（材料加工工程专业论文）圆柱齿轮滚轧成形工艺的虚拟设计与数值分析.pdf

摘要 伴随着齿轮的广泛应用，齿轮制造技术也不断的改善发展。锻造、摆辗、 挤压、楔横轧、滚轧等齿轮塑性成形工艺因为其高效率、高强度、高精度的加 工特点而成为节能环保的一个有效方法，同时也得到了许多的研究和关注。 齿轮滚轧成形工艺作为一种新工艺，以齿轮啮合特点为基础，利用机床的 进给特点，在模具的作用下，使轧坯表层金属逐渐发生连续的塑性变形，填充 模具与轧坯之间的空隙，直至形成完整齿形。在齿轮滚轧的过程中轧坯金属流 动、轧轮c l n 运动的平稳性、成形力变化、物理场分布等都会随着辊轧过程的 变化发生相应的改变。同时，圆柱斜齿轮滚轧成形工艺中，轴向力对辊轧工艺 的影响还并不确定。由于齿轮滚轧成形缺少相关的数据与经验理论，在辊轧过 程中，轧轮与坯料的尺寸与运动参数都需要实验逐步确定。因此本文利用 d e f o r m 一3 d 软件对圆柱齿轮滚轧成形过程进行模拟分析，对圆柱齿轮辊轧工 艺的可行性进行验证，对齿轮滚轧成形工艺进行研究。 圆柱齿轮* l n 成形工艺的研究内容与结果： ( 1 ) 建立辊轧模型：确定坯料尺寸参数、轧辊工艺参数。创建并确定坯料与 轧轮配合模型。 ( 2 ) 齿轮轧制机理：基于d e f o r m 3 d 有限元分析软件，对齿轮c l n 成形 过程进行模拟分析。获取齿轮轧制成形过程中坯料变形与机械载荷的关系；获 取齿轮轧制工艺过程中，齿坯金属流动情况；检n * l n 工艺中，齿坯应力场与 温度场分布情况。 ( 3 ) 齿轮车l * j j 成形工艺与优化：模拟圆柱齿轮轧制成形工艺过程，并对轧制 工艺参数进行优化分析；根据齿轮成形状况对齿坯尺寸进行优化。 ( 4 ) 齿轮轧制成形缺陷预测与分析：对圆柱齿轮轧制成形工艺过程的缺陷进 行预测；对轧制成形工艺实际缺陷进行分析与改进。 关键词：圆柱齿轮，滚轧成形工艺，优化理论，缺陷预测与分析 a b s t r a c t g e a rp l a s t i cf o r m i n gp r o c e s si n c l u d i n gf o r g i n g ，r o t a r yf o r g i n g ，e x t r u s i o n ，c r o s s w e d g er o l l i n ga n dc y l i n d r i c a lr o l l i n gb e c o m ea nm o r ee n e r g yc o n v e r s a t i o nw a y t o p r o d u c eg e a r s a st h ee x t e n s i v eu s eo fg e a r sa n di m p r o v e m e n to fg e a rm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s t h eg e a rf o r m i n gp r o c e s s e sh a v eb e e nc o n c e m e da n ds t u d i e di nt h e s e y e a r s g e a rc y l i n d r i c a lr o l l i n gi san e wp r o c e s s ，i tb a s e do nt h ec h a r a c t e ro fg e a r e n g a g e m e n t ，d r i v et h er o l l e r sb ym a c h i n et om a k et h es u r f a c em e t a lo fw o r k p i e c e o c c u rp l a s t i cd e f o r m a t i o nt of i nt h eg a pb e t w e e nr o l l e ra n dw o r k p i e c eu n t i lc o m p l e t e p r o f i l ef o r m e d i nt h ef o r m i n gp r o c e s s ，m e t a lf l o w i n g ，s m o o t hm o v e m e n to fr o l l e r s ， f o r m i n gf o r c e ，p h y s i c a ld i s t r i b u t i o nw i l lc h a n g ew i t ht h er o l l e ra n dt i m e h o w e v e r , s t a n d a r dt h e o r e t i c a ls y s t e mo fg e a r sf o r m i n gh a sn o tb e e ne s t a b l i s h e d ，t h ei m p a c to f a x i a lf o r c et ot h ep r o c e s si sn o ts u r e ，a n dt h es i z ea n dm o v e m e n tp a r a m e t e r so fr o l l e r a n dw o r k