一种大模数齿轮渐进式成形工艺的仿真与试验研究| CJME论文推荐

Original 林瑶，吴涛等机械工程学报 2024-06-05

提示：点击上方"机械工程学报"↑关注我吧

引用论文

Y Lin, T Wu & G Wang. Simulation and Experimental Study on a New Successive Forming Process for Large Modulus Gears. Chin. J. Mech. Eng. 34, 127 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00653-5

研究背景及目的

齿轮传动因具有效率高、结构紧凑、稳定等优点而被广泛应用于机械装置的传动中。对于大模数大尺寸齿轮，由于其体积大，成形制造十分困难。常用的切削加工方法材料利用率低，金属流线不完整，会造成齿轮强度低；模锻成形、挤压成形等整体塑性成形方法成形力过大，带来齿隅充填不足、脱模困难、模具寿命低等诸多问题；轧制成形为局部加载局部变形的方式，变形力大幅降低，但由于金属材料普遍存在加工硬化现象，目前发展较为成熟的冷轧工艺仅局限于小模数齿形零件。针对大模数圆柱直齿轮冷滚轧成形及整体模锻成形的限制，本文提出了一种渐进式单齿成形工艺方法。该方法适用于冷滚轧或精密模锻难以成形的大模数齿轮，工艺过程及工装模具简单，成形载荷小；与大模数齿轮现有的切削成形方法相比，具有成形齿轮力学性能好、生产效率及材料利用率高等优势。该方法为高性能、大模数齿轮的生产提供了一种新的加工工艺。

试验方法

大模数圆柱齿轮齿形渐进式成形方法工艺原理如下：采用齿形与拟成形齿轮齿槽相同的单齿成形模具对圆柱形坯料外圆进行逐个齿形的多道次径向压入成形。首先，单齿成形模具径向压入到该道次成形深度后径向回退到初始位置，然后，坯料旋转一个齿形的角度，单齿成形模具再次径向压入坯料至相同的深度，依次完成拟成形齿轮各个齿形的成形。为提高成形效率，在不影响齿形成形质量情况下，应尽可能提高每道次的径向压入量以减小成形道次。当每个齿形经过多道次单齿径向压入基本成形后再进行精整，用与拟成形齿轮齿槽形状一致的多齿精整模具沿径向顺次压入齿坯逐个修正齿形轮廓。

借助DEFORM-2D有限元仿真平台，对本文提出的大模数圆柱齿轮渐进式齿形成形工艺方法进行了模拟分析，并采用自主设计的齿轮成形装置对模拟分析的结果进行了试验验证。

图1 大模数圆柱齿轮渐进式齿形成形工艺模拟分析

图2 大模数圆柱齿轮渐进式齿形成形实验验证

结果

（1）通过数值模拟研究渐进式齿形成形工艺中初成形总压入深度对最终成形质量的影响，发现总压入深度1.35m（m为拟成形齿轮模数）时齿根处充填不完整；1.25m时齿轮外形完整，仅有细小折叠；1.15m时无折叠产生，齿轮外形完整精确，但留给精整过程的变形量太大。考虑到应给精整过程预留一定变形量，初成形压入深度可近似取1.20m。

（2）通过数值模拟研究渐进式齿形成形工艺中初成形每道次压入深度对最终成形质量的影响，发现每道次压入深度平均分配的方案不合理，每道次压入深度需递减分配。本文所用4种递减分配方案中，按照50%、30%、15%和5%分配总压入深度的方案（方案3-2）最为合理有效，可以成形出无折叠缺陷且齿形准确的齿轮。

（3）通过自主设计的齿轮成形装置，对本文提出的齿轮成形新方法的可行性及方案3-2的合理性进行实验验证，发现实验结果与数值模拟结果一致性较好。采用新提出的“渐进式齿形成形工艺”成形的齿轮整体充填饱满，齿形完整，无折叠缺陷，精整后齿廓精确性好。

结论

（1）针对大模数直齿圆柱齿轮难以用冷滚轧或整体精密模锻工艺成形的限制，本文提出一种渐进式齿形成形的热加工工艺方法，包括单齿径向压入成形过程和精整过程：首先采用与拟成形齿轮齿槽相同的单齿模具对加热至坯料材料再结晶温度以上的热态坯料进行逐个齿形的分道次径向压入成形；再用与拟成形齿轮齿槽形状一致的多齿精整模具沿径向顺次压入齿坯，逐次修正各个齿形轮廓。该方法工艺过程及工装模具简单，成形载荷小；具有成形齿轮力学性能好及材料利用率高的特点。

（2）利用数值模拟软件Deform-2D建立了大模数直齿圆柱齿轮渐进式齿形成形有限元模型，模拟研究了单齿成形过程压入深度对成形质量的影响，发现单齿成形压入深度在1.15m~1.25m之间时再进行精整，齿形成形质量较好，精整后齿形完整精确。

（3）取1.20m作为单齿成形过程压入深度，研究单齿压入过程中每道次进给量的分配对成形效率和质量的影响。比较了进给量均匀分配和先大后小两种情况，发现先大后小的分配方式更加合理；进一步比较不同的分配比对成形质量的影响，最终确定了每道次进给量按照1.20m的50%、30%、15%、5%进行分配的最佳工艺参数，成形效率高且成形质量好，齿形精确，无折叠缺陷。

（4）选用铅代替45钢作为坯料材料，使用齿轮成形装置进行渐进式齿形成形实验，验证了该工艺方法的可行性及合理性。对上述数值模拟所得的最佳工艺方案进行实验验证，成形出的齿轮整体充填饱满，齿形完整，无折叠缺陷，精整后齿廓精确性好。对单齿成形模具进给量分配不合理时产生折叠的情况进行实验验证，与模拟结果吻合良好。

前景与应用

本文提出的渐进式单齿成形工艺方法，适用于冷滚轧或精密模锻难以成形的大模数齿轮，工艺过程及工装模具简单，成形载荷小；与大模数齿轮现有的切削成形方法相比，具有成形齿轮力学性能好、生产效率及材料利用率高等优势。该方法为高性能、大模数齿轮的生产提供了一种新的加工工艺。

相关文章/图书推荐

[1]G C Wang, J Li and T Wu. Numerical simulation and experimental investigation on the gear rolling process. Procedia Engineering, 2017, 207: 609-614.

