直齿圆柱齿轮滚轧成形工艺数值模拟及实验研究

摘要

齿轮是机械传动装置中重要的机械零件。常规的齿轮加工方法可以分为切削加工和塑性成形。齿轮滚轧成形工艺方法因具有材料利用率高、生产效率高、力学性能好等优点且能克服齿轮锻造过程中遇到的变形抗力大、齿轮角隅部位难充满、模具易损坏等系列问题而日益受到关注。该工艺成形过程中，齿形模具对圆柱形坯料的成形方式类似于齿轮切削中刀具对齿坯的范成加工，圆柱坯料在齿形模具连续滚轧中逐渐成形出齿形。根据其使用的模具为齿轮或齿条，齿轮滚轧成形技术可分为齿轮滚轧成形与齿条滚轧成形两种基本工艺。在齿轮滚轧成形中，齿轮模具旋转过程中可与坯料齿形反复啮合，因而获得的齿轮精度高，且克服了齿条滚轧啮合次数受模具长度限制的问题，同时，齿轮模具所占空间小，因此，以齿轮为模具的齿轮滚轧成形工艺具有更加良好的应用前景。然而，在齿轮滚轧成形初始阶段，滚压轮齿与坯料表面间易发生打滑，导致错齿、乱齿等缺陷，严重影响待成形齿轮质量;成形中后期，坯料齿形齿项两侧材料突起，形成突耳，突耳的存在使滚轧成形后期齿形齿项处容易发生折叠，且后续切除突耳造成工时和材料的浪费，同时割断齿形金属纤维也会降低齿轮的力学性能。因此，打滑现象及突耳缺陷的存在严重影响着滚轧成形质量，制约了滚轧成形工艺的实际应用与发展。同时，齿轮滚轧成形工艺尚未形成完整的成形理论和技术体系，工艺因素对成形质量影响规律等还未探明。因此，有必要针对直齿圆柱齿轮滚轧成形工艺研究与应用中存在的上述若干问题，采用理论分析、数值模拟与实验研究方法对直齿圆柱齿轮滚轧成形工艺开展较为系统而深入的研究。
　　本文根据金属塑性成形原理及齿轮滚轧过程中滚压轮与坯料间的范成运动关系，分析齿轮滚轧成形方法中的相关工艺基础问题。根据分齿均匀性要求，基于等弦长原则，推导给出了坯料初始直径确定方法;分别对单轮滚轧、待滚轧齿轮为单数齿或双数齿的双轮滚轧初始阶段坯料受力状态进行分析，分析确定影响自然咬入条件的因素，建立了齿轮滚轧初始阶段坯料随滚压轮发生纯滚动而不打滑的自然咬入条件;除坯料初始尺寸影响分齿均匀性之外，分析确定了咬入过程是否存在打滑及打滑量的大小也是影响齿轮滚轧成形过程中分齿均匀性的主要因素，提出了齿轮滚轧过程中避免打滑的强制咬入方法，并推导给出了满足分齿均匀性要求的打滑量的允许范围;为保证齿轮成形质量，针对滚轧成形过程中坯料齿形节距不断减小的情况，基于滚压轮与坯料对滚中线速度相等的原则，给出了滚压轮转速与坯料转速的匹配关系，同时指出滚轧中为避免坯料节距变化对滚压轮与坯料纯滚动关系的影响应调整坯料滚轧中的转速;对于双轮滚轧，滚轧中送进率的最大允许值应确保在双轮滚轧过程中弧长之差小于保证分齿均匀性的打滑错齿极值，并据此建立了滚轧送进率合理取值的解析式;根据滚压轮与坯料间的范成运动关系，分析了滚压轮的结构参数对齿形成形质量的影响，给出了滚压轮齿形结构参数的设计准则;基于齿轮啮合原理及其齿形轮廓方程，推导建立了滚轧过程中滚压轮齿廓与坯料接触与脱离的位置所对应的夹角，由滚压轮齿廓方程求得夹角范围内均匀离散位置处的接触弧长，并针对研究对象中的滚压轮与成形齿轮参数，求得了滚压轮与坯料接触弧长随滚压轮旋转角度变化的数值解。
