螺旋圆柱齿轮温精密成形机理与技术基础研究

Helical gears are widely used in the most of automotive industry owing to their high contact ration,good meshing quality and smooth transmission.A new method of warm precision forming the helical gear is put forward in this project in order to overcome the disadvantages of the low utilization,high cost, worse mechanical properties of product in conventional metal cutting.Combining macro-deformation with micro- deformation,the technique on forming high performance helical gear will be achieved by investigating warm precision forging helical gear.Through rigid-viscoplastic mechanics analysis,metallurgy analysis,the numerical simulation and forging process tests, the tooth material flow and plastic deformation law,the microstructure evolution law and coupling mechanism of macro-micro deformation will be researched,the macro-micro deformation mechanism and the effect laws of process parameters on it as well as the relationship between forming performance of the helical gear,process parameters and microstructure will be revealed and the mechanism motion law of ejecting the product helically and the design method of the forging die will be developed during warm forging helical gears.The warm precision forming theory and technology design method of controlling the shape and the performance of the helical gear precisely will be established.Research results will provide valuable guidelines for optimizing the process parameters,predicting and controlling the forming quality and play an important role in the development of the new theory and applications for forming the high performance helical gear.

螺旋圆柱齿轮因其重合度大、啮合性好、传动平稳，在汽车等行业有着广泛的应用。温成形螺旋圆柱齿轮可以克服该类零件因传统切削加工方法存在着材料利用率低、产品成本高、金属纤维被切断而降低齿轮强度等缺点。本项目以螺旋圆柱齿轮温精密成形技术为研究对象，采用宏观与微观相结合的方法，实现宏观调控微观组织变化成形高性能螺旋圆柱齿轮技术。通过刚粘塑性力学分析、金属材料冶金学分析、成形过程数值模拟和工艺测试，研究螺旋圆柱齿轮温精密成形过程中齿形材料流动及变形规律、微观组织演变规律和宏微观变形耦合交互作用机制，揭示齿轮精密成形宏微观变形机理及工艺参数对其影响规律，获得产品成形性能与宏观参数及微观组织的耦合关系，掌握螺旋脱模运动规律和模具设计方法，建立齿轮温精密成形控形控性理论和技术设计方法。项目研究为高性能螺旋圆柱齿轮温成形工艺参数优化、成形质量预测和控制提供理论依据和设计方法，促进螺旋圆柱齿轮精密成形新技术。

螺旋圆柱齿轮因其重合度大、啮合性好、传动平稳，在机械、汽车等行业有着广泛的应用。精密成形螺旋圆柱齿轮可以克服该类零件因传统切削加工方法存在着材料利用率低、产品成本高、金属纤维被切断而降低齿轮强度等缺点。本项目以螺旋圆柱齿轮精密成形技术为研究对象，首先利用Gleeble-3500热压缩实验研究了齿轮钢20CrMnTiH的高温变形行为，确定了该材料的高温流动方程和微观组织演化数学模型，构建了材料热加工图，基于DEFORM-3D软件建立了该材料库模型；采用宏观变形与微观相结合的方法，基于DEFORM-3D软件分别建立了闭式模锻、浮动凹模、分流锻造等工艺变形-传热-微观组织耦合有限元模型，模拟了各工艺螺旋圆柱齿轮成型过程，得到了各工艺成形载荷-行程曲线，揭示了齿形充填机理、宏观变形材料流动规律、微观组织分布特点和演化规律。设计了螺旋圆柱齿轮闭式锻造脱模机构，推导了齿轮脱模力公式，建立了齿轮脱模过程有限元分析模型，模拟了脱模过程对零件成形精度的影响。利用主应力法和上限法相结合的理论，推导了螺旋圆柱齿轮冷精密成形时成形载荷公式，计算了齿轮精密成形时模具型腔侧壁应力，建立了螺旋圆柱齿轮模具应力分析和模具弹性变形有限元分析模型，得到了闭式精锻螺旋圆柱齿轮时齿形凹模型腔弹性变形规律、模具弹性变形量和齿轮锻件弹性回复量，并通过反算的方法补偿修正模具弹性变形量来提高齿轮精密成形精度。设计制造了螺旋圆柱齿轮精密成形工装，分别利用铅和20CrMnTiH材料进行了齿轮工装实验。研究结果表明，采用浮动凹模和分流工艺可以减小成形力，齿轮成形过程中齿形部分变形剧烈，随着变形的进行和坯料变形温度的升高，齿形部分动态再结晶百分数增加，平均晶粒尺寸先减小后增大。齿形凹模侧壁的应力和弹性变形量沿齿宽方向和齿形径向具有不同分布特点，上端面等效应力和径向弹性变形量较大，齿轮锻件径向弹性回复值由齿根圆至齿顶圆逐渐增大，由上端面至下端面逐渐减小。项目研究结果能为高性能螺旋圆柱齿轮精密成形工艺参数的优化、成形质量的预测和控制提供理论依据和设计方法，对促进螺旋圆柱齿轮精密成形新技术应用发展具有重要意义。