花键轴冷滚压精密成形理论与实验研究

摘要

花键轴冷滚压精密成形是一种无切屑的先进制造技术，具有成形效率高、零件综合性能好等优点。冷滚压成形是一种冷体积塑性变形过程，变形机理复杂，迄今还缺乏一套系统的理论和计算依据，因而影响了该工艺在生产实践过程中的推广和应用。本论文针对成形工艺与装备理论、成形零件精度控制中存在的问题，采用理论分析与试验研究相结合的方法，对花键轴冷滚压精密成形机理、力能参数计算、齿面强化机理、成形精度与质量控制等进行了系统的研究。主要研究内容和结论如下：
　　 通过花键轴冷滚压精密成形过程的理论分析，得到分齿阶段的旋转条件和成形几何条件，提出了限定滚压轮最小齿数和齿顶涂层增加摩擦改善旋转条件的滚压轮设计方案；基于双面无侧隙啮合运动，获得了冷滚压齿部成形时滚压轮和工件接触区特征和接触点的滑动方式；应用滑移线场理论，精确分析了花键轴冷滚压成形过程的单位平均应力，给出了滚压轮和工件齿部接触面积的计算方法和影响因素，并对冷滚压成形过程滚压力和滚压力矩进行了计算。为成形工艺参数的确定、机床及滚压轮的设计提供了理论依据。
　　 在理论分析的基础上，提出冷滚压机床主轴阻尼减振方案，与企业合作研制了专用数控冷滚压机床，解决了冷滚压成形变形力剧烈波动导致零件成形精度低等关键问题；自主设计研制了花键轴冷滚压精密成形过程的力能参数测试系统，实现了对实际零件成形过程中动态滚压力和滚压力矩变化的在线测试，研究了滚压轮转速、进给速度对最大滚压力和最大滚压力矩的影响，并对力能参数的理论计算结果进行了验证；首次对冷滚压精密成形精度、表面质量和力学性能进行了综合试验，分析了花键零的齿面金属的流动特征，得到了变形区的作用范围。揭示了冷滚压成形及工艺参数对零件精度、质量和性能的影响，获得了齿面强化和硬化机理。结果表明，花键轴冷滚压精密成形不仅能赋予零件复杂形状与精确尺寸，而且使成形零件原有微观组织得到改善，提高了花键的综合性能，达到了零件的“成形/成性”的一体化调控，尤其适合国防等工业对于高质量、高精度轴类件生产的需求。
　　 通过对自由分度式花键轴冷滚压精密成形齿距累积误差的分析，建立了齿距累积误差与各工艺参数之间的关系，提出了一种速度强制同步控制滚压方案，实现了冷滚压过程的动态分度，提高了零件的成形精度。分析了常见成形缺陷产生的原因，提出了花键轴冷滚压成形质量的控制措施，解决了花键轴冷滚压精密成形工艺走向工业应用的关键技术问题，丰富了花键轴冷滚压精密成形工艺理论，对花键轴冷滚压精密成形技术的推广和应用具有一定的理论价值和实际指导意义。