齿形精密冷滚打成形控制及工艺技术研究
齿形零件的制造水平是一个国家机械工业水平的重要体现，以冷滚打为代表的近净成形工艺是齿形制造技术研究的重点和发展趋势。近十年来，国内外学者利用新技术、新方法对冷滚打技术进行研究，得到很多研究成果，改变了长期以来冷滚打成形工艺以生产试制为主,欠缺理论指导的研究方式。但对冷滚打成形机理研究深度仍然不够，尚无对冷滚打成形轮廓形态控制方面的研究，没有综合考虑成形精度和生产效率的工艺技术研究，也没有高效预测冷滚打成形力的解析模型，无法对冷滚打设备的制造和工艺研究进行理论指导。 本文以精密高速冷滚打运动学和力学为研究重点，在冷滚打成形工艺技术所涉及的轮廓形态控制、力能参数确定以及工艺参数确定等方面展开研究，并以此为基础对奇数齿齿形零件冷滚打成形方法、成形过程和成形力进行研究。本文以理论分析、计算和实验验证相结合的方法为主，涵盖了数学建模方法、塑性力学传统分析方法、有限元法和实验验证等方法，并利用各种方法对所得结论进行了分析和相互验证。 建立了滚打轮成形运动曲线的数学模型，对干涉量进行了表征，证明了连续分度冷滚打属于展成法，揭示了干涉现象产生的机理，计算了干涉量在齿形和齿向的分布情况，为滚打轮的齿廓修形提供了理论依据。利用传统方法和干涉量分析法计算了滚打轮安装角，指出传统方法的不足，认为安装角的确定应建立在对齿形、齿向误差综合分析的基础上。计算了连续分度冷滚打的齿向误差，提出了减小齿向误差的方法。 以冷滚打成形缺陷控制为目的，研究齿形轮廓形态的控制方法。建立了与实际冷滚打过程相符的有限元仿真模型，对轮齿的隆起过程进行研究，揭示了凹顶、端面飞边、弓形轮齿和齿面波纹产生的机理，计算了齿坯端平面半径，为控制齿坯两端的塌陷，对齿坯端平面半径进行了修正。计算了齿面波纹度误差，进行了冷滚打实验，实际测量了齿槽底面波纹度误差，与理论分析结果十分接近。最后，提出了控制齿面波纹度误差的方法。 为确定冷滚打力能参数，建立了高效的冷滚打成形力预测解析模型。对冷滚打变形区特点进行研究，结果表明变形区参数不断变化，冷滚打属于累积增量的几何变形过程。将单次冷滚打过程离散为无限多个冷滚轧过程，计算了冷滚打单位压力、冷滚打径向力和切向力，结果表明冷滚打切向力较小，对力能参数的确定影响不大。以冷滚打径向力为研究重点，对解析模型进行参数修正，利用有限元法对修正后的解析模型进行了验证。改造卧式铣床进行冷滚打成形力测量实验，测量结果和解析模型计算结果一致性良好。 从冷滚打生产效率和经济性上考虑，研究冷滚打工艺参数和材料对冷滚打成形过程的影响。利用有限元软件DEFORM-3D分别研究了进给量、滚打轮回转半径和材料对冷滚打干涉量、齿坯受力情况、成形精度和齿面波纹度误差的影响，给出了取值的理论依据。对实际生产中两对应滚打轮最小距离略小于齿根圆直径的原因进行分析，给出了修正量计算方法，通过有限元仿真验证了修正量计算方法的正确性。 在冷滚打成形运动、齿坯受力情况、成形过程和齿面波纹度误差等方面对奇数齿冷滚打过程进行研究。当考虑单滚打轮成形时，奇数齿冷滚打不同于偶数齿，左、右齿面成形精度不同；当考虑两对应滚打轮成形时，其成形过程更为复杂，两对应滚打轮作用效果依次叠加，成形精度较偶数齿冷滚打低。利用解析模型对奇数齿冷滚打径向力和横向力进行计算，计算结果和仿真结果一致性良好。研究结果验证了奇数齿冷滚打成形技术的可行性。
齿形零件;冷滚打成形;轮廓形态;力学性能
西安理工大学
博士
机械工程
李言
2018
中文
TG306
2019-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）