p i e c es h o u l dt ob ea s s u r e db ye x p e r i m e n tb e c a u s eo fl a c kg e a rf o r m i n g t h e o r ya n dd a t a s oc y l i n d r i c a lg e a rr o l l i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e di n t h i sp a p e r , t h ef e a s i b i l i t yo fg e a rr o l l i n gp r o c e s sw a sv e r i f i e d r e s e a r c ha n dr e s u l t so fc y l i n d r i c a lg e a rr o l l i n gp r o c e s s ： ( 1 ) t h ee s t a b l i s h m e n to f r o l l i n g m o d e l ：c a l c u l a t e dd i m e n s i o n so f w o r k p i e c ea n dr o l l e r , c h o s em o v e m e n tp a r a m e t e r so fr o l l e r , e s t a b l i s h e dr o l l i n g m o d e lo fg e a rr o l l i n g ( 2 )g e a rr o l l i n gm e c h a n i s m ：s i m u l a t e da n da n a l y z e dg e a r i n gr o l l i n g p r o c e s sb yd e f o r m - 3 df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ( d e f o r m - 3 d ) t h e m e c h a n i c a ll o a d , w o r k p i e c ed e f o r m a t i o na n dm e t a ls t r a i nh a db e e ng o tt oa n a l y z e m e t a lf l o wo fw o r k p i e c e s t r e s sf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dw e r eo b s e r v e d a n dt h e f o l dc o u l db es e e ni nt h ed e f o r m 一3 d ( 3 )g e a rr o l l i n gp r o c e s sa n do p t i m i z a t i o n ：t h ec y l i n d r i c a lg e a rr o l l i n g p r o c e s sh a db e e ns i m u l a t e da n d t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sh a db e e na n a l y z e d ，t h es i z e o fw o r k p i e c eh a db e e no p t i m i z e db a s e do nd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s i i ( 4 )f o r e c a s ta n da n a l y s i so fg e a rr o l l i n gd e f e c t s ：d e f e c t so fc y l i n d r i c a lg e a r r o l l i n gp r o c e s sh a db e e np r e d i c t e da n da n a l y z e d ，o p t i m i z a t i o nm e t h o dh a db e e n p r o p o s e d k e y w o r d s ：c y l i n d r i c a lg e a r , r o l l i n gp r o c e s s ，o p t i m i z a t i o nt h e o r y , d e f e c t sp r e d i c t i o n a n da n a l y s i s 武汉理f t 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 齿轮传动是最重要的机械传动方式之一。齿轮零件具有传动效率高、传动 比稳定、结构紧凑等优点，因而齿轮零件应用广泛，同时齿轮零件的结构形式 也多种多样。两圆柱斜齿轮啮合传动时，从啮合开始，其齿面上的接触线先由 短变长，然后由长变短，直至脱离啮合。这样不但延长了每对轮齿啮合时间， 增加了重合度；而且两齿轮轮齿是逐渐进入啮合，减小了传动时的冲击、振动 噪音，从而提高了传动的平稳性。