題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 基于浮動(dòng)凹模和齒腔分流原理的圓柱直齒輪冷精鍛技術(shù)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 能源化工
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 圓柱齒輪是汽車(chē)自動(dòng)變速器上的重要零件，其形狀復(fù)雜，材質(zhì)、尺寸精度、表面質(zhì)量及綜合機(jī)械性能均要求很高。針對(duì)圓柱直齒輪冷鍛的困難性，提出了齒腔分流工藝，并結(jié)合浮動(dòng)凹模技術(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，成功制備出鋼制圓柱直齒輪，并且成形過(guò)程大大的降低了工作載荷，提高了材料利用率，推動(dòng)了圓柱直齒輪冷精鍛工藝的實(shí)用化進(jìn)程。
- 詳細(xì)介紹：
- 圓柱齒輪是汽車(chē)自動(dòng)變速器上的重要零件，其形狀復(fù)雜，材質(zhì)、尺寸精度、表面質(zhì)量及綜合機(jī)械性能均要求很高。我國(guó)現(xiàn)階段圓柱齒輪的生產(chǎn)主要還是切削加工齒形，這種加工方法對(duì)坯料的形狀精度要求較高，需要對(duì)坯料進(jìn)行一定的預(yù)處理，而且材料利用率低，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品成本高，同時(shí)由于金屬纖維被切斷從而降低了齒輪強(qiáng)度和使用壽命，因此，采用切削加工，耗工費(fèi)時(shí)，浪費(fèi)能源，污染環(huán)境，已不能適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需要。冷精鍛成形是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種精密塑性成形新工藝。該工藝不僅具有高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗等優(yōu)點(diǎn)，而且可以顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。圓柱齒輪的冷精鍛是在冷鍛基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因成形時(shí)不需要加熱坯料，成形零件具有表面質(zhì)量高，尺寸精度高等特點(diǎn)，但成形時(shí)材料的溫度低，變形抗力高，流動(dòng)性差，致使鍛造載荷陡增，齒形充滿困難，模具變形磨損嚴(yán)重，壽命低，阻礙了冷鍛工藝的推廣。由此，研究組提出了圓柱齒輪的冷精鍛成形新工藝，即采用分流原理和約束分流的方法，并結(jié)合浮動(dòng)凹模結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)圓柱直齒輪的凈近成形工藝。圖1為設(shè)計(jì)的模具有限元模型。 圖1 有限元模型 根據(jù)浮動(dòng)凹模技術(shù)和齒腔分流法設(shè)計(jì)的生產(chǎn)用模具工裝如圖2所示，鍛件放入模膛內(nèi)，上模座帶動(dòng)上凸模下行，利用凸、凹模自身導(dǎo)向進(jìn)行定位，上凸模先利用模套導(dǎo)入凹模內(nèi)，然后帶動(dòng)凹模一起向下運(yùn)動(dòng)完成冷鍛成形。之后上模座上行，張開(kāi)一定高度后在凹模上放入環(huán)形件，然后模座下行，通過(guò)環(huán)形件繼續(xù)下壓浮動(dòng)凹模，同時(shí)將鍛件頂出凹模型腔。上模座再次上行到一定位置，取下環(huán)形件和鍛件之后上模座再上行，通過(guò)拉桿將凹模復(fù)位。之后進(jìn)行下一次鍛造成形。整個(gè)鍛造過(guò)程中，下凸模的齒形部位始終保持在凹模型腔內(nèi)，凹模沿導(dǎo)柱下滑，這種結(jié)構(gòu)能夠有效地利用軸向摩擦力，以利于上、下角落的充填， 1上模座 2上墊板 3上墊片 4法蘭5上凸模 6 模套7壓簧 8定位銷(xiāo) 9下模座 10下墊板11壓板 12下凸模 13浮動(dòng)凹模 14坯料 15拉桿 圖2 生產(chǎn)用模具簡(jiǎn)圖 齒腔分流法是在凹模標(biāo)準(zhǔn)齒腔的頂端設(shè)置分流型腔。如圖3所示，只要齒形最難充填的上下角隅及齒頂棱線部分的充填超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)齒腔時(shí)，即可停止加載。鍛件只需要經(jīng)過(guò)少量的外緣車(chē)削或者磨削，不需要加工齒面，就可以得到精度很高的齒輪零件。而且能夠有效避開(kāi)冷鍛最后階段的載荷急劇上升。 圖3 齒腔分流凹模齒形輪廓線 對(duì)圓柱直齒輪鍛件成形過(guò)程進(jìn)行建模及計(jì)算機(jī)仿真，并設(shè)計(jì)模具工裝，如圖4所示，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，成功試制出鋼制圓柱直齒輪，得到的鍛件如圖5，齒形成形完好，經(jīng)過(guò)少量的外緣車(chē)削或磨削能夠得到合格的齒輪零件。并且驗(yàn)證，齒腔分流法與傳統(tǒng)封閉式冷鍛相比，載荷下降了50%。 