大断面收缩率轴类零件楔横轧精确成形研究

针对国民经济发展迫切需要对大断面收缩率轴类零件实行高效净近成形制造，但相关基础理论研究滞后，阻碍先进的楔横轧技术应用的现状。采用理论分析，数值模拟和试验研究相结合的研究方法对大断面收缩率轴类零件楔横轧精确成形中存在的重要科学问题开展基础研究。分析大断面收缩率轴类零件楔横轧精确成形过程中应力应变场及位移场的分布和变化规律，揭示大断面收缩率轧制时内部缺陷产生机理及预防措施。确立单次超常限断面收缩率稳定轧制条件，阐明多次楔入轧制时各阶段断面收缩率的最佳分配比例。建立描述大断面收缩率工件精确成形的几何模型和数学模型，给出提高成形精度的理论方法和最佳工艺条件。完成上述基础研究，为开发大断面收缩率轴类零件楔横轧成形技术奠定了理论基础。对完善楔横轧成形技术理论体系，指导大断面收缩率轴类零件研制，提高产品质量，满足大批量工业化净近制造大断面收缩率轴类零件的市场需求具有重要意义。

本项目提出将齿轮的范成加工原理与传统的楔横轧加工原理相结合，在轧制成形圆截面轴类零件的同时实现齿形部分的精密轧制成形。不仅可以实现齿轮轴类零件的近净成形，而且可以提高齿轮的承载能力及疲劳寿命。.采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的研究方法，对齿轮轴类零件楔横轧精密成形的机理和成形规律等科学问题进行系统深入的研究。分析齿轮轴与模具间的相互作用与运动关系，建立描述齿轮轴类零件精密成形的数学模型，确定精密成形的理论方法和最佳工艺条件。研究齿轮轴成形过程中应力应变场及位移场的分布规律，揭示齿轮轴类零件精密成形规律、晶粒组织演变机理。应用试验研究工艺参数对齿轮精密成形规律以及对齿轮晶粒组织、性能的影响规律。.上述基础工作的完成，将为齿轮轴类零件精密成形奠定基础，为实现机械产品零件成形由粗放到精化的转变，使其外部尺寸达到无余量或接近无余量，组织性能明显提高，对实现轴类零件近净成形具有重要意义。

楔横轧是一种轴类零件成形新工艺。与传统切削、锻造工艺相比具有生产效率高、材料利用率高、产品性能好，同时具有轧制成形力小，因而设备吨位小，投资少成本低等优点。 但是传统楔横轧技术只能成形回转体轴类零件，无法成形具有齿形的轴类零件。目前齿轮轴的齿主要是由切削加工方法制造，为节约金属材料、提高生产效率，现在已逐渐采用精密锻造方法生产小模数齿轮，如汽车变速箱内的小模数齿轮。但锻造方法不适合生产大模数齿轮，因为大模数齿轮锻造力巨大而需要庞大的设备。因而亟需一种高效、节能、节材的较大模数齿轮的生产方法。 本项目取得以下创新性成果： 1)本项目提出将齿轮的范成加工原理与传统的楔横轧加工原理相结合，在轧制成形圆截面轴类零件的同时实现齿形部分的精密轧制成形,不仅可以实现大模数齿轮轴类零件的近净成形，而且可以提高齿的承载能力和工作寿命； 2)分析了齿轮轴与模具间的相互作用与运动关系，揭示了模具与轧件之间即存在齿轮啮合传动关系，又存在滚滑运动关系。建立了模具与坯料之间运动关系的数学模型，推导出计算模具齿距的数学方程，为确定各阶段模具的设计提供了依据； 3) 提出了齿的成形方案和设计模具齿形的方法。针对轧制过程中齿形分度不均的乱齿技术难题，提出模具由若干阶段构成并且在任意一个阶段内所有齿的参数都相同的模具设计方法，这样可以实现各阶段模具独立设计以及单阶段轧制实验，通过调整单阶段模具参数就可解决齿形分度不均的乱齿问题，利用齿轮轴轧制实验和数值模拟齿轮轴轧制成形，验证了齿的成形方案和模具齿形的设计方法是正确的； 4)采用数值模拟的研究方法，对齿轮轴类零件楔横轧精密成形的机理和成形规律等科学问题进行了系统深入的研究。研究了齿轮轴成形过程中应力应变场及位移场的分布规律，揭示了齿轮轴类零件精密成形规律、晶粒组织演变机理； 5) 轧制实验结果与有限元仿真模拟结果基本一致,实验结果表明齿轮轴类零件楔横轧工艺是可行的； 6) 项目成果“万吨级楔横轧高质量汽车轴类件生产技术及应用”对推动行业技术进步具有重要作用，经济社会效益显著。2012年获河北省科技进步2等奖；项目成果出版科技专著1部；发表学术论文43篇，其中SCIE检索1篇，EI检索25篇，ISTP检索2篇；获授权国家发明专利4 项；培养博士生8名、硕士生18名。

楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，与传统的切削和锻造工艺相比，具有生产效率高、节约材料、劳动条件好等优点，被公认是当今先进制造技术的组成部分。

楔横轧成形工艺中，断面收缩率功是轴类零件的一个重要参数。在一般情况下认为，断面收缩率功在45%-65%时，轧件成形效果最好。过去关于楔横轧的研究工作有很多，大多都集中在这类轴类零件上。对于大断面收缩率轴类零件，近年来也有人做过专门研究。然而，在实际应用的阶梯轴类零件中也经常会存在一些小台阶的情况，某些零件甚至大部分截面都属于较小的断面收缩率，而对于楔横轧成形较小断面收缩率轴类零件技术的系统研究还相对较少，尚有一些关键问题函待分析和解决，例如小断面收缩率与常规断面收缩率的分界点问题，即断面收缩率功为多少可以算作是小断面收缩率，一直没有给出较明确的划分；此外，对于小断面收缩率轧件的金属变形特点也还未弄清楚.这些问题的存在一定程度上制约了小断面收缩率楔横轧轴类产品的广泛应用。在此背景下，开展对小断面收缩率轴类零件的楔横轧成形技术研究显得很有必要。

1.以断面收缩率35%为界限，断面收缩率较小的轧件与常规断面收缩率轧件在变形特点上有了较为显著的差别。将成形轧件以断面收缩率为依据来进行统一划分，建议以35%作为较合理的分界点。

2.小断面收缩率轧件的主要变形发生在轧件外层附近，常规断面收缩率轧件的主要变形是在轧件内部。

3.小断面收缩率轧件比常规断面收缩率轧件存在更大的轴向拉伸不均匀变形，易导致轧件在横截面上呈现出椭圆化 。