因此齿轮的制造工艺对齿轮的应用范围，齿 轮精度，加工时间有重要的影响。目前齿轮制造技术主要分为切削加工技术和 塑性成形技术，先进的齿轮制造技术利用锻、轧、挤等高精度、低消耗的方法 改进齿轮制造工艺将新型高效切削技术、精密切削技术和特种加工技术；切削 过程监控、测试技术高速、高效、高精度机床及关键部件技术；数控技术与数 字化装备；数字制造与智能化制造技术；机床动力系与结构动态设计；设备工 况监测与诊断技术；网络化制造系统；制造业信息化技术等技术与传统的技术 结合起来，不断改进齿轮制造生产的工艺，为高速、高效、高精度的生产齿轮 提供基础【1 1 1 2 3 1 。 1 2 齿轮切削成形加工工艺 圆柱斜齿轮切削成形工艺主要有仿形法和展成法两种。仿形法是用形状与 齿轮齿槽相同或相近的成形铣刀加工出齿轮齿形的方法。这种方法中每一把成 形铣刀可以铣削一定齿数范围内的齿轮。展成法是利用齿轮刀具与齿坯之间保 持强制啮合运动关系而切削出齿轮齿形的方法。按照目前生产齿轮的制造工艺 而言，其制造工艺一般过程分为五个阶段：材料制备、齿坯加工、切齿、齿面 热处理和齿面精加工等【4 】【5 】。常用的齿轮加工方法有铣齿、滚齿、插齿、剃齿、 珩齿与磨斟6 】【7 1 。国产齿轮加工机床已基本形成了比较完整的系列，也开发出技 术含量具有国际水平的螺旋锥齿轮六轴数控磨床，德国普发特公司、瑞士莱斯 豪尔公司的圆柱齿轮滚齿、磨齿机，美国格里森公司、德国克林贝克的螺旋锥 武汉理工大学硕士学位论文 齿轮铣齿、磨齿、研齿机及齿轮测量中心在国内的齿轮生产中都有广泛的应用。 用机械切削加工方法生产的齿轮，材料利用率低，生产效率低，齿轮表层 金属纤维在加工过程中被切断，造成齿轮强度降低。而塑性成形工艺生产的齿 轮表面金属纤维沿轮齿齿廓均匀、致密排布，故而，此种工艺生产的齿轮具有 较高的弯曲强度、热疲劳强度、耐冲击性和耐磨能力，热处理变形与啮合噪音 也比切削加工成形的齿轮小。总体来讲，精密塑性成形工艺可使齿轮比切削加 工齿轮的强度和抗弯疲劳强度提高2 0 ，同时，少切屑的生产可以使生产成本 最少降低2 0 。精密塑性成形齿轮精度根据模具精度和工作条件可达到 i t 6 i t 8 ，可满足一般使用。经过精整加工之后，精度满足高要求使用【8 】【9 】【l o 】【l l 】。 因此，塑性成形技术作为一种优越的齿轮制造技术有着广阔的发展空间。 1 3 齿轮精密塑性成形工艺 精密塑性成形技术利用熔化、结晶、塑性变形、扩散、他变等物理化学变 化，按预定的设计要求成形机械构件，目的在于使成形的制品，达到或接近最 后要求的形状或尺寸。它是现代技术( 计算机技术、新材料技术、精密加工与 测量技术) 与传统成形技术( 铸造、锻压、焊接、切割等) 相结合的产物。不 仅可以提高材料的利用率，减轻污染，还可使构件材料获得传统方法难以获得 的化学成分与组织结构，从而提高产品的质量与性能。精密成形技术是生产高 技术产品( 如计算机、电于、通讯、宇航、仪表等产品) 的关键技术。目前， 国内外对这种高精度，高效率，高材料利用率的齿轮成形工艺开展了大方面的 研究，主要的研究内容有：齿轮精密模锻成形，齿轮精密摆辗成形，齿轮精密 楔横轧成形和齿轮精密轧制成形。 1 - 3 1 齿轮精密模锻成形 齿轮精密模锻成形工艺是将齿坯定位于齿轮模具中，由上模( 也就是压力 模) 将齿坯挤入齿轮模具中，使齿坯塑性成形为齿轮的少无切削加工工艺 【1 2 】【1 3 】【1 4 】【1 5 】。如图1 1 所示，上模与模锻后的齿轮形状相同，将齿坯挤压迫使金 属流动填充下模空隙，形成齿轮。根据模锻温度可将模锻工艺分为热锻，冷锻 和温锻。 2 武汉理：r = 大学硕士学位论文 图1 1 齿轮精密模锻成形工艺 热锻就是将坯料温度加热到再结晶温度以上的锻造工艺。采用热精锻工艺 时坯料的变形抗力低，塑性好，容易成形比较复杂的工件，但是因为强烈的氧 化作用，热锻成形的工件表面质量和尺寸精度较低。热精锻常用的闭式模锻的 工艺，对模具精度，坯料精度和制造精度等要求较高。冷锻就是在室温下将坯 料锻造为指定形状尺寸的一种锻造工艺。采用冷精锻工艺时坯料形状和尺寸比 较容易控制，可以避免高温带来的误差；冷精锻工件强度和精度较高，表面质 量也比热精锻工件好。但是冷精锻成形过程中，坯料的变形抗力大，塑性差， 冷精锻工艺对模具和设备要求高，很难成形结构复杂的工件。冷锻技术的发展 主要是开发高附加值的产品，降低生产成本，同时，它还在不断地向切削、粉 末冶金、铸造、热锻、板料成形工艺等领域渗透或取而代之，也可以和这些工 艺相结合构成复合工艺。 2 0 世纪8 0 年代以来，国内外精密锻造专家以日本为领先者开始将分流锻 造理论应用于直齿轮和螺旋齿轮的冷锻成形【1 6 】。它是为了实现直齿轮或螺旋直 齿轮等具有直角形状零件的精密成形而开发的技术。分流锻造的主要原理是在 毛坯或模具的成形部分建立一个材料的分流腔或分流通道，来减少锻造工艺中 型腔不易充满的缺憾，锻造过程中，材料在充满型腔的同时，部分材料流向分 流腔或分流通道，分流口能容纳少量体积超标的材料，而不致于造成锻造应力 急剧增加。更主要的是，通过对分流路径的合理设计，使锻造过程中金属的流 动有利于齿形尖角处的充填，从而可在较小的成形应力下得到充满程度较好的 齿形。分流锻造技术的应用，使较高精度齿轮的少、无切削加工迅速达到了产 业化规模。