圖4實(shí)驗(yàn)?zāi)＞邔?shí)物圖 圖5 實(shí)驗(yàn)鍛件圖 通過(guò)數(shù)值模擬及物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此新工藝可有效改變摩擦條件，改善坯料在模具型腔的充填情況，減小模具表面的接觸壓力，降低成形載荷，減少模具摩擦， 提高了產(chǎn)品精度，降低了成本，能極大的推動(dòng)圓柱直齒輪冷鍛實(shí)用化的研究。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)目的：圓柱齒輪的冷精鍛成形時(shí)，零件具有表面質(zhì)量高，尺寸精度高等特點(diǎn)，但成形時(shí)材料的溫度低，變形抗力高，流動(dòng)性差，致使鍛造載荷陡增，齒形充滿困難，模具變形磨損嚴(yán)重，壽命低，阻礙了冷鍛工藝的推廣。由此，研究組提出了圓柱齒輪的冷精鍛成形新工藝，即將圓柱直齒輪的冷精鍛成形與浮動(dòng)凹模及齒腔分流原理相結(jié)合，成功制備出鋼制圓柱直齒輪，實(shí)現(xiàn)圓柱直齒輪的凈近成形。 基本思路：1、利用分流原理和約束分流的方法，并采用浮動(dòng)凹模結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)模具工裝；2、建立有限元模型，對(duì)圓柱直齒輪的冷精鍛成形新工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬；3、根據(jù)數(shù)值模擬和分析結(jié)果，采用閉式模鍛工藝，冷精鍛成形圓柱齒輪。 創(chuàng)新點(diǎn)：將浮動(dòng)凹模技術(shù)與齒腔分流法相結(jié)合，開(kāi)展圓柱直齒輪的冷精鍛成形工藝研究，有效改善了坯料在模具型腔的充填情況，減小模具表面的接觸壓力，降低成形載荷，減少模具摩擦，提高產(chǎn)品精度，降低成本，極大的推動(dòng)圓柱直齒輪冷鍛實(shí)用化的研究。 技術(shù)關(guān)鍵:1、精確模擬圓柱直齒輪冷精鍛成形過(guò)程，掌握冷鍛過(guò)程中金屬流動(dòng)規(guī)律，制定出最佳冷精鍛成形工藝；2、設(shè)計(jì)和制造圓柱齒輪冷精鍛精密成形工裝；3、完成典型鋼制圓柱直齒輪的冷精鍛試制。 主要技術(shù)指標(biāo)：1、冷精鍛成形出圓柱直齒輪，齒形單邊機(jī)加工余量不超過(guò)1mm，尺寸誤差小于0.5mm，其綜合性能指標(biāo)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；2、材料利用率大大提高，達(dá)到70%以上；3、降低圓柱齒輪的成形載荷至少30%以上；齒輪生產(chǎn)效率提高30%—40%；4、齒輪強(qiáng)度提高20%，抗彎疲勞壽命提高20%。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前，國(guó)內(nèi)圓柱齒輪生產(chǎn)大多采用傳統(tǒng)的切削加工方法，對(duì)坯料的形狀精度要求較高，需要預(yù)處理，而且材料利用率低，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品成本高，同時(shí)由于金屬纖維被切斷從而降低了齒輪強(qiáng)度和使用壽命。采用熱模鍛法生產(chǎn)圓柱齒輪，需要加熱，鐓粗去除氧化皮，成形后切除飛邊等工序，材料利用率低，成形工序多，生產(chǎn)效率低。另外通過(guò)鑄造的方法加工齒輪，雖然可以獲得接近產(chǎn)品形狀和尺寸的鑄件，但由于其組織性能較差，通常只能用于性能要求較低的零件，顯然，若用于齒輪的生產(chǎn)，滿足不了產(chǎn)品的性能要求。由于冷精鍛成形工藝不僅具有高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗等優(yōu)點(diǎn)，而且可以顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，所以采用冷精鍛成形工藝鍛造圓柱直齒輪，并且結(jié)合浮動(dòng)凹模技術(shù)及齒腔分流原理進(jìn)行新工藝的研發(fā)，該新工藝能夠有效改變摩擦條件，改善坯料在模具型腔的充填情況，減小模具表面的接觸壓力，降低成形載荷，減少模具摩擦，提高產(chǎn)品精度，降低成本，極大的推動(dòng)圓柱直齒輪冷鍛實(shí)用化的研究。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 與企業(yè)雙方共享
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖片、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：下料→晶粒細(xì)化處理→酸洗→磷化皂化處理→浮動(dòng)凹模工藝精鍛成形→后續(xù)機(jī)加工→終檢。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：將浮動(dòng)凹模技術(shù)與齒腔分流法相結(jié)合，開(kāi)展圓柱直齒輪的冷精鍛成形工藝研究，能夠極大的降低成形載荷，減少模具摩擦，提高產(chǎn)品精度，降低成本，極大的推動(dòng)圓柱直齒輪冷鍛實(shí)用化的研究。 