　　齿轮滚轧成形起始阶段，滚压轮齿与坯料表面间易发生打滑，严重影响待成形齿轮质量。本文根据齿轮滚轧工艺中滚压轮与坯料之间的运动关系，分析了滚轧初始阶段坯料的受力状况，确定了影响齿轮滚轧初期打滑的主要因素:建立了滚轧过程打滑程度的量化指标并对齿轮滚轧初期分齿阶段进行了模拟，分析齿轮滚轧过程中初始咬入量、摩擦因子、滚压轮齿数、滚压轮个数等主要因素对打滑程度的影响。
　　齿轮滚轧成形过程中突耳缺陷易导致折叠，即使未发生折叠，后续切除亦会造成材料和工时的浪费，且割断金属纤维，导致齿轮力学性能降低。本文通过分析齿轮滚轧成形过程中滚压轮与坯料间相互运动关系，建立了齿轮滚轧成形有限元模拟模型，并对齿轮滚轧成形过程进行了数值模拟，给出了坯料齿形突耳在齿轮滚轧成形过程不同阶段的形貌特征变化规律。通过对齿轮滚轧成形模拟结果中坯料的受力状况、变形分布及金属流动情况进行分析，揭示了突耳的形成机理:坯料齿形齿腹表层金属受滚压轮齿腹挤压，而朝阻力较小方向即齿顶两侧流动，导致齿项两侧和中心金属流动速度差异，从而造成齿顶两侧突起形成突耳。
　　基于对齿轮滚轧成形过程中坯料受力状况及金属流动状况分析，确定了影响齿轮滚轧成形的工艺参数及滚压轮结构参数，建立了齿轮滚轧有限元模拟模型并对齿轮滚轧成形过程进行了模拟。以单个齿有效齿形体积占整个齿形体积比例并求均值作为描述滚轧成形齿轮有效齿形的量化评价指标，分析齿轮滚轧成形过程中坯料初始尺寸、滚压轮进给速度和滚压轮旋转速度、滚压轮与坯料间摩擦因子、滚压轮齿数、坯料材料、滚轧温度以及滚压轮压力角、滚压轮齿顶圆直径、滚压轮齿根圆直径等对有效齿形的影响。
　　突耳缺陷的存在严重影响齿轮成形质量。本文基于突耳成形机理以及滚轧成形过程中各因素对齿轮齿形成形的影响规律，分析给出了齿轮滚轧过程中齿形突耳的控制方法。以单个齿突耳体积占整个齿形体积比例并求均值作为描述滚轧成形过程中齿轮突耳的量化评价指标，采用正交实验方法，对影响齿形突耳的滚轧成形工艺参数、滚压轮齿形结构参数进行了优化;提出了梯形及花瓣形两种坯料预成形设计方案，有限元模拟表明，梯形预成形方法能起到一定的减小突耳缺陷的作用，并对梯形预成形坯料的不同尺寸参数进行了进一步模拟分析，获得了能基本消除突耳缺陷的梯形预成形坯的尺寸参数;提出在滚轧过程中附加阻碍及抑制突耳径向增长的圆柱轮的齿轮滚轧方法，并推导建立了圆柱轮径向回退的位置函数，有限元数值模拟结果表明，在滚轧装置中附加抑制突耳的圆柱轮的方法对减小并消除突耳具有明显作用。
　　为了对有限元模型及有限元模拟结果的可靠性进行验证，使用课题组自行设计并开发的一套双滚压轮滚轧成形实验装置进行滚轧咬入分齿阶段不同滚压轮初始咬入量和不同滚压轮齿数的打滑实验、滚轧成形阶段齿形突耳及齿形成形规律实验研究。通过压印法，测算了试样滚轧打滑量的大小，给出了打滑量随不同初始咬入量和不同滚压轮齿数的变化规律，趋势与模拟结果一致;观察齿轮滚轧成形阶段突耳形态的变化，与模拟结果一致;通过图像网格测算法，给出了滚轧成形试样有效齿形比例随滚压轮不同进给速度的变化规律，趋势与模拟结果一致。铅试样滚轧成形获得齿形形态完满，未出现突耳，说明材质较软及锻铝或碳钢热滚轧不会出现突耳现象，与模拟结果一致。
　　论文的上述研究工作，完善了齿轮滚轧成形工艺的基础理论，给出了齿轮滚轧工艺参数对成形质量的影响规律，揭示了齿形突耳缺陷的形成机理，提出了有效控制齿轮滚轧成形质量的具体措施，为促进齿轮滚轧技术的发展奠定了基础。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 齿轮加工技术现状