对于长径比为5 的挤压件，如活塞销，采用轴向余料块的广泛通过 3 武汉理工大学硕士学位论文 轴向分流可以实现冷挤压一次成形，而且凸模的稳定性很好；对于扁平类的直 齿轮成形，采用径向余料块也可以实现产品的冷挤压成形。但是这种成形方法 需要较大的成形力，分流轴、分流孔的定位和形状大小等设计困难。模具制造， 尤其是闭式锻造时，分流轴与分流孔的1 j n * 比较困难。 温锻是在低于再结晶温度的某个合适的温度下加工坯料的一种锻造工艺。 温精锻成形工艺解决坯料变形抗力大的缺陷，并且克服了热精锻时高温对坯料 表面质量和尺寸精度的影响。但是温精锻的工件形状不能过于复杂，而且温度 控制比较严格，对设备要求较高。 锻造成形齿轮需要基本上依靠挤压的方式用压力模将坯料挤入齿轮模，需 要的成形力较大，而且锻造齿轮的精度齿轮模决定，在较大的压力与摩擦力的 影响下，齿轮模的服役寿命一般较短，图1 2 所示齿轮模锻时的模具失效。利 用锻造工艺成形斜齿轮和螺旋齿轮时，成形齿坯脱模比较困难。 图1 - 2 齿轮精密锻造时的模具失效 1 3 2 齿轮挤压成形 挤压是迫使坯料产生塑性流动，通过凸模与凹模间的间隙或凹模出口，制 造空心或断面比坯料断面要小的零件的一种工艺方法【1 7 】【1 8 】【1 9 】。 如果毛坯不经加热就进行挤压，便称为冷挤压。冷挤压是无切屑、少切屑 零件加工工艺之一，所以是金属塑性加工中一种先进的工艺方法。利用冷挤压 工艺可在短时间内加工形状复杂的，难以切削加工的零件。如异形截面、复杂 内腔、内齿及表面看不见的内槽等零件。成形的制件可以获得理想的表面粗糙 度和尺寸精度。零件的精度可达i t 7 i t 8 级，表面粗糙度可达r 0 2 - r 0 6 。因 4 武汉理工大学硕士学位论文 此，用冷挤压加工的零件一般很少再切削加工，只需在要求特别高之处进行精 磨。用冷挤压工艺代替切削加工制造零件，能使生产率提高几倍、几十倍、甚 至上百倍。冷挤压工艺中的加工硬化也可提高零件力学性能。 7 0 年代，冷挤压工艺生产的代表产品诸如日本成功冷挤成形的离合器齿轮、 传动轴花键和交流发电机磁极铁芯。8 0 年代的代表产品是冷挤的高精度速圆球 外座圈、内座圈、十字轴、汽车差速器伞齿轮等零件。如图1 3 所示就是经过 挤压成形工艺得到的轴承。 图1 3 冷挤压成形轴承 由于冷挤压是金属在常温状态下，经过强烈的三向压应力状态变形的，引 起挤压金属变形抗力较大，并有以下缺陷： ( 1 )模具容易磨损失效。目前使用的普通模具钢的许用最大应力为 2 5 0 0 m p a ，性能最好的模具钢的许用最大应力也不能超过3 0 0 0 m p a 。为了解决 冷挤压的缺陷，就得采取各种技术措施，在尽力降低冷挤压材料变形抗力的同 时，使用性能较高的模具材料，设法提高模具的承受能力，以利于冷挤压生产 的顺利进行。 ( 2 )挤压成形力大提升了对挤压设备的要求。在成形力较大的情况下， 不仅要求挤压设备具备较大的强度，还要求设备要有较好的刚度。还要求设备 具有良好的精度以弥补挤压过程的不稳定因素，此外，由于成形工艺的强烈变 形和大的成形力，保险装置也要在考虑范围内。 ( 3 )对设备和产品要求的提升会导致冷挤压的模具成本的大幅度提高， 因此，挤压工艺一般只适用于大批量零件的生产。最小批量必须达到5 - 1 0 万 件。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 )为了保证挤压成形零件的高精度要求，坯料在挤压前需要进行表面 处理。因此，需要扩展设备增加工序，却难以实现生产自动化。 ( 5 ) 为了减少成形压力，不宜用高强度材料进行挤压加工。 ( 6 )冷挤压成形后，零件的塑性和韧性降低，零件变形和耐腐蚀性会因 为残余应力的增大而降低，容易产生应力腐蚀。 热挤压成形法，虽然可以使材料变形抗力变小，但由于加热，产生氧化、 脱碳及热膨胀等问题，降低了产品的尺寸精度和表面质量，因而一般都需要经 过大量的切削加工，才能作为最后产品。 温挤压是将毛坯加热到金属再结晶温度以下某个适当的温度进行挤压。温 挤压仍具有少无切屑的优点。由于金属加热，毛坯的变形抗力减小成形容易， 压力机的吨位也可以减小，而且模具的寿命延长。但与热挤压不同，因为在低 温范围内加热，氧化、脱碳的可能性小，产品的机械性能与冷挤压的产品也差 别不大。特别是在室温下难加工的材料，例如析出硬化相的不锈钢、高碳钢、 含铬量高的一些钢、高温合金等，在温挤压时可能变成可以加工或容易加工。 而目前温挤压采用的润滑剂还不能完全令人满意。同时，也还缺乏加工方面的 一些实际数据，还有许多技术问题有待解决。 1 3 2 齿轮摆辗成形 摆辗成形技术一般为冷成形，采用上模在工件轴向端面上局部接触加压滚 动的运动，大大减小接触面积，使工件连续变形，以达到高效率高节能的效果。李 亚敏【2 0 1 、史双喜【2 l 】在齿轮摆辗成形模拟试验中，验证了摆辗成形齿轮的可行性 并推测出能够直接加工出齿轮，齿面不需要切削加工或是仅需要少许精加工就 可以满足齿轮的使用要求。摆辗成形的原理如图1 - 4 所示： 坯料 i 图1 4 摆辗成形原理简图 6 武汉理丁大学硕十学位论文 在摆辗的过程中，上模( 锥形模) 摆头与毛坯局部接触，坯料在上模接触 部位即主动变形区产生局部塑性变形，这种成形工艺所需的变形力小，并且金 属纤维紧密且分布合理，能够大大提高成品齿轮的机械性能，显现塑性成形的 优越性。 