行星滚柱丝杠滚柱冷滚压成形机理与实验研究

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行星滚柱丝杠是一种将旋转运动转化为直线运动的传动部件,具有运行速度高、承载能力强、环境适应性好以及使用寿命长等优点,应用前景广阔。目前,行星滚柱丝杠滚动体(滚柱)的加工方式仍偏于传统,质量稳定性、制造成本和生产效率等方面都面临诸多难题,限制了该机构在实践中的应用与推广。冷滚压成形工艺作为一种无切屑的先进加工方法,具有生产效率高、材料耗费少、成形性能好等优点,符合现代制造业绿色、高效以及精密的工艺需求。为此,本文以滚柱的冷滚压成形方法为对象,研究了滚压轮几何设计方法、力能参数计算、材料流动机理以及缺陷影响因素等内容。为冷滚压成形设备选择或设计、工艺规程优化、滚压轮设计等提供了理论依据。本文主要研究内容如下:(1)研究了滚柱冷滚压成形的滚压轮几何设计方法:基于空间啮合原理,推导了行星滚柱丝杠零干涉情况下的滚柱理论齿形参数计算方法,并结合误差分析,获得了滚柱最终修形齿形,以此作为滚压轮轮齿设计依据;根据滚柱结构特征,确定了滚压轮的结构形式;分析了滚柱安装相位与滚压轮设计相位之间的数学关系,并提出了滚压轮初始安装相位微调方法。(2)推导了滚压过程接触面积及力能参数计算理论模型:将空间问题平面化,建立了滚压轮旋转和进给复合运动下的共轭曲线求解模型;考虑成形过程齿高增长的影响,计算了不同进给量下滚压轮与工件的接触曲线,进而求得接触面积;建立了不同接触区域最大塑性变形面(过工件与滚压轮轴线的平面)的滑移线场,推导了接触面单位压力计算方法,给出了最大成形力计算公式。(3)开展了滚压过程材料流动机理及缺陷影响因素的研究:借助有限元软件DEFORM-3D,分析了工件滚压过程中的材料流动规律,找到了齿顶凹槽缺陷形成的根本原因;结合有效齿高率的概念,利用点追踪功能探究了滚压轮转速、进给速度、摩擦系数以及牙型角对齿顶缺陷形成的影响权重,为实际生产加工中滚柱齿顶缺陷的控制提供了参考依据和技术支撑。(4)完成了滚柱冷滚压力能参数实验并与理论及有限元结果进行了对比分析:介绍了实验平台参数、结构以及加工范围;进行冷滚压实验,获取了四个成形阶段的力能参数特征;从理论推导、有限元模拟和实验测量三个方面分别获取了五组工艺参数下的最大成形力及力矩,验证了理论计算和有限元模拟的正确性,并为实际生产中工艺参数的选取提供了思路。
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