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中空分流锻造成形机理及应用技术研究

冀东生

  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。……   
[关键词]:结合齿轮;大模数直齿圆柱齿轮;闭式锻造;中空分流锻造;刚粘塑性有限元;热力耦合分析;弹塑性有限元;模具设计
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华中科技大学2011年