重载大模数齿轮精密轧制成形与微观组织演变规律研究

A precision gear rolling method is proposed in the project for a heavy, big modulus gear, which is the common parts with high performance that used in heavy truck, defense equipment, large ships, wind-power generators and other major equipment required. Using the method of theoretical analysis, numerical simulation and experimental research combined, reserch will be carried on forming mechanism of the precision gear rolling and microstructure evolution of such basic scientific problems. Mathematical model describing the precision gear rolling will be establish based on analysis of the relationship between workpiece and die interaction and motion, The mathematical model of the temperature field of workpiece will be established for electric current density, electric current frequency, heating time for the process of medium frequency induction heating workpiece, and the influence of process parameters and the induction coil structure to the workpiece temperature field conditions will be studied. Distribution of displacement field and stress/strain field will be studied in gear rolling process with the temperature gradient of the non-uniform temperature field, and the gear precision rolling rules and mechanism of the product quality defects will be reveals,and preventive measures will be proposed. Research on evolution of microstructure during the gear rolling process will be conducted under the condition of the temperature gradient of the non-uniform temperature field , and the relationship between macroscopic plastic deformation, microstructure and mechanical properties will be revealed in the gear rolling process. The main factors and the mechanism of the influence mainly affects microstructure and mechanical properties in gear rolling process will be determined, and then the process conditions will be optimized.

针对重型汽车、国防装备、舰船、风力发电机组等重大装备所需的高性能齿轮通用基础件，提出一种重载、大模数齿轮的精密轧制成形方法。 采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的方法，深入开展齿轮精密轧制成形机理与微观组织演变规律等基础科学问题的研究。分析轧件与模具相互作用与运动关系，建立描述齿轮精密轧制成形的数学模型；建立工件中频感应加热电流密度、电流频率、加热时间等工艺条件下工件温度场的数学模型，获得工艺参数及感应线圈结构对工件温度场的影响规律；研究具有温度梯度的不均匀温度场条件下的齿轮轧制成形过程中应力应变场及位移场的分布规律，揭示齿轮轧制成形规律、产品质量缺陷产生的机理并提出预防措施；研究不均匀温度场条件下齿轮轧制的金属组织演变规律，揭示齿轮轧制成形过程中宏观塑性变形、微观组织演变与力学性能之间的关系，确定齿轮轧制成形过程中零件组织性能的主要影响因素和影响机制，进而优化最佳工艺条件。

重载大模数齿轮是机车车辆、重型卡车、船舶、风电设备等重载机械设备必不可少的关键基础件，其质量、性能、寿命直接影响整机的使用和性能。尤其是风电机组由于齿轮维修非常困难，其对齿轮可靠性和使用寿命更是比一般机械要求高得多。长期以来，寿命短、可靠性差、结构重成为制约我国齿轮产业发展和安全使用的三大问题，而“成形”制造则是主要原因之一。.针对国内重型汽车、工程机械、风电机组、舰船、国防装备等重大装备所需的高性能重载大模数齿轮零件，提出一种大模数齿轮的精密轧制成形方法。与传统的切削加工方法相比，不仅在节材、节能、低成本、高效率等方面具有显著优势。更重要的是轧制成形使得金属材料的纤维组织沿齿形均匀连续分布，组织晶粒细化，微观缺陷减少。因此轧制齿轮的机械性能可显著提高，齿的弯曲强度、接触疲劳强度和耐冲击性高于切削齿轮，使用寿命将明显提高。.开展齿轮精密轧制成形机理与微观组织演变规律等基础科学问题的研究，建立了工件中频感应加热时的电流密度、电流频率、加热时间等条件下工件的温度场的数学模型，揭示了工艺参数及感应线圈结构对工件温度场的影响规律；研究了齿轮轧制成形过程中应力应变场及位移场的分布规律，揭示了大模数齿轮轧制成形规律、产品质量缺陷产生的机理并提出预防措施；研究了齿轮轧制成形过程中内部金属组织演变规律，建立了一套基于物理意义的内变量统一本构模型，揭示了齿轮轧制成形过程中微观组织演变以及与性能相互作用规律，进而优化最佳工艺条件。.依据工艺原理设计开发了由伺服电机驱动的新一代齿轮轧制实验样机，可轧齿轮最大直径为300mm、模数为5mm、最大轧制力可达40吨，并进行了多轮试验，证明该设备基本满足小批量生产要求。.完成了下惰齿轮产品的实验室开发。历时2年多的实验，完成近20余件的实验样件试制。齿轮齿形偏差满足十一级，齿向以及齿距偏差满足十二级，研究成果为工业应用奠定了工作基础。