目前的摆动辗压机仅为冷成形，冷成形时金属的变形抗力比较大，同时由 于冷作硬化所引起的成形限制，摆辗成形不能适用于模数较大的齿轮的成形。 当制造直径大于2 0 0 r a m 的齿轮时，摆辗成形所需要的工艺力就已经很大，所需 设备各种标准要求提高。摆动辗压机工作时摆头的接触面积偏心，机身要承受 周期变化的作用力，模具也受到偏心载荷的周期性压力，易于失效。齿坯成型 后嵌在下模中也会造成脱模困难。 1 3 3 齿轮楔横s l 车l n 成形 楔横轧成形2 2 】【2 3 】【2 4 】【2 5 1 是指圆柱形坯料在两轧辊的楔形模具间或在两平板 楔形模具之间，受到模具相反方向的摩擦力而发生连续局部变形，孔型沿轴向 逐渐变宽，坯料局部金属流入模具与坯料之间的空隙，s l 铝j j 成和楔形模具底部 型槽末端形状一致的零件。楔横车l s l n 成形原理如图l 一5 所示。 图i - 5 楔横轧轧制齿轮简图 楔横轧采用上下模渐变的形式，使坯料逐渐成形。改进了模锻与挤压工艺 中进给困难的难题。楔横轧工艺工程一般分为三部分：坯料被咬入阶段；轧制 成形阶段；校正阶段。 采用楔横轧工艺在成形阶梯轴类零件时，有时成形条件选择不当，或工艺 调试不当，都会出现细杆部位被拉细、成形过程中轧件不能旋转、轧件表面出 7 武汉理工人学硕士学位论文 现鱼鳞状毛刺、轧件内部出现组织疏松等现象，楔横轧工艺中轧条尺寸的确定 困难，累积误差较大。但楔横轧工艺能够改善轧制齿轮时，齿坯与轧条之间打 滑的状况，有利于轧条咬入齿坯轧制。 1 3 4 齿轮滚轧成形 齿轮轧制成形目前主要分为热轧和冷轧。热轧齿轮一般将安装在轧机上的 齿坯感应快速加热到l 0 0 0 ，此时金属流动性好，容易轧制成形，而且轧制速 度快，热量还来不及向齿坯内部传导，齿坯内部则保持较低温度和较高的硬度 和刚度，使齿坯处于外柔内刚的理想状态，然后利用与所需齿轮的配对齿轮对 齿坯进行轧制，齿轮滚轧成形工艺就是一种高效率生产高强度，高精度齿轮的 方法。 齿轮滚轧成形是以齿轮展成法为基础，使坯料产生塑性变形而生产齿轮的 方法。热轧齿轮所需的轧制力小，而且金属纤维沿轮廓变化，有利于提高齿轮 强度。冷轧与热轧齿轮原理相同，只是冷轧是在室温下进行，因此，冷轧成形 力较大，但冷轧成形齿轮精度高。它多用于车l n d , 模数的传动齿轮和细齿零件。 轧制成形的齿轮根据生产条件的不同，精度也会有所变化。轧制工艺与切 屑工艺相比，最明显的优势就是生产效率高，材料利用率高，轧制齿轮强度高。 于荣贵，d s c b m o e c k l 等人指出热轧成形齿轮的精度可以达到i t 6 i t 8 。洛阳东 方红拖拉机厂指出热轧成形的齿轮精度与冷轧相比较大，用热轧成形齿轮余留 o 1 o 2 5 r a m 加工余量，进行冷挤精加工提高齿轮精度。并用实验证明冷挤精加 工工艺将热锻齿轮精度提高l 2 个精度等级2 6 h 3 龇。 1 3 5 齿轮制造工艺的比较 随着齿轮制造技术的发展，节能环保，高效高精成为制造齿轮追求的目标 之一。而精密塑性成形技术就在为齿轮制造提高了材料利用率的同时提高了齿 轮强度。其中，齿轮轧制成形技术以其独特的生产特点，可以为齿轮制造工艺 的进步提供更有利的手段。齿轮制造工艺及特点如图1 - 6 所示。 8 武汉理工大学硕十学位论文 图1 - 6 齿轮制造工艺特点简图 1 4 目前齿轮成形技术的重要研究方向 1 4 1 数值分析技术 数值分析技术在无论是对简单形状零件的成形分析还是复杂形状零件的轮 成形分析的应用工程领域，都取得了很大进步，在加工机床、检测手段、计算 分析技术等方面表现尤为卓越，它的核心推动力是计算机数字技术的快速发展。 因此，齿轮进入实际加工前，能够充分考虑制造因素影响的数值分析技术可以 为齿轮的实际生产制造提供理论依据。 数值分析技术借助不同的专业软件进行结构强度、运动学、动力学、工艺 成形等分析。并获得了有效的分析效果： ( 1 ) 减少工艺设计和实验的经费开支，缩短新产品开发周期。通过分析 提高试验的成功率。 ( 2 )延伸和提高设计方法与思路，改善提高模具的结构设计，减少制造 9 武汉理工大学硕士学位论文 成本。通过对模具强度、寿命的预测分析，可使单纯的设计转变为实用性设计， 加速数值模拟向实际生产操作的运行步伐。 ( 3 )通过数值分析模拟获得可靠的齿轮结构数据和正确的工艺调整数 据。通过验证分析数据优化模型并指导生产工艺，同时也能够针对市场进行齿 轮结构的适应性更改及可行性分析。 1 4 2 预调修正技术 齿轮作为零部件由于工况条件的复杂性和不确定性，要满足使用要求才是 最有性价比的齿轮。齿轮的制造工艺过程并不复杂，但在齿轮制造过程中引入 具有目的性要求的预调修正方法却十分关键【3 9 】f 删。目前主要修正方法如下： ( 1 )热处理变形的预调修正。热处理变形的预调修正是对新产品、材料、 工艺等变动时在批量成形齿轮前做小量生产试验，并检查热处理后坯料的变形 状态和规律，按预先给定的热处理后检查标准调整热前成形齿轮参数并加以补 偿，直至满足要求为止。 ( 2 )结构和装配误差的预调修正。齿轮被装配到机构中，由于设备结构 布局、系统刚度和承载状态的不同或者考虑装配误差等因素，需要对齿轮加工 进行预调修正。 ( 3 )对齿轮副啮合时的噪声和寿命的预调修正。