圆柱斜齿轮塑性成形工艺数值模拟与试验研究

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圆柱斜齿轮具有啮合性能好、承载能力强、低噪声等诸多优点,因此已被广泛的应用到机械传动中。目前,对斜齿轮仍以机械加工为主,该种方法虽日趋完善,但也存在一些不可避免的缺点,如破坏金属的流线性,齿轮的抗疲劳寿命降低,材料利用率低等。在这种情况下,对圆柱斜齿轮采用塑性成形的方法已经成为一种趋势。本文对特定螺旋角的圆柱斜齿轮,主要提出了两种塑性成形工艺,即浮动凹模成形和滚轧成形。并采用数值模拟和物理试验相结合的方法对两种成形过程进行了研究。针对浮动凹模工艺,采用了有限元软件DEFORM-3D对其成形过程进行了数值模拟,并进行了铅的挤压试验,主要分析了在该种工艺下金属的流动特点、成形载荷、等效应力场应变场以及斜齿轮脱模后影响锻件精度的因素等,并与传统的闭式挤压工艺进行了比较。通过对比发现,圆柱斜齿轮采用浮动凹模挤压可有效降低成形载荷,且在脱模过程中齿轮锻件沿着齿形螺旋方向做刚性旋转运动,这可有效的减小脱模过程中,模腔对锻件的破坏性塑性变形,脱模后影响锻件精度的主要因素为螺旋角和摩擦系数等。同时,在采用浮动凹模的基础上,将直齿轮精锻过程中相关的分流减压措施应用到了斜齿轮的成形中,重点分析了斜齿轮在不同工艺下金属流动速度场,齿形充填情况等。为圆柱斜齿轮精锻成形的深入研究提供了参考。对圆柱斜齿轮采用闭式挤压工艺时,成形后锻件会紧紧的卡在模具型腔内,这给后续的脱模过程造成一定的困难。在该种情况下,根据齿轮的啮合原理,本文后半部分研究了圆柱斜齿轮的滚轧成形。通过相应的理论公式,计算了滚轧轮的齿形尺寸,齿坯直径与轧轮齿顶圆直径之间的关系等相关参数。在此基础上,通过数值模拟探索了滚轧过程的三个阶段,即初步分齿、齿形成形、齿形精整。预测了成形时可能存在的缺陷,并提出了相应的解决措施。为后续的研究提供了依据。
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