齿轮冷滚打成形关键技术及有限元分析研究现状

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1、齿轮冷滚打成形关键技术及有限元分析研究现状摘要：文章介绍了齿轮高速冷滚打成形基本原理，对齿轮冷滚打成形的运动学、塑性变形机理、精度控制、有限元分析等关键技术的研究现状进行了总结，分析了该项技术发展的核心和趋势，对生产具有一定的指导意义。关键词：冷滚打；齿轮；研究现状中图分类号：TG306文献标识码：A文章编号：1006-8937(2015)33-0003-01高速冷滚打成形技术是一种先进的塑性成形方法，利用室温状态下金属材料的有塑性，通过高速旋转的滚打轮对工件进行断续击打和滚压,迫使金属材料流动，渐变塑性成形，从而形成高性能零件的

2、一种绿色、净近成形先进制造技术，可以广泛应用在齿轮、花键、丝杆等零部件的生产[1-3]o具有生产效率高、金属无切削等优点，并且能够显著改善工件金属组织和加工表面硬度，同时使冷滚打零件的表面质量大幅度提高[4]。1冷滚打成形原理齿轮冷滚打成形是利用断续往复高速击打的方法实现动态冲击局部加载，逐渐累计变形的自由成形方法，其成形过程是高速、瞬态、高冲击、大变形的复杂成形过程，齿轮冷滚打成形原理图如图1所示。三个成形滚打轮均匀安装在高速旋转的滚打轴上，并可绕着自身的轴线旋转，高速滚打轴每转动一周，三个滚打轮分别击打齿坯一次，齿坯成形三次，

3、成形过程中，由于滚打轮和齿坯的摩擦力作用，使得滚打轮以角速度n绕着自身的轴线转动，滚打轮和齿坯之间实现滚动。滚打过程中齿坯做分度转动，同时轴向进给，使得齿坏在轴向方向上实现均匀、逐步的成形。齿坯相对于滚打轮的轴向进给速度为，齿坯相对于滚打轮的径向进给量为。滚打过程中，成形不同的齿形时，只需耍更换滚打轮，滚打轴和工件的转动速度关系为：2冷滚打成形工艺研究现状冷滚打技术最早开展于实验研究。国外对冷滚打技术的理论研究的较早。20世纪60年代，美国、瑞士和德国等国家进行了冷滚打成形技术方面的研究工作，并将此项技术成功应用在拖拉机、纺织工业

4、、机床和汽车的花键、齿轮等方面的生产上。西安理工大学、河南科技大学等学者对该项技术进行了深入的研究，从理论上分析了冷滚打成形的运动和动力学基础，并通过实验、有限元分析等方法进行了深入的研究，该项技术得到不断的完善和发展。2.1冷滚打运动学理论分析崔凤奎［5］等针对滚打轮设计方面进行了研究，根据高速滚打成形中打轮和工件之间的运动关系，根据等升螺旋面的形成理论，根据啮合原理,建立了滚打轮的理论轮廓设计模型，并根据该模型的尺寸和形状，加工了滚打轮并进行了实验，利用实验的方法，针对滚打轮外轮廓形状的弹性恢复进行了修正，获得了符合实际生产要

5、求的滚打轮设计模型。苏志鹏等运用坐标变换的方法，对渐开线花键等4种运动关系进行了分析，建立其滚打运动仿真的数学模型，通过实验的方法，研究了滚打过程中的干涉现象。吕耀峰等根据空间啮合的原理，建立了渐开线花键齿面的数学模型，计算器理论误差，活动了齿形和齿向误差随滚打轮安装角度的变化规律及渐开线花键成形的范成法，奠定了滚打轮运动学基础。2.2冷滚打塑性成形机理研究意大利的菲亚特的摩登那拖拉机厂采用该项技术生产摇臂轴、长轴等零件，并能够行形成机群的自动化生产。目前，国外的一些公司牛产出来的数控冷滚打机床，能够实现对成形过程的精确控制，也使

6、得该项技术进一步应用在复杂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公司是最早利用冷滚打技术的公司。该公司的Krapfenbauer.H和ErnstGrob首先利用冷滚技术生产花键,在文献中简要介绍了花键齿的成形过程，该方法主要是在数控机床上，利用两个高速旋转的滚打轮对齿坯进行高速连续击打，以形成花键齿的过程，将这种花键齿成形的方法命名为Grob滚打法。Krapfenbauer.11对冷滚打成形批量生产技术进行了研究，分析了滚打工艺对成形零件精度的影响。Weck.M通过实验，将滚打产品和切削产品的表面质量进行了对

7、比，实验结果表明，滚打产甜成形过程中形成了一定的硬化层，可以将产品的抗疲劳强度提高25%〜35%。2.3冷滚打精度控制冷滚打成形属于塑性加工领域，和插齿、磨齿、剃齿等去除材料的机械加工方法相比，冷滚打成形齿形的精度较差，多年来，国内外学者通过多种方法致力于冷滚打精度的提高。我国从20世纪70年代开始研究冷滚打成形技术，研究人员多集中在齿轮、花键的生产制造企业，研究内容也主要是针对成形工艺及滚打轮的设计进行的。无锡县拖拉机厂对齿轮冷滚打成形进行了实验，通过冷滚打成形的齿轮精度等级可以达到9级以上，通过该项技术生产的齿轮，磨损量降低5

8、9.3%,生产成本大幅度降低。2.4冷滚打有限元分析近年来，利用有限元分析的方法可以对冷滚打成形过程屮的成形过程、力热耦合规律以及应力应变、微观组织等结构进行模拟分析，有助于进一步研究冷滚打成形的变形机理，对于提高冷滚打成形的零件精度、滚打轮寿命等