[2]T Wu, G C Wang, J Li, et al. Investigation on gear rolling process using conical gear rollers and design method of the conical gear roller. Journal of Materials Processing Technology, 2018, 259: 141-149.

[3]J Li, G C Wang and T Wu. Numerical simulation and experimental study of slippage in gear rolling. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 234: 280-289.

[4]P Sieczkarek, K Isik, N Ben Khalifa, et al. Mechanics of sheet-bulk indentation. Journal of Materials Processing Technology, 2014, 214(11): 2387-2394.

团队带头人介绍

王广春，男，山东大学教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才计划入选者。承担国家及省部级项目20余项，出版学术专著3部，参编大型手册3册，发表SCI论文70余篇，授权国家发明专利10余项，获得教育部科技进步一等奖等科技奖励6项。主要从事研究方向包括金属塑性成形数值模拟与优化技术、锻造过程形性协调控制技术、微成形技术与增材制造技术等。

作者介绍

林瑶（本文第一作者），本科毕业于北京理工大学，现为山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室博士研究生，主要研究方向为金属塑性成形。

团队研究方向

本团队隶属山东大学材料科学与工程学院，主要研究方向包括金属塑性成形数值模拟与优化技术、锻造过程形性协调控制技术、微成形技术与增材制造技术、精密锻造技术、特种成形工艺（摆动辗压、粉末锻造、滚轧成形等）等。

近两年团队发表文章

[1]Juanjuan Han, Wei Zheng, Guangchun Wang. Investigation of influence factors on surface roughness of micro-scale features, Precision Engineering, 2019, 56: 524-529.

[2]Jie Zhu, Guangchun Wang. Grain refinement and its microstructure in repetitive roll bending and straightening of copper sheets, Materials Research Express, 2019, 6, 076540.

[3]Tao Wu, Guangchun Wang, Jin Li, Ke Yan. Structure design and effects of conical gear roller on restraining rabbit ear defects during gear rolling, Int J Adv Manuf Technol., 2019,103:1621-1631.

[4]Juanjuan Han, Jie Zhu, Wei Zheng, Guanghcun Wang. Influence of metal forming parameters on surface roughness and establishment of surface roughness prediction model[J]. International Journal of Mechanical Sciences. 2019, 163, 105093.

[5]Juanjuan Han, Yao Lin, Wei Zheng, Guangchun Wang. Experimental and numerical investigations on size effect of friction in meso-/micro-forming without lubricant[J]. Int J Adv Manuf Technol., 2020,106(11-12):4869-4877.

[6]Jie Zhu, Shan Liu, Yao Lin, and Guangchun Wang. Effect of electropulsing on microstructure and properties of severely plastically deformed pure copper sheet. Journal of Materials Engineering and Performance, 2020, 29(2): 841-848.

[7]Jie Zhu, Yao Lin, Shan Liu, Xinwu Ma & Guangchun Wang, Plasticity and size effects of micro-forming sheet processed by electropulsing. Materials and Manufacturing Processes, 2020, 35(10): 1146-1155.

[8]Yao Lin, Jie Zhu, Juanjuan Han, Xinwu Ma, Guangchun Wang. Effect of grain boundary modification on plasticity and plasticizing mechanism of commercial-purity nickel. Materials Today Communications, 2020,24,101177.

[9]Guangchun Wang, Xinsheng Li, Mingqi Ding, Wenquan Chen, Chensheng Tian, Guochao Gu, Yupeng Lu. Study on deformation uniformity of mandrel forging process and control measures of inner hole eccentricity. Journal of Manufacturing Processes, 2020,58:75-91.

[10]Shan Liu, Jie Zhu, Xudong Lin, Xiebin Wang, Guangchun Wang. Coupling effect of stretch-bending deformation and electric pulse treatment on phase transformation behavior and superelasticity of a Ti-50.8at.% Ni alloy. Materials Science & Engineering A, 2021,799,140164.

[11]Shan Liu, Jie Zhu, Yao Lin, Guangchun Wang, Xiebin Wang. Effect of stretching-bending deformation and aging treatment on phase transformation behavior and superelasticity of Ti-50.8 at.% Ni alloy. Intermetallics, 2021,129,107051.

[12]Shan Liu , Yao Lin , Guangchun Wang , Xiebin Wang. Effect of varisized Ni4Ti3 precipitate on the phase transformation behavior and functional stability of Ti-50.8 at.% Ni alloys. Materials Characterization 2021,172, 110832.

[13]Guangchun Wang, Juanjuan Han, Yao Lin, Wei Zheng. Investigation on size effect of surface roughness and establishment of prediction model in micro-forming process. Materials Today Communications, 2021, 27, 102279.

更多详细内容请点击文后阅读原文获取。

编辑：谢雅洁校对：向映姣

JME学院简介

JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。

欢迎各位老师扫码添加小助理-暖暖为好友，由小助理拉入JME学院官方群！

寻觅合作伙伴

有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。

感谢关注我们！《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体！

推荐阅读

砥砺深耕增材制造| 卓越计划高起点新刊——AMF首期重磅上线！

最新 | 机械工程领域SCI期刊一览(2020JCR)

CJME最新SCI影响因子1.936