1．3 齿轮滚轧成形技术及其研究进展

1．4 目前研究存在的问题及本文主要研究内容

1．4．1 研究存在的问题及选题意义

1．4．2 主要研究内容

2．1 引言

2．2 齿轮滚轧成形过程分析

2．3 坯料初始直径的确定方法

2．4 齿轮滚轧成形咬入条件及分齿均匀性条件

2．4．1 咬入条件

2．4．2 分齿均匀性条件

2．5 滚压轮转速及径向进给速度

2．5．1 滚压轮转速与工件转速及其匹配关系

2．5．2 滚压轮旋转与径向进给速度及其匹配关系

2．6 滚压轮设计方法

2．7 齿轮滚轧成形过程的接触弧长

2．7．1 滚压轮与坯料齿形齿廓方程

2．7．2 接触与脱离位置确定

2．7．3 接触弧长的数值解

2．8 小结

3．1 引言

3．2 齿轮滚轧咬入阶段受力分析

3．3 影响齿轮滚轧打滑的因素及其评价指标

3．4 齿轮滚轧咬入阶段打滑有限元分析模型

3．5 齿轮滚轧咬入阶段打滑有限元模拟及分析

3．6 小结

4．1 引言

4．2 齿轮滚轧成形有限元模拟模型

4．3 齿轮滚轧成形中齿形突耳现象模拟

4．4 齿轮滚轧过程齿形突耳形成机理分析

4．4．1 受力分析

4．4．2 变形分析

4．4．3 流动分析

4．5 小结

第五章 直齿圆柱齿轮滚轧成形规律的数值模拟

5．1 引言

5．2 齿轮滚轧过程中影响齿形成形的工艺条件

5．3 有效齿形的评价指标及其测量方法

5．4 齿轮滚轧工艺条件对齿形成形的影响规律

5．4．1 坯料初始直径

5．4．2 摩擦因子

5．4．3 进给速度

5．4．4 滚压轮齿数

5．4．5 滚压轮转速

5．4．6 坯料材料

5．4．7 成形温度

5．5 滚压轮齿形结构对齿轮滚轧齿形成形的影响规律

5．6 小结

第六章 齿轮滚轧过程中齿形突耳的控制方法研究

6．1 引言

6．2 影响齿形突耳的因素及其控制方法

6．2．1 影响齿形突耳的因素

6．2．2 齿形突耳量化指标及其计算方法

6．2．3 齿形突耳的控制方法分析

6．3 滚轧成形工艺参数匹配

6．4 滚压轮参数与齿形结构优化

6．5 坯料预成形设计

6．5．1 预成形形状设计方案

6．5．2 预成形设计对齿轮滚轧齿形突耳的影响

6．6 圆柱轮辅助滚轧成形方法

6．6．1 圆柱轮辅助齿轮滚轧成形的工艺原理

6．6．2 圆柱轮位置函数确定

6．6．3 圆柱轮辅助齿轮滚轧成形过程模拟分析

6．7 小结

7．1 引言

7．2 咬入分齿阶段打滑实验研究

7．2．1 初始咬入量实验

7．2．2 不同滚压轮齿数实验

7．3 突耳形貌及齿形成形实验研究

7．3．1 突耳形貌实验研究

7．3．2 齿形成形规律的实验研究

7．4 铅试样齿轮滚轧实验研究

7．5 小结

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间发表的两篇外文论文

学位论文评阅及答辩情况表