齿轮材料和使用条件， 制造过程中加工精度，表面质量导致的传动误差都对齿轮副啮合所产生的噪声 和齿轮副的寿命有着或多或少的影响。为了解决这些问题，可以利用数值分析 模拟通过传动误差测量和分析技术对齿轮副噪声和齿轮副寿命进行预测，进一 步优化成形齿轮参数。 ( 4 )工况载荷的预调修正。对于重载荷齿轮，设备的总支撑刚性往往由 于结构限制相对较弱，因此，在实际满载或者超载的工况下有可能产生齿轮错 位。此时可以通过齿轮预调修正来提高结构整体性能。 1 4 3 有限元软件在齿轮轧制成形工艺中的应用 齿轮滚轧成形工艺理论目前还处于发展过程之中，许多原理与成形规律都 需要进一步研究。虽然实验是一个非常消耗原材料的过程，但滚轧成形理论单 独依靠实验并不能的到更细微的更全面的成形规律依据。有限元模拟可以观测 成形过程中金属微观组织，坯料内部应力场和温度场分布，坯料变形规律等等， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 同时又可以节省原材料，呈现辊轧模型缺陷。因此，利用有限元模拟软件模拟 是一种能更方便更快捷的模拟实验过程和验证创新理论的方法。 d e f o r m ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o rf o r m i n g ) 软件是由美国b a t t e l l ec o l u m b u s 实验室在8 0 年代初期开发的有限元分析软件。早期的d e f o r m 2 d 软件只能 用于分析等温变形的平面问题或者轴对称问题。伴随着有限元技术和d e f o r m 软件的日益发展成熟，目前，d e f o r m 软件己能够成功用于分析热力耦和的非 等温变形问题和三维空间变形问题( d e f o r m 一3 d ) 。此外，可视化的操作界面以 及强大而完善的网格自动再划分技术等，使d e f o r m 有限元分析软件在现代 工业生产设计中发挥越来越重要的作用。d e f o r m 有限元分析软件广泛的应用 于金属加工以及其他相关制造领域中的变形和热处理工艺的模拟和分析。 d e f o r m 3 d 作为功能强大的体积成形有限元模拟软件，具有综合建模、 成形工艺模拟、热传导模拟和成形设备模拟等功能，它可以应用于复杂的三维 零件和模具几何形状的成形模拟，能够进行材料流动、晶粒流动、模具填充、 模具应力、锻造负荷、金属微结构和缺陷产生及发展等多方面的数值模拟，不 受成形问题的限制。d e f o r m 一3 d 能够分析金属成形过程中多个关联对象相互 作用产生的大变形和物理特性，系统中集成了自动网格重划生成器，在必要时 能够自动生成优化的网格系统。在精度较高的局部区域，可以细化网格，从而 降低计算规模，提高软件的计算效率。d e f o r m 3 d 图形界面输入设置完整， 便于输入工艺参数、运动参数、材料性能、摩擦因子，热扩散和材料金相组织 等数据，并切为用户观察模拟结果提供了有效的窗口和数据。 齿轮轧制成形工艺在目前的机械加工应用中并不广泛。诸多的研究都是经 验的积累或是某一种齿轮较好成形参数的优化。齿轮轧制成形机理及工艺参数 还没有形成统一的规范化的标准。利用d e f o l u m 一3 d 软件对齿轮辊轧成行进行 数值模拟，可以提供坯料金属材料流动、坯料金属变形、辊轧负荷、轧辊应力、 金属微结构和缺陷发展等情况，有利于滚轧成形齿轮工艺的机理分析，参数的 优化和工艺的改进。d e f o r m 支持在加工过程中以等值线、数值符号、分布云 图、等值面、色标和切平面矢量等方式显示各种物理场变量分布，也可以按照 路径显示或者历程显示分析结果。为齿轮轧制成形提供理论基础，促进齿轮轧 制工艺的发展。 利用d e f o r m 3 d 不仅可以节约原材料和减少试验周期，更主要的是可以 在模拟齿轮成形的过程中，查看其运动状态，观察成齿过程与规律，分析温度 武汉理工大学硕十学位论文 场和应力场分布等。以便于从各个成形要素出发观测分析成形过程，有利于优 化成形工艺参数，总结成形规律。 1 5 本文研究的目的与意义 齿轮滚轧成形利用材料塑性变形原理通过s l n 方法改变轧坯表面金属分 布，形成所需齿轮。加工时间短、材料利用率高、齿轮强度高等特点使齿轮滚 轧成形的经济优势凸显出来，同时加工温度等的不同使齿轮发生金相变化或冷 作硬化改变齿轮性能，因此，齿轮滚轧成形工艺具有很高的研究与使用价值。 齿轮滚轧成形将齿轮副啮合特点与塑性加工工艺结合起来，具有以下特点： ( 1 )滚轧过程中利用轧辊轮齿齿形作为边界，利用渐开线啮合成形轧坯 齿轮，精度较高，可直接使用。 ( 2 )具有塑性加工工艺材料利用率高、强度高的优势的同时，采用轧辊 接触区局部变形，成形力小，设备要求简单。 齿轮滚轧成形工艺过程中经常出现的缺点有： ( 1 )轧辊相位差偏差引起轧坯花齿。 ( 2 )轧辊与轧坯由于纯滚动或者运动参数设置不当引起轧坯成形不完 全。 ( 3 )轧辊形状和技术因素引起轧坯缺陷。 这些现象都会影响轧坯成形质量。但由于缺乏标准、系统的运动参数配置 和轧辊参数要求，只是根据多年的时间经验总结进行生产。因此，需要进一步 研究齿轮滚轧成形的原理和规律，促进齿轮滚轧成形工艺系统化、标准化发展 和应用。 