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齿轮轴热锻冷收缩精整复合工艺关键技术研究

作者:李智年份:2017来源库:博士

摘要:齿轮轴作为一种重要的动力传输零件广泛应用于汽车、电力、船舶、工程机械等领域。传统的齿轮轴加工方法为预制坯后进行切削齿形,齿形切削生产效率低,而且浪费了优质齿轮钢材。采用精密塑性成形方法成形齿轮轴拥有材料利用率高、生产效率高,以及齿形部分的金属流线沿齿廓连续分布并且晶粒得到细化等优点,因此齿轮轴近净成形具有较好的应用前景。塑性成形方法已经广泛应用于小模数、小直径的圆柱齿轮和锥齿轮的成形。对于模数较大、直径较大的齿轮轴,尤其螺旋齿形的齿轮轴,热精锻成形精度难以控制,产品表面质量差,而直接冷成形载荷和模具受力大,因此应用较少。本课题针对螺旋齿齿轮轴采用热锻成形、冷收缩精整复合成形工艺,旨在实现齿轮轴的近净成形。由于采用传统浮动凹模方法成形齿轮轴会出现长轴在模具中失稳的现象,因此本课题提出了齿形模具向下浮动的齿轮轴热锻模具结构成形齿轮轴,主要研究了阶梯轴坯料的尺寸对金属流动方向的改变,以解决齿形下端面折叠的问题。针对齿轮轴顶端带有盲孔的特点,对盲孔尺寸进行了研究,得出了较小的盲孔锥度可以改善金属在齿腔内的流动,解决了因金属流动方向造成的上端面折叠;发现了较大的盲孔深度所对应的模具应力较小,防止了金属流入齿形模具与上凸模的间隙影响锻后脱模。在齿轮轴热锻模具结构基础上,提出轴端压力辅助成形工艺用以解决齿轮轴齿形填充不满的问题。对锻造中的工件进行受力分析,建立了轴端压力辅助成形数学模型,实现了对轴端辅助压力的计算。分析了轴端辅助压力与齿轮轴参数的关系,揭示了模数相同时齿数越多所需的辅助压力越小,而模数越大则需要更大的辅助压力,轴部两段直径的直径比越大所需的辅助压力就越小的规律。针对传统减径挤压工艺精整螺旋齿形存在的同一齿的两齿面受力不均衡的现象造成的齿形两齿面精整差异,提出了冷收缩精整工艺。通过对齿形模具与收缩环的应力进行计算,解释了模具尺寸与模具等效应力的关系。通过对模具和工件的应力分布进行研究,发现模具两端面受力不均衡造成了端面差异。通过研究收缩量对齿形螺旋线变化的影响,发现随着收缩量的减小端面差异会明显减小。分析了冷收缩精整中模具与工件弹性变形,建立了齿轮轴冷收缩精整模具渐开线齿廓理论模型。基于螺旋角修正原理,建立了齿形模具螺旋线的计算公式。分析得出了齿形模具锥角、工件盲孔深度以及模具端面受力不均匀为螺旋齿形冷收缩精整的齿向不均匀变化的产生原因。设计冷收缩精整模具,对精整后工件进行检测,齿形齿廓精度为8级,螺旋线精度为10级。对比了冷收缩精整前后工件齿形的表面粗糙度,改善了锻件同一齿的两齿面粗糙度差异,表面粗糙度达到8级。观察分析了复合成形过程齿轮轴的微观组织分布,研究了齿形位置微观组织与硬度之间的关系,发现经过冷收缩精整后分度圆附近的铁素体晶粒高宽比增加最多,表面和中心位置分别增加了18.9%和12.7%,齿根和齿顶位置的高宽比提升较少,硬度变化与微观组织变化规律相符,最大的位置是分度圆附近,硬度增加了约20%,并且齿形表面硬度明显高于中心位置。本课题将齿轮轴热锻冷收缩复合工艺应用于汽车变速器输入轴近净成形,最终成形出了表面质量好、齿形精度高、微观组织致密的齿轮轴,齿形精度可达8级,并提高了材料利用率,为齿轮轴复合成形工艺提供了理论和实验依据,为齿轮轴零件精密塑性成形工艺的工业应用提供了重要的指导。

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