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齒輪冷滾打成形有限元分析研究現狀

發表時間:2022-04-05 22:08 閱讀:
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      高速冷滾打成形技術是一種先進的塑性成形方法,利用室溫狀態下金屬材料的固有塑性,通過高速旋轉的滾打輪對工件進行斷續擊打和滾壓,迫使金屬材料流動,漸變塑性成形,從而形成高性能零件的一種綠色、凈近成形先進制造技術,可以廣泛應用在齒輪、花鍵、絲桿等零部件的生產。具有生產效率高、金屬無切削等優點,并且能夠顯著改善工件金屬組織和加工表面硬度,同時使冷滾打零件的表面質量大幅度提高。
      齒輪冷滾打成形是利用斷續往復高速擊打的方法實現動態沖擊局部加載,逐漸累計變形的自由成形方法,其成形過程是高速、瞬態、高沖擊、大變形的復雜成形過程,齒輪冷滾打成形原理圖如圖1所示。三個成形滾打輪均勻安裝在高速旋轉的滾打軸上,并可繞著自身的軸線旋轉,高速滾打軸每轉動一周,三個滾打輪分別擊打齒坯一次,齒坯成形三次,成形過程中,由于滾打輪和齒坯的摩擦力作用,使得滾打輪以角速度n繞著自身的軸線轉動,滾打輪和齒坯之間實現滾動。滾打過程中齒坯做分度轉動,同時軸向進給,使得齒坯在軸向方向上實現均勻、逐步的成形。齒坯相對于滾打輪的軸向進給速度為,齒坯相對于滾打輪的徑向進給量為。滾打過程中,成形不同的齒形時,只需要更換滾打輪。
      冷滾打技術最早開展于實驗研究。國外對冷滾打技術的理論研究的較早。20世紀60年代,美國、瑞士和德國等國家進行了冷滾打成形技術方面的研究工作,并將此項技術成功應用在拖拉機、紡織工業、機床和汽車的花鍵、齒輪等方面的生產上。西安理工大學、河南科技大學等學者對該項技術進行了深入的研究,從理論上分析了冷滾打成形的運動和動力學基礎,并通過實驗、有限元分析等方法進行了深入的研究,該項技術得到不斷的完善和發展。
      崔鳳奎等針對滾打輪設計方面進行了研究, 根據高速滾打成形中打輪和工件之間的運動關系,根據等升螺旋面的形成理論,根據嚙合原理,建立了滾打輪的理論輪廓設計模型,并根據該模型的尺寸和形狀,加工了滾打輪并進行了實驗,利用實驗的方法,針對滾打輪外輪廓形狀的彈性恢復進行了修正,獲得了符合實際生產要求的滾打輪設計模型。蘇志鵬等運用坐標變換的方法,對漸開線花鍵等4種運動關系進行了分析,建立其滾打運動仿真的數學模型,通過實驗的方法,研究了滾打過程中的干涉現象。呂耀峰等根據空間嚙合的原理建立了漸開線花鍵齒面的數學模型,計算器理論誤差,活動了齒形和齒向誤差隨滾打輪安裝角度的變化規律及漸開線花鍵成形的范成法,奠定了滾打輪運動學基礎。
      意大利的菲亞特的摩登那拖拉機廠采用該項技術生產搖臂軸、長軸等零件,并能夠行形成機群的自動化生產。目前,國外的一些公司生產出來的數控冷滾打機床,能夠實現對成形過程的精確控制,也使得該項技術進一步應用在復雜零件的的表面加工上,零件的加工精度也得到提高。瑞士的GROB公司是最早利用冷滾打技術的公司。
      該公司的Krapfenbauer.H和Emst Grob首先利用冷滾技術生產花鍵,在文獻中簡要介紹了花鍵齒的成形過程,該方法主要是在數控機床上,利用兩個高速旋轉的滾打輪對齒坯進行高速連續擊打,以形成花鍵齒的過程,將這種花鍵齒成形的方法命名為Grob滾打法。
Krapfenbauer.H對冷滾打成形批量生產技術進行了研究,分析了滾打工藝對成形零件精度的影響。Weck.M通過實驗,將滾打產品和切削產品的表面質量進行了對比,實驗結果表明,滾打產品成形過程中形成了一定的硬化層,可以將產品的抗疲勞強度提高25%~35%。


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