小锥角弧齿锥齿轮近净成形机理与试验研究

小锥角弧齿锥齿轮是汽车等机械中的主传动齿轮，齿形面形状复杂、节锥角小、螺旋角大，其制造工艺目前主要采用"锻造制坯→切削加工"传统的工艺流程。项目拟采用温锻加冷处理复合成形工艺实现小锥角弧齿锥齿轮的近净成形。运用刚塑性有限元理论，研究弧齿锥齿轮近净成形过程中的材料受迫流动规律和变形机理；基于任意的拉格朗日-欧拉描述的有限元法，研究齿轮锻件以及模具的应力应变场、温度场和组织结构场的多物理场耦合问题，预测成形过程中缺陷的产生和演化过程；采用灵敏度分析方法，对弧齿锥齿轮预成形模具形状进行多目标优化设计；厘清工件与模具间的运动关系，设计新型凹模结构，解决小锥角弧齿锥齿轮锻件不易脱模问题；通过物理实验研究材料流动状态、变形量、凹模预盈量等对弧齿锥齿轮近净成形精度及成形力的影响。研究成果可为小锥角弧齿锥齿轮近净成形工艺方案的制订、工艺参数的选择和模具设计等提供理论依据。

小锥角弧齿锥齿轮是汽车等机械中的主传动齿轮，齿形面形状复杂、节锥角小、螺旋角大，其制造工艺目前主要采用“锻造制坯→切削加工”传统的工艺流程。项目采用温锻加冷处理复合成形工艺实现了小锥角弧齿锥齿轮的近净成形，并主要开展了以下研究工作：（1）提出了弧齿锥齿轮的闭式模锻-分流终锻成形新工艺：针对弧齿锥齿轮的精密成形采用闭式模锻-分流终锻成形新工艺，利用国内外流行的体积成形计算机模拟软件DEFORM-3D对此工艺进行数值模拟。并就齿轮锻件的应力、应变和温度等各种场量的分布规律以及成形载荷等与传统闭式模锻进行对比分析。（2）对弧齿锥齿轮温锻成形工艺参数进行了数值模拟：采用闭塞成形工艺，利用国内外流行的体积成形计算机模拟软件DEFORM-3D分别对坯料温度、变形速度、摩擦系数、模具预热温度进行分组模拟，得出各参数对成形载荷的影响规律。（3）分析了结构参数对弧齿锥齿轮精锻成形过程的影响：利用国内外流行的体积成形模拟软件DEFORM-3D，研究模数、齿数、螺旋角、压力角等主要结构参数对弧齿锥齿轮精锻成形过程的影响规律，并就不同参数下的成形载荷以及齿根等效应力等进行对比分析。（4）探讨了弧齿锥齿轮温锻成形模具温度的变化规律：项目利用DEFORM-3D分析了变形速度、摩擦系数、模具预热温度对齿模温度场的影响规律。（5）揭示了弧齿锥齿轮脱模运动规律：针对弧齿锥齿轮的精密成形后，需要锻件与模具的相对运动才能完成脱模过程特别要求，利用ADAMS软件对脱模过程进行分析。（6）分析了弧齿锥齿轮精锻成形模具磨损特性分析：采用刚塑性有限元法对弧齿锥齿轮精锻成形过程中模具表面磨损进行模拟分析,研究了摩擦因数、坯料温度、模具硬度、锻压速度等对模具磨损的影响。（7）开展了弧齿锥齿轮温锻成形试验研究：利用DEFORM-3D，分析弧齿锥齿轮近净成形过程中的材料流动规律和变形机理；基于ADMAS分析脱模过程中模具与锻件的运动关系，并利用铅试样进行了试验研究。项目共发表论文13篇，获专利6项，培养研究生3人。