本文關(guān)鍵詞：直齒圓柱齒輪滾軋成形工藝數(shù)值模擬及實驗研究　出處：《山東大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：齒輪是機(jī)械傳動裝置中重要的機(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)點且能克服齒輪鍛造過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題而日益受到關(guān)注。該工藝成形過程中,齒形模具對圓柱形坯料的成形方式類似于齒輪切削中刀具對齒坯的范成加工,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)受模具長度限制的問題,同時,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,坯料齒形齒頂兩側(cè)材料突起,形成突耳,突耳的存在使?jié)L軋成形后期齒形齒頂處容易發(fā)生折疊,且后續(xù)切除突耳造成工時和材料的浪費,同時割斷齒形金屬纖維也會降低齒輪的力學(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際應(yīng)用與發(fā)展。同時,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,工藝因素對成形質(zhì)量影響規(guī)律等還未探明。因此,有必要針對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題,采用理論分析、數(shù)值模擬與實驗研究方法對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。本文根據(jù)金屬塑性成形原理及齒輪滾軋過程中滾壓輪與坯料間的范成運動關(guān)系,分析齒輪滾軋成形方法中的相關(guān)工藝基礎(chǔ)問題。根據(jù)分齒均勻性要求,基于等弦長原則,推導(dǎo)給出了坯料初始直徑確定方法;分別對單輪滾軋、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,分析確定了咬入過程是否存在打滑及打滑量的大小也是影響齒輪滾軋成形過程中分齒均勻性的主要因素,提出了齒輪滾軋過程中避免打滑的強(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,針對滾軋成形過程中坯料齒形節(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,同時指出滾軋中為避免坯料節(jié)距變化對滾壓輪與坯料純滾動關(guān)系的影響應(yīng)調(diào)整坯料滾軋中的轉(zhuǎn)速;對于雙輪滾軋,滾軋中送進(jìn)率的最大允許值應(yīng)確保在雙輪滾軋過程中弧長之差小于保證分齒均勻性的打滑錯齒極值,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動關(guān)系,分析了滾壓輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)對齒形成形質(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)建立了滾軋過程中滾壓輪齒廓與坯料接觸與脫離的位置所對應(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,并針對研究對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隨滾壓輪旋轉(zhuǎn)角度變化的數(shù)值解。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動關(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;建立了滾軋過程打滑程度的量化指標(biāo)并對齒輪滾軋初期分齒階段進(jìn)行了模擬,分析齒輪滾軋過程中初始咬入量、摩擦因子、滾壓輪齒數(shù)、滾壓輪個數(shù)等主要因素對打滑程度的影響。齒輪滾軋成形過程中突耳缺陷易導(dǎo)致折疊,即使未發(fā)生折疊,后續(xù)切除亦會造成材料和工時的浪費,且割斷金屬纖維,導(dǎo)致齒輪力學(xué)性能降低。本文通過分析齒輪滾軋成形過程中滾壓輪與坯料間相互運動關(guān)系,建立了齒輪滾軋成形有限元模擬模型,并對齒輪滾軋成形過程進(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程不同階段的形貌特征變化規(guī)律。通過對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,導(dǎo)致齒頂兩側(cè)和中心金屬流動速度差異,從而造成齒頂兩側(cè)突起形成突耳�；趯X輪滾軋成形過程中坯料受力狀況及金屬流動狀況分析,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齒輪滾軋成形過程進(jìn)行了模擬。以單個齒有效齒形體積占整個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價指標(biāo),分析齒輪滾軋成形過程中坯料初始尺寸、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)理以及滾軋成形過程中各因素對齒輪齒形成形的影響規(guī)律,分析給出了齒輪滾軋過程中齒形突耳的控制方法。以單個齒突耳體積占整個齒形體積比例并求均值作為描述滾軋成形過程中齒輪突耳的量化評價指標(biāo),采用正交實驗方法,對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)成形設(shè)計方案,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);提出在滾軋過程中附加阻礙及抑制突耳徑向增長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減小并消除突耳具有明顯作用。為了對有限元模型及有限元模擬結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗證,使用課題組自行設(shè)計并開發(fā)的一套雙滾壓輪滾軋成形實驗裝置進(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)的打滑實驗、滾軋成形階段齒形突耳及齒形成形規(guī)律實驗研究。通過壓印法,測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;通過圖像網(wǎng)格測算法,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,趨勢與模擬結(jié)果一致。鉛試樣滾軋成形獲得齒形形態(tài)完滿,未出現(xiàn)突耳,說明材質(zhì)較軟及鍛鋁或碳鋼熱滾軋不會出現(xiàn)突耳現(xiàn)象,與模擬結(jié)果一致。論文的上述研究工作,完善了齒輪滾軋成形工藝的基礎(chǔ)理論,給出了齒輪滾軋工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響規(guī)律,揭示了齒形突耳缺陷的形成機(jī)理,提出了有效控制齒輪滾軋成形質(zhì)量的具體措施,為促進(jìn)齒輪滾軋技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG61;TG335
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本文編號：1312248