直齿轮精锻复合成形关键技术研究
直齿圆柱齿轮广泛的用于各种机械装备中，它是整个传动系统中最重要的组成部分之一。随着我国机械装备水平的迅速发展，齿轮对于整个机械零部件市场的需求也越来越大。目前国内的齿轮的生产多数以机加工为主，部分企业也通过精锻成形方式生产。随着模具制造技术的不断发展和新材料的开发应用，通过精密锻造成形后的齿轮，外部不仅齿面光滑，而且内部金属流线完好，齿轮的质量得到了很大的提高。然而，在精锻生产过程中仍然存在材料利用率不高，成形载荷较大，齿轮精度相对较差，锻件出现裂纹等问题，很大程度上增加了制造成本和降低了成形质量。 本文以某农机装备传动系统中的转向齿轮为研究对象，从零件本体出发，分析目前机加工过程中存在的问题，依据金属塑性成形基本理论，提出了一种全新的转向齿轮“温-冷复合成形”的生产工艺，并从生产工艺有限元数值模拟、温锻工艺参数多目标优化、复合成形挤压力数学模型建立及模具结构设计等方面对直齿轮精锻成形复合工艺关键技术进行了系统全面的研究。 针对原机加工生产方式导致的生产效率低，材料利用率低，齿轮质量存在缺陷等问题，从转向齿轮复杂的结构分析出发，分别从锻件的材料、锻件的几何形状、锻件的尺寸精度、模具的使用寿命等方面进行工艺分析，结合金属塑性成形理论和模具设计的合理性，确定了可用于实际生产的转向齿轮精锻复合成形工艺路线。 对齿轮的成形过程进行限元数值模拟分析，验证所设计的工艺路线中关键成形工序的可行性及合理性。使用有限元数值模拟仿真设计软件DEFORM-3D，对转向齿轮的直齿成形和花键成形过程进行了数值模拟仿真研究，结果表明，直齿轮和花键在成形过程中应力-应变、成形力等关键参数满足塑性要求，且齿轮成形结果较好，证明了工艺的可行性和生产参数的合理性。 针对使用20CrMnTi合金钢进行精锻过程中产生较大残余应力和较大的成形力，导致齿轮的齿面精度与模具的使用寿命低的问题。以响应面分析不同工艺参数对残余应力和成形力的影响，对多目标工艺参数进行优化，从而降低残余应力和成形力。结果表明，当坯料温度为820℃，变形速率为18.8mm/s，摩擦系数为0.08时，可使齿轮获得较小的残余应力和成形力。 成形力的大小关系到锻造成形的设备选型，计算机仿真虽然可以精确的进行吨位计算，但也存在计算时间及环境的局限性。同时，采用芯棒约束成形的齿轮，需要设计芯棒与坯料的间隙，间隙过大锻件会填充不足，间隙过小达不到降低成形力的效果。以转向齿轮中的直齿部分为例，在极坐标下通过主应力法，建立了齿轮成形力数学计算模型和齿轮芯棒间隙的计算模型，通过计算机仿真验证，所推导出的成形力数学模型接近与仿真结果的数值，其平均误差仅为6%左右。基于成形力数学模型推导出的芯棒间隙计算模型接近仿真试验值，为毛坯尺寸设计提供依据。 根据所提出的优化方案和优化后工艺参数，结合实际生产数据，通过有限元数值模拟分析验证了20CrMnTi合金钢转向齿轮的直齿部分和花键部分成形工艺。仿真结果表明，该转向齿轮最复杂的直齿部成形，成形力-行程曲线接近理论推导，满足生产要求。直齿及花键成形结果良好，为同类型产品的实际生产的提供了理论技术基础。
直齿圆柱齿轮;复合成形;优化设计;有限元模拟
华北水利水电大学
硕士
材料加工工程
谭群燕;丁明明
2020
中文
TH132.417
2020-12-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）