本文中就应用d e f o i l m 软件对齿轮轧制成形过程进行模拟，分析齿轮轧 制的成形机理；总结齿轮轧制成形规律；观察齿轮s l n 成形过程中金属组织变 化情况；优化齿轮成形工艺与参数；预测齿轮轧制成形过程中可能出现的缺陷 及解决方法。使齿轮轧制成形过程的工艺阶段有更加丰厚的理论铺垫，促进齿 轮s l n 成形成为一种能逐渐应用于齿轮制造产业的成形工艺。 齿轮在目前的各种器械的应用十分广泛，随着科技高速发展，高精度，高 效率的生产齿轮是必然趋势。轧制成形不仅节省原材料，而且成形时间短，成 形精度高，有助于生产高强度、高性能的齿轮，同时克服了切肖加工生产齿轮 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 时齿轮强度差的弱点，也解决了锻造或摆辗成形斜齿轮或者螺旋齿轮时脱模困 难的问题。 1 6 本章小结 本章主要阐述圆柱齿轮的制造工艺，对齿轮切削加工工艺以及精密塑性成 形工艺做了比较详细的介绍，总结了各种齿轮成形工艺的原理及特点。得出轧 制成形齿轮工艺的优越性及可发展性，以齿轮塑性成形工艺为基础，以齿轮滚 轧成形为中心，研究齿轮滚轧成形的发展方向，指出应用有限元分析软件 ( d e f 0 1 w 3 d ) 对齿轮滚轧成形的有利条件与支持，提出本课题的具体研究 内容。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章圆柱齿轮滚轧成形技术 齿轮切削成形技术在1 9 世纪末，由于切齿机及相应刀具的相继出现得到了 发展，而齿轮滚轧成形技术却只有几十年的应用时间。2 0 世纪6 0 年代中国根 据苏联的齿轮滚轧技术利用单轧辊、多轧辊、冷轧、热轧等工艺进行了齿轮辊 轧成形研究，但是缺乏齿轮滚轧成形理论体系，根据经验推算轧坯尺寸、轧辊 尺寸、运动参数等数据。目前的试验研究证明，齿轮滚轧成形技术特别适合中 小模数齿轮的加工，利用此工艺制造的齿轮也可适用于一般精度机械。 2 2 齿轮轧制成形工艺分类 齿轮轧制成形工艺有很多种，主要有单轧辊轧制( 如图2 1 所示) 、双轧辊 轧制成形( 如图2 2 所示) 、三轧辊轧制成形( 如图2 3 所示) 、两凹板模具轧 制成形( 如图2 4 所示) 和凸凹模具轧制成形( 如图2 5 所示) 【4 1 】【4 2 】【4 3 1 。 图2 - 1 单轧齿轮示意图图2 2 双轧齿轮成型示意图 不同类型的齿轮* l n 方法有不同的特点，单轧辊c l n 齿轮时，齿轮只受单 方向的压力，齿形两侧摩擦力方向不同，造成齿形不对称 3 4 。因此必须对轧 轮齿形进行预修正，试轧时再进行修正，使轧齿形相对称。或者就是使轧辊反 转数次并采用工艺润滑可使齿形端面金属流动更均匀，齿形准确。同时齿轮表 面精度也得到提高。 采用双轧辊轧制时，c l n 力比较平衡，坯料偏移量较小，因此系统刚性好。 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 双轧较小孔径齿轮时的效果更好。而且成形速度快，但是若两个轧辊配合不精 确时，容易使齿坯乱齿或椭圆形齿轮。而且使用双轧辊轧制工艺的时候，同步 的感应加热系统布置与移动都会受到限制，导致轧机结构复杂，调试不方便。 三轧辊滚轧成形齿轮虽然精度高，轧辊的累积误差小，但是由于轧辊相位 差调整不便容易造成坯料花齿。而两凹板和凸凹形模具s l n 齿轮虽然齿形精度 高，但模具制造困难，设备适用性较差。因此，单轧辊和双轧辊滚轧成形齿轮 在生产中可使用性较强。 1 。2 , 3 嚼幢轧辊 4 辘坯 1 轧坯 2 凹形轧蔡 | l 2 图2 3 三轧辊s l n 成形图2 4 两凹板s l n 成形图2 5 凸凹形模具轧制成形 2 3 齿轮轧制成形工艺原理 金属齿轮滚轧成形是靠旋转并径向进给的轧辊与坯料之间形成摩擦力，将 坯料拖进辊缝，使坯料受到挤压力而产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸 要求的零件的加工工艺。 齿轮滚轧成形过程中，轧辊将坯料表面部分金属挤压至轧辊空腔内部，如 图2 - 6 所示，并使金属成形，基本遵循体积不变的原则，因此齿轮中心部位基 本不发生塑性变形【删【4 5 1 。 图2 - 6 齿轮轧制成形轧坯金属流动示意图 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 轧辊在主轴的牵引下旋转同时做径向进给，齿坯两端用顶尖定位，跟随轧 辊旋转并在轧辊径向进给的作用下逐渐呈现齿轮轮廓，如图2 7 所示。还可根 据冷热加工工艺的不同适当选择感应加热装置。 图2 7 双轧辊轧制工艺模型示意图 2 4 齿轮轧制成形工艺装备 根据齿轮滚轧加工的特点，滚轧机床主要由以下几大部分组成：主传动系 统、轧辊安装机构、工件装夹机构、径向进给机构、进给加压系统和机身。 最早的滚轧齿轮机是由车床c 6 3 0 ，c 1 6 3 等改装的【1 7 】。利用c a 6 1 4 0 车床 床身作为滚轧齿轮机床的机身，可以简化结构和降低设备开发成本，而且机床 床身导轨也可以作为工件径向进给的导向元件。在设计中，采用的是双辊轧成 形方式，利于平衡轧坯两侧所受载荷和提高结构刚度；采用液压的径向迸给加 压方式，利于保持挤压力的恒定。装备设计时，采用自由驱动和定中心距的工 作方式。 