作品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明：齒輪是廣泛應(yīng)用于傳遞精確運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的精密零件，在汽車(chē)、機(jī)床、飛機(jī)、摩托車(chē)上得到廣泛的運(yùn)用，同時(shí)相應(yīng)專(zhuān)用的液壓機(jī)也是必不可少的配套設(shè)備，所以它的用量巨大，市場(chǎng)潛力大。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：目前國(guó)內(nèi)齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值在2009年就已超過(guò)1260億人民幣，其中車(chē)輛齒輪所占比例高達(dá)2/3。汽車(chē)工業(yè)的帶動(dòng)是齒輪模具發(fā)展的重要支撐。 1）采用冷鍛新技術(shù)來(lái)加工齒輪，材料利用率提高了25%，假設(shè)每年某單位使用鍛件20000噸，全年將節(jié)約鋼材5000噸左右。 2）采用冷鍛新工藝生產(chǎn)齒輪，減少了坯料的加熱工序，每公斤鍛件可以節(jié)省至少1度電。同時(shí)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年的努力研究，有關(guān)直、傘齒輪精鍛成形理論及其工藝已較成熟，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用。而對(duì)圓柱直齒輪精鍛的研究主要集中在經(jīng)典理論分析（包括滑移線法、主應(yīng)力法、上限法、上限元法等）以及實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面，并且這些研究工作在實(shí)際生產(chǎn)中未能得到推廣應(yīng)用，還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。究其原因，正是由于對(duì)圓柱直齒輪精鍛技術(shù)的研究做的還不夠，例如單純用常規(guī)實(shí)驗(yàn)無(wú)法了解精鍛過(guò)程各變形瞬間的變形流動(dòng)規(guī)律以及各種工藝參數(shù)對(duì)鍛件質(zhì)量、模具壽命的影響，因而無(wú)法優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)化坯料的形狀和尺寸。目前，圓柱直齒輪精鍛的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究主要集中在以下4個(gè)方面：（1）變形規(guī)律的研究；（2）工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)；（3）鍛件質(zhì)量和精度控制研究；（4）數(shù)值模擬研究。 1987 年英國(guó)伯明翰大學(xué) Tuncer C 等提出了浮動(dòng)凹模精鍛空心件思想，設(shè)計(jì)了各種模具。伊朗Tarbiat Modarres大學(xué)的M.H.Sadeghi與英國(guó)伯明翰大學(xué)的 T.A.Dean 用浮動(dòng)凹模原理模具對(duì)直齒輪和斜齒輪作了系統(tǒng)的研究，包括模具結(jié)構(gòu)形式選擇，齒輪尺寸精度的影響因素，齒輪塑性成形力的預(yù)測(cè)及其與摩擦系數(shù)、齒輪模數(shù)、寬度關(guān)系，脫模力與摩擦系數(shù)、成形力、成形溫度、壓力角、齒數(shù)的關(guān)系。Nagai Y 提出將預(yù)制杯形件作為某些圓柱齒輪冷鍛的制坯措施，即通過(guò)拉延、整形、變薄拉延和壓縮四個(gè)工步實(shí)現(xiàn)具有較大沉孔的圓柱齒輪冷鍛成形。Kondo K提出了齒輪分流減壓鍛造法。Knoerr M在1992年模擬了圓環(huán)狀齒輪坯的三工位熱鍛過(guò)程，預(yù)測(cè)了該成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的折疊缺陷，并根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)成形參數(shù)，獲得了無(wú)缺陷的零件。山東大學(xué)張清萍等人對(duì)兩步成形直齒圓柱齒輪冷精鍛工藝設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，分別采用修正模數(shù)法和變位法對(duì)終鍛和預(yù)鍛模具的齒形進(jìn)行設(shè)計(jì)?？v觀關(guān)于圓柱直齒輪冷鍛的文獻(xiàn), 直齒圓柱齒輪冷鍛成形還存在兩個(gè)主要問(wèn)題: 一是盡管在冷鍛過(guò)程中采取了某些分流減壓措施, 使變形力有所下降, 但由于金屬材料的全部變形都是在冷態(tài)下進(jìn)行, 所需的變形力仍太大, 模具壽命低; 二是由于采用了分流減壓措施, 使工件含有較多的敷料,成形后的齒輪鍛件無(wú)法順利脫模，而且不利于節(jié)材。而節(jié)能減排、綠色環(huán)保是21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以近形或凈近形為目標(biāo)的齒輪精鍛成形工藝顯然已經(jīng)成為齒輪加工技術(shù)的發(fā)展方向。
![超聲-微波輔助超臨界二氧化碳萃取黃柏?fù)]發(fā)油工藝的研究](/media/pro_project/proimage/2011/7/26/cache/f1907a64-c18f-41cc-88e4-be70434e6d26_120_120.jpg)
