载重汽车用直齿圆柱齿轮连续冷挤压冷整形复合成形关键技术研究

摘要

直齿圆柱齿轮作为载重汽车轮边减速器中最常见的传动零件，市场需求量巨大，一般采用切削加工方法制造。随着精密塑性成形工艺的发展，直齿圆柱齿轮的生产也越来越多的采用这种净近成形的方法制造，其成形后的齿面光洁，金属流线连续，轮齿承载能力高，因此采用精密塑性成形工艺制造直齿圆柱齿轮具有广阔的应用前景。
　　随着模具制造技术的提高和新型模具材料的研发及应用，大模数、大齿宽直齿圆柱齿轮精密塑性成形技术正逐渐应用于工业生产，但仍存在成形质量不稳定、成形精度差的问题。因此，如何提高直齿圆柱齿轮的成形质量和成形精度是精密塑性工艺的关键。
　　本文以载重汽车轮边减速器用直齿圆柱齿轮为研究对象，提出一种全新的直齿圆柱齿轮通过式连续“冷挤压+冷整形”复合成形工艺方案，并从直齿圆柱齿轮冷挤压工艺参数多目标优化、大模数冷挤压直齿轮冷整形方式和整形量的选择、直齿圆柱齿轮冷挤压组合凹模的优化设计等方面对直齿圆柱齿轮通过式连续“冷挤压+冷整形”复合成形关键技术进行了系统全面的研究。论文的主要研究工作有以下几点：
　　①对原成形工艺通过式冷挤压生产的直齿圆柱齿轮成形质量差、成形精度低的问题进行了分析，得出导致成形齿轮质量差、精度低的主要原因为：冷挤压时背压力不足和冷挤压齿轮的弹性回复。基于分析结果提出一种全新的直齿圆柱齿轮通过式连续“冷挤压+冷整形”复合成形工艺。
　　②研究分析了冷挤压主要工艺参数对直齿轮成形质量的影响规律，提出采用数值模拟和实验设计相结合的方式，以响应面法作为优化方法，成形质量和成形载荷作为优化目标，对各工艺参数进行多目标优化设计，得出最佳工艺参数组合。误差分析和生产实践证明，采用优化工艺参数组合，能有效提高齿轮成形质量和降低齿轮成形载荷。
　　③基于冷挤压齿轮实际测量的数据建立误差模型，分析了不同冷整形方式及整形量对齿轮冷整形过程中金属流动及齿轮精度的影响规律，并确定了合理的冷整形方式及整形量。采用只整形齿面的冷整形方式和双侧整形量为0.15mm进行工艺实验，检测结果显示，齿轮齿形精度由8级提高至7级，齿向精度由10级提高至8级，冷整形工艺可以显著地提高冷挤压齿轮的精度。
　　④采用实验设计与数值模拟相结合的方法，构建直齿圆柱齿轮冷挤压组合凹模结构参数与模芯最大等效应力之间的Kriging模型，运用粒子群算法对其进行全局寻优，得出冷挤压组合凹模最佳直径比和过盈系数。优化后的组合凹模整体尺寸仅为经验法设计尺寸的68.75％，有效减小了组合模具的整体尺寸，节约了模具材料，采用优化后的组合凹模进行实际生产，模具使用寿命约15万件，与原经验法设计的组合凹模相比较，使用寿命保持不变。
　　⑤采用直齿圆柱齿轮通过式连续“冷挤压+冷整形”复合成形工艺进行生产试制，尺寸检测结果显示，上、下端齿顶最小直径分别为74.40mm和73.86mm，均达到后续车外圆要求，下端端面外凸约2mm，上端端面凹陷约2mm，优于原工艺加工的齿轮。齿轮精度检测结果显示，齿廓总偏差最大为12.2μm，达到了GB/T10095齿形精度等级6级；螺旋线总偏差最大为26.6μm，达到了GB/T10095齿向精度等级8级。因此采用复合成形工艺可以加工生产出精度为8级的大模数直齿圆柱齿轮。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 直齿圆柱齿轮精密塑性成形工艺研究现状

1.3 直齿圆柱齿轮冷挤压成形精度及模具设计研究现状

1.4 研究目的与主要内容

2 直齿圆柱齿轮成形方案设计

2.1 研究对象及原成形工艺

2.2 有限元模型的建立

2.3 数值模拟结果

2.4 通过式连续“冷挤压+冷整形”复合成形工艺的提出

2.5 本章小结

3 冷挤压工艺参数多目标优化

3.1 主要工艺参数对齿轮成形的影响

3.2 实验设计和模型建立

3.3 优化和验证

3.4 结论

4 冷整形方式的选择及整形量的优化

4.1 冷整形工艺分析及整形量的初定

4.2 数值模拟及结果比较

4.3 工艺实验

4.4 结论

5 冷挤压组合凹模的优化设计

5.1 组合凹模经验法设计

5.2 组合凹模优化设计

5.3 分析与比较

5.4 工艺实验

5.5 结论

6 直齿圆柱齿轮复合成形工艺实验

6.1 实验准备

6.2 结果分析

6.3 结论

7 总结与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 不足之处及工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者攻读博士学位期间参加的科研项目