单轧辊轧机型号：r z l 0 型卧式热轧机外形尺寸：2 7 7 0 x 2 0 7 6 x l h 5 m m ；重 量：4 5 吨；型式：单轧轮；单级直接分度；主电机功率1 3 k w ，转速1 5 0 0 r p m ； 液压泵电机功率5 5 k w ；轧轮回转速度为7 5 1 0 0 r p m ；主油缸工作压力1 0 , - - 1 2 5 吨；工件夹紧力2 3 吨；轧制规范：节圆直径0 8 0 0 2 0 0 m m ，齿轮宽度1 0 8 0 m m ， 模数2 5 m m 。 德国的 r o l l e x ”双轧辊机p r z 8 0 适用于利用圆柱轧辊轧制大齿高齿轮。轧 制力可达8 0 0 k n ，具有标准的渐开线齿轮模型。 3 j i c 1 2 5 0 m 型机器人控制轧齿机：轧坯齿轮直径：5 7 0 r a m ；轧坯齿轮宽度： 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 1 0 5 m m ；轧辊轮齿外圆直径：7 5 0 r n m ：液压机滚轧力：1 5 m n ；液压机* l n 力： 1 1 m n ；轧辊最大力矩：3 0 0 n m ：主轴转速：1 2 转i m i m 电动机额定功率：1 9 5 k w 。 此轧齿机装有旋转式自动装卸轧坯机械手，具有轧制前加热装置，可以对轧坯 进行加热，利用热轧提高齿轮生产效率。 2 5 圆柱齿轮滚轧成形模型建立 2 5 1 坯料尺寸参数确定 根据体积不变原则计算，在t c l n 过程中使坯料的部分金属流入轧辊轮齿与 坯料之间的空隙之中，进而形成轮齿，如图2 8 所示。也就是说坯料的直径对 齿轮成齿起着关键作用，它影响轧制件的质量。但从理论上来讲，轧坯的外圆 直径应该按照公式2 1 计算。但是因为在轧制过程中，轧坯两端金属会因为轧 辊的挤压产生轴向塑性变形溢出，同时由于轧辊的挤压金属纤维变得密集，体 积减少。所以，轧坯的实际外径要比分度圆大些【4 6 1 。 蜘- 0 1 4 x m ( 2 - 1 ) 式中d 讹- 坯料直径 d 一所需齿轮分度圆直径 坯料尺寸直接影响轧制件的精度。当坯料直径过小时，c l * i j 件轮齿齿形不 全，齿厚不足，同时轧制件外径不能达到所需要求。当坯料直径过大时，轧制 件齿高或者外径增大，齿顶褶皱，轧制过程中轧制抗力增大。因此，要依据轧 制成形体积不变原则，确定一个恰当合理的坯料尺寸【4 7 1 。 c i 柏 图2 8 体积不变原则尺寸简图 1 7 武汉理工人学硕士学位论文 正如图2 8 中所示，d p r e 为坯料直径，轧制过程中，a 2 部分金属逐步流入 a 1 部分，形成完整齿形。同时还要考虑坯料外圆与轧辊外圆接触时的空隙部分 是由轧辊的外圆决定的，所以当在实际生产中的d p r e 与理论的d p r e 是有差异时， 需要在生产时进行调整，因此采用公式2 2 计算轧坯原尺寸。 1 妣= 妄( 锄+ 函) + 0 3 5 m z ( 2 2 ) 式中“r 所需轧制件外圆直径 枷需轧制件节圆直径 m n 一法向模数 2 5 2 轧辊参数确定 1 ) 轧辊齿数的确定 轧轮的齿数从理论角度来讲，应该是尽量取多数。原因如下： ( 1 )轧辊齿数数量多，可以使轧制过程中未轧入轧坯的轧辊部分有尽量 长的时间置于空气中，有利于轧辊散热，从而改善冷却条件，提高轧轮寿命。 ( 2 )轧辊齿数数量多，齿面曲率半径减小，轧坯与轧辊接触率增加，所 轧齿形就更精确。 ( 3 )轧辊齿数数量多，有利于减少轧轮每个轮齿的利用率，从而减少轧 辊磨损，提高轧轮寿命。 轧辊的齿数同时又与轧轮材料，热处理设备，齿轮n - f 机等因素相关，在 并且在相同齿轮精度的条件下，齿轮参数公差带对着齿数的增多而增大，轧制 的齿坯误差会随之加大。因此，为了确保齿坯精度，轧轮的齿数不宜超过轧坯 齿数的三倍，且应互为质数，以避免轧轮误差在轧坯上周期性叠加，造成误差 累积增大。 2 ) 轧辊齿轮的齿形角设定 在轧制工艺中轧辊的齿形会发生变化，具体情况如图2 - 9 所示。为了避免 轧轮齿顶啮合产生弯矩过大使轧轮折断，采用削薄轧轮齿顶与齿根减少轧轮所 受的弯矩的方法，对轧轮进行优化【4 8 】【4 9 】【5 0 】【5 l 】。用这种轧轮生产的轧坯毛刺较少， 也可减少在轧制过程中的打滑现象产生。 1 8 武汉理工大学硕十学位论文 1 0 【辊= 0 【坯( 4 0 - l o ) 1 一热轧后轧坯齿形 a 一齿根修整 瑚轧后轧坯齿形 图2 - 9 轧辊齿形角示意图 本文中为了方便工艺参数设定，采用的为与所需轧坯所对应的从动轮为轧 轮，并依照轧轮的优化准则对轧轮做出相应的改进。并且为了避免齿轮产生崩 裂、减小轧制过程中金属流动的阻力，对轧轮齿顶修圆并加大了轧轮齿顶部分 的倒角。同时为了保证轧坯在轧制后自动形成所需的齿顶角，轧辊的齿根部分 应具有相应的倒角。 3 ) 变位量的确定 为了提高轧坯精度，轧轮采用尽可能大的变位量，但最大限度应该保证齿 顶不变尖，以免在轧辊进给过程中出现轧辊崩齿，一般轧轮齿顶变位量取 0 3 0 5 木m 最佳。 4 ) 轧辊材料确定 轧辊材料可以选用w 1 8 c r 4 v 钢，淬火硬度为h r c 5 7 - - - 6 0 。它具有较高的硬 度，并且在高温下能保持高硬度的红硬性，并且具有高的耐磨性和适当的韧性， 适合作为轧辊