝。通過(guò)對(duì)齒形模具與收縮環(huán)的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,解釋了模具尺寸與模具等效應(yīng)力的關(guān)系。通過(guò)對(duì)模具和工件的應(yīng)力分布進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)模具兩端面受力不均衡造成了端面差異。通過(guò)研究收縮量對(duì)齒形螺旋線變化的影響,發(fā)現(xiàn)隨著收縮量的減小端面差異會(huì)明顯減小。分析了冷收縮精整中模具與工件彈性變形,建立了齒輪軸冷收縮精整模具漸開(kāi)線齒廓理論模型。基于螺旋角修正原理,建立了齒形模具螺旋線的計(jì)算公式。分析得出了齒形模具錐角、工件盲孔深度以及模具端面受力不均勻?yàn)槁菪X形冷收縮精整的齒向不均勻變化的產(chǎn)生原因。設(shè)計(jì)冷收縮精整模具,對(duì)精整后工件進(jìn)行檢測(cè),齒形齒廓精度為8級(jí),螺旋線精度為10級(jí)。對(duì)比了冷收縮精整前后工件齒形的表面粗糙度,改善了鍛件同一齒的兩齒面粗糙度差異,表面粗糙度達(dá)到8級(jí)。觀察分析了復(fù)合成形過(guò)程齒輪軸的微觀組織分布,研究了齒形位置微觀組織與硬度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)冷收縮精整后分度圓附近的鐵素體晶粒高寬比增加最多,表面和中心位置分別增加了18.9%和12.7%,齒根和齒頂位置的高寬比提升較少,硬度變化與微觀組織變化規(guī)律相符,最大的位置是分度圓附近,硬度增加了約20%,并且齒形表面硬度明顯高于中心位置。本課題將齒輪軸熱鍛冷收縮復(fù)合工藝應(yīng)用于汽車(chē)變速器輸入軸近凈成形,最終成形出了表面質(zhì)量好、齒形精度高、微觀組織致密的齒輪軸,齒形精度可達(dá)8級(jí),并提高了材料利用率,為齒輪軸復(fù)合成形工藝提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù),為齒輪軸零件精密塑性成形工藝的工業(yè)應(yīng)用提供了重要的指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TG316
【圖文】：

指齒輪與軸設(shè)計(jì)為一體的特殊零件，其具有齒數(shù)少、模數(shù)小、逡逑整體高徑比火等特點(diǎn)，通常用于高轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)中，并且需要承擔(dān)較大的扭矩和逡逑彎矩。目前在汽車(chē)、電力、船舶、王程機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如圖２－１所示。逡逑根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，２０１５年汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量分別為２４５０萬(wàn)輛和２４５９萬(wàn)逡逑}0１１。２０１４年我國(guó)減速機(jī)產(chǎn)量為６００．６萬(wàn)臺(tái)，與２０１３年同比增長(zhǎng)６．９％口１。因逡逑此，齒輪軸有相當(dāng)大的需求量。逡逑％媻y薄義希ǎ幔┘跛倨魃趟僨危ǎ猓┢當(dāng)淥倨魘淙脛徨危ǎ茫┢擋疃髦鞫徨義賢跡玻庇糜誆煌肪車(chē)某萋種徨義銑萋種岫嗖捎胏酆嶧蚨馱熘魄珊笄邢韉姆椒ㄖ圃歟�。虽葢演路N嵊τ緬義顯誆煌慕峁怪杏脅煌耐廡�，但加工工覘ｙ本相同。（１）箱X�；（２）恶W戾義匣騝酆嶧魄浚唬ǎ常┱鵓擔(dān)唬ǎ矗┣邢骷櫻擼爻菪�；（�(dān)┖笮庸さ齲桑村澹擔(dān)蕁ｅ義顯詿常裕罩�，阶梯轴情W賢ǔ２捎胏酆嶧貧桑琧酆嶧魑皺義細(xì)咝У慕鶚艟偌苫砸占壕嘍猿墑歟⒌玫攪私螻B范圍的應(yīng)用與推廣。逡逑與傳統(tǒng)的切削；１；藝比較

指齒輪與軸設(shè)計(jì)為一體的特殊零件，其具有齒數(shù)少、模數(shù)小、逡逑整體高徑比火等特點(diǎn)，通常用于高轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)中，并且需要承擔(dān)較大的扭矩和逡逑彎矩。目前在汽車(chē)、電力、船舶、王程機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如圖２－１所示。逡逑根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，２０１５年汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量分別為２４５０萬(wàn)輛和２４５９萬(wàn)逡逑}0１１。２０１４年我國(guó)減速機(jī)產(chǎn)量為６００．６萬(wàn)臺(tái)，與２０１３年同比增長(zhǎng)６．９％口１。因逡逑此，齒輪軸有相當(dāng)大的需求量。逡逑％媻y薄義希ǎ幔┘跛倨魃趟僨危ǎ猓┢當(dāng)淥倨魘淙脛徨危ǎ茫┢擋疃髦鞫徨義賢跡玻庇糜誆煌肪車(chē)某萋種徨義銑萋種岫嗖捎胏酆嶧蚨馱熘魄珊笄邢韉姆椒ㄖ圃歟住Ｋ淙懷萋種嵊τ緬義顯誆煌慕峁怪杏脅煌耐廡�，但加工工覘ｙ本相同。（１）箱X�；（２）恶W戾義匣騝酆嶧魄浚唬ǎ常┱鵓擔(dān)唬ǎ矗┣邢骷櫻擼爻菪�；（�(dān)┖笮庸さ齲桑村澹擔(dān)蕁ｅ義顯詿常裕罩校滋葜崆閃賢ǔ２捎胏酆嶧貧�，c酆嶧魑皺義細(xì)咝У慕鶚艟偌苫砸占壕嘍猿墑歟⒌玫攪私螻B范圍的應(yīng)用與推廣。逡逑與傳統(tǒng)的切削；１；藝比較

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