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高速冷滚打冷作硬化对成形质量影响机理研究

谢亚飞  
【摘要】:高速冷滚打成形技术作为一种高效、绿色、成形精度高的塑性成形技术,已成为部分关键零件的主要加工方法之一,广泛应用于汽车、航空、机床等行业。高速冷滚打成形是一个牵涉到多学科的复杂成形过程,多因素的影响使得高速冷滚打的研究比较困难。目前对高速冷滚打的研究主要集中在运动学、动力学和滚打轮的设计方面,很少涉及到成形制件的表面质量,制件的表面质量中的加工硬化对其强度、抗冲击性等使用性能有很大影响。本文采用理论研究、数值模拟和试验研究相结合的方法,对高速冷滚打成形的加工硬化产生机理进行研究,以控制表面硬化程度、提高制件的使用性能,主要研究内容如下: 研究流动应力与位错密度、位错密度与加工硬化指标的关系,得到加工硬化程度与流动应力息息相关;分析冷滚打热力耦合成形机理,得到加工硬化产生过程受到热力双重作用,阐明加工硬化的热力耦合机理。 建立基于热力耦合作用的高速冷滚打有限元模型;基于不同接触状态研究高速冷滚打成形过程中金属流动规律,为后续深入研究奠定基础;分析冷滚打一次击打成形整体运动过程(包括空转阶段、打入阶段、打出阶段),计算找到打入最深时刻、滚打轮脱离工件时刻滚打轮相对于初始位置转角,为后续分析提供理论基础。 分析击打力和成形热单独作用对加工硬化的影响结果,得到击打力对加工硬化的强化作用、成形热对加工硬化的弱化作用;研究滚打轮转速、滚打轮形状、摩擦系数、不同滚打道次对冷滚打成形过程中等效应力场、齿形上硬度分布、分度圆的表面层硬度变化、齿形形状的影响规律;得到成形过程中击打力和成形热对加工硬化的影响非常明显,需要采取适当润滑措施,改善成形条件,减少成形过程产生的热量,以控制加工硬化程度;冷滚打参数对加工硬化程度均有一定影响,存在一组最佳成形参数,使得制件的加工硬化程度处在合理范围内,既能提高制件的成形质量和使用性能,又能延长滚打轮的使用寿命。 进行加工硬化相关试验,研究冷滚打成形制件齿顶、分度圆、齿根处的加工硬化程度,得到齿根处硬化层深度最大,分度圆处显微硬度最大,齿顶处的硬化程度最小;对比分析了滚打轮转速为2000r/min和3000r/min时花键齿根和分度圆部分的表层硬度和硬化层深度。并将仿真结果与实验结果进行对比分析,验证了仿真结果的可靠性。


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