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渐开线齿轮轴楔横轧成形机理、模拟分析及实验研究

应富强  
【摘要】: 齿轮轴从原材料转为成品的制造过程中,毛坯初成形举足轻重。提高材料利用率、节约资源、能源,确保可持续发展和环境保护是成形理论与技术发展的重要课题。论文将楔横轧和齿轮范成有机结合,创成齿形毛坯,可大大简化齿轮轴制造工艺,节约原材料,降低制造成本,提高齿轮的疲劳强度、耐磨性等,研究工作具有理论意义和应用价值。 论文综述了楔横轧塑性成形技术、齿轮及齿轮轴塑性成形技术和塑性成形数值模拟技术的国内外研究现状:介绍了大变形问题刚塑性有限元基本方程,包括刚塑性的材料本构方程和刚塑性有限元的广义变分原理;同时对本课题数值模拟过程中涉及到的体单元、刚度方程求解、变形与传热、温度场、热力耦合等问题作了探讨。 首次提出了将楔横轧技术与齿轮齿条啮合运动原理有机结合进行齿轮轴楔横轧成形的创新思想(发明专利已授权),论述了齿轮轴成形的设计思想并进行了详细可行的过程设计,重点对齿形模具给出了齿部轧制的进给设计、齿数的分度设计和齿形模具与楔形模具的组合设计方案;创建了渐开线齿轮轴楔横轧成形的理论模型和几何模型。同时对渐开线齿轮轴楔横轧成形的可行性进行了分析,对成形区的动可容速度场假设进行了验证。 利用有限元分析工具,构建了渐开线齿轮轴2D、3D热力耦合有限元模型,其中包括材料定义、网格划分与重划分、接触定义、热边界条件、初始条件、工况加载等,确定了11种数值模拟工况。对典型工况进行了模拟分析,得到了应力应变场的分布变化规律、温度场的分布变化规律、模具填充和材料流动规律以及轧制力能参数的变化规律。获得了轧制过程中的应力应变场、温度场、材料流动以及轧制力能参数等数据。通过2D模拟揭示了齿部成形过程中的成形规律和一般变形特征;比较分析了4个设计变量(轧制温度、齿数、进给方式、轧制速度)对楔横轧轧制力能的影响。成功地模拟了2D、3D齿轮轴成形过程,真实直观地揭示了轧件的变形机理和齿部与轴部同时成形的效果,表明本文所建立的有限元模型及模拟结果正确和有效。 通过对一种特殊工况的分析解释了齿轮轴楔横轧的根切现象;通过对滚轧时齿轮毛坯、模具的受力分析和运动分析,得出了齿轮楔横轧加工不发生根切现象的临界齿数:针对齿轮齿数的奇偶性问题,提出了调节上下模具的相对位置以解决奇齿数齿轮楔横轧的轧制方法并进行了验证;应用材料力学经典失效理论并结合数值模拟获得的应力数据对轧件内部缺陷形成的主要原因进行了分析。 建立了实际楔横轧成形过程的相似性环境,利用雕塑泥制作的工件毛坯,在物理模拟实验装置上对齿轮轴成形过程进行了物理模拟实验:定性验证了2D和3D热力耦合数值模拟的部分结果;实验结果肯定了齿轮轴楔横轧成形的可行性。同时分析了物理实验过程中轧件各种质量缺陷的产生机制,如端头凹心、曼乃斯曼效应、轴端螺旋状压痕以及齿部齿条压痕等,为齿轮轴楔横轧成形工艺实用化研究提供指导。


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