中空分流锻造成形机理及应用技术研究

论文摘要

齿轮品种多,数量巨大,在汽车、飞机、轮船、机床等产品中应用广泛,尤以各种车辆传动装置中应用最多,其中,一辆汽车上的齿轮近40件,约有一半可采用精密模锻工艺生产。其中,圆锥齿轮、起动齿轮和同步器齿环等已实现精密模锻工艺生产,在节材、节能、提高产品性能和环保方面创造了显著的经济与社会效益。但,结合齿轮、倒档齿轮和大模数直齿圆柱齿轮等结构复杂、成形极为困难的齿轮的精锻技术研究很少见到报导。国外,德国的蒂森克虏伯公司和日本的你期待(Nichidai)公司已研发出结合齿轮和倒档齿轮的温冷复合精锻成形工艺并用于生产,由于技术保密,未见发表论文；对于大模数直齿圆柱齿轮未见公开报导。而国内的研究刚刚起步,有的甚至为空白。本文以实现这些复杂齿轮的精密模锻为目标,采用经典塑性成形理论、有限元模拟与试验相结合的方法对中空分流锻造成形机理及应用技术进行研究,其主要研究内容及成果如下：研究了中空分流锻造成形机理,得到：当采用实心圆饼毛坯通过常规闭式锻造成形为圆饼直齿轮时,毛坯金属以轴向压缩流动为主,径向流动极小,其等效应变值小,但等效应力值大,导致成形力迅速增大,而齿顶未能充满；当采用环形毛坯闭式锻造即中空分流锻造时,毛坯金属产生轴向与径向复合流动,等效应变值增大,等效应力值减小,不仅成形力大为减小,而且齿顶充填饱满。分析了影响锻造成形力的各主要因素及其相互关系,提出了以成形力最小为目标函数的优化模型的思路,导出了中空分流锻造成形力的计算公式和满足中空分流锻造成形要求的环形毛坯孔径的计算公式,实现了环形毛坯的优化设计。采用刚粘塑性与热力耦合有限元模拟方法,分析了采用常规闭式锻造成形结合齿轮精密锻件时,因金属沿径向流动距离过长、切向拉应力过大,从而导致模具破裂和锻件缺陷；针对这一技术难题,提出了中空分流锻造成形工艺方案和预锻件的优化设计方法,完成了三工序结合齿轮中空分流锻造模具结构设计,同样,采用刚粘塑性有限元模拟和工艺及模具试验,验证了其可行性与先进性。针对采用厚壁无缝管坯通过带芯轴挤压成形为大模数直齿圆柱齿轮存在材料利用率低、成形力过大的问题,提出采用圆柱体毛坯通过温(热)态闭式挤压和冷挤压精整的中空分流锻造成形工艺方案,完成了热态闭式挤压和冷挤压精整模具结构设计并提出了相应的选用原则,采用刚粘塑性热力耦合有限元及弹塑性有限元模拟分析与工艺试验验证了其可行性。利用所取得的理论研究成果,在合作企业建立了由下料、加热、16000KN三工位热模锻压力机、热处理炉和6300KN精锻液压机组成的中空分流锻造成形生产线,实现了“大众”二档结合齿轮精密锻件的批量生产,为企业创造了良好的经济社会效益；大模数直齿圆柱齿轮中空分流锻造成形工艺与模具,为相关企业实现汽车驱动桥行星齿轮精锻生产的应用提供了科学依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源、目的及意义
• 1.2 齿轮传动的特点及其应用
• 1.3 国内外齿轮精锻成形技术的研究动态
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 中空分流锻造成形技术基础研究
• 2.1 中空分流锻造成形原理
• 2.2 中空分流锻造成形机理
• 2.3 环形毛坯的尺寸计算及工艺参数优化
• 2.4 中空分流锻造成形力的计算
• 2.5 本章小结
• 3 刚粘塑性有限元法与热力耦合分析基本理论
• 3.1 刚粘塑性有限元法的一般理论
• 3.2 热分析的基本理论及计算模型
• 3.3 塑性变形与热力分析的耦合
• 3.4 本章小结
• 4 结合齿轮中空分流锻造成形新工艺
• 4.1 结合齿轮结构特点及传统加工方法存在的问题
• 4.2 结合齿轮常规闭式锻造成形工艺及模具结构
• 4.3 常规闭式锻造成形过程有限元模拟
• 4.4 中空分流锻造成形工艺分析
• 4.5 中空分流锻造成形过程有限元模拟
• 4.6 结合齿轮中空分流锻造与冷精整复合成形
• 4.7 本章小结
• 5 大模数直齿圆柱齿轮温（热）冷中空分流锻造成形工艺
• 5.1 大模数直齿圆柱齿轮中空分流锻造成形的必要性分析
• 5.2 大模数直齿圆柱齿轮温（热）冷中空分流挤压工艺方案
• 5.3 大模数直齿圆柱齿轮温（热）闭式反挤压工艺研究
• 5.4 中空分流冷挤压精整成形工艺及精整量的优化
• 5.5 本章小结
• 6 齿轮中空分流锻造成形模具
• 6.1 齿轮中空分流锻造成形模具要求及设计要点
• 6.2 结合齿轮中空分流锻造成形模具设计
• 6.3 大模数直齿圆柱齿轮温（热）挤压预成形模具设计
• 6.4 大模数直齿圆柱齿轮冷挤压终成形模具设计
• 6.5 本章小结
• 7 齿轮中空分流锻造成形的试验研究与应用
• 7.1 结合齿轮温（热）成形工艺试验
• 7.2 大模数直齿圆柱齿轮中空分流锻造成形试验研究
• 7.3 本章小结
• 8 全文总结及展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间所发表的论文及专利