轴类零件冷滚压精密成形理论与技术

第1章 概论

1.1 冷滚压精密成形技术概述

1.2 轴类零件加工技术现状

1.2.1 花键轴的切削加工

1.2.2 花键轴的塑性成形

1.2.3 螺纹类零件的加工方法

1.3 轴类零件冷滚压精密成形技术研究进展

1.3.1 花键轴加工技术现状

1.3.2 花键轴冷滚压成形理论研究

1.3.3 花键轴冷滚压表面改性研究

1.3.4 螺纹类零件冷滚压成形国内外发展现状

1.4 轴类零件冷滚压精密成形技术的发展趋势

第2章 花键冷滚压精密成形原理及力学分析

2.1 花键轴冷滚压精密成形原理及过程

2.2 受力分析

2.3 花键冷滚压齿部成形过程分析

2.3.1 分齿咬入条件

2.3.2 旋转条件

2.3.3 分齿几何条件

2.4 双面无侧隙啮合

2.4.1 成形过程的接触区

2.4.2 接触点位置

2.5 接触点的滑动

2.5.1 主动侧接触点的滑动运动

2.5.2 从动侧接触点的滑动运动

2.5.3 工件齿面金属流动

2.6 花键冷滚压精密成形力学分析

2.6.1 应力分析基本假设

2.6.2 应力分析塑性成形理论基础

2.6.3 初始滚压滑移线场与应力分析

2.6.4 稳定滚压滑移线场与应力分析

2.7 成形过程接触面上的平均压力

第3章 花键冷滚压精密成形工艺参数

3.1 花键轴冷滚压精密成形过程的接触面积

3.1.1 计算模型

3.1.2 成形过程的滚压轮和工件齿廓方程

3.1.3 接触边界条件

3.1.4 接触面积计算

3.1.5 主要子程序算法

3.2 滚压力与滚压力矩

3.2.1 滚压力与滚压力矩的理论计算

3.2.2 成形过程的滚压力与滚压力矩分析

3.3 滚压成形工件坯料直径的计算

3.3.1 理论计算公式

3.3.2 齿根圆以上单齿截面积

3.3.3 齿根过渡圆弧半径

第4章 花键冷滚压成形过程数值模拟

4.1 有限元模型的建立及边界条件

4.1.1 有限元模型

4.1.2 模拟参数与约束条件

4.2 滚压过程的数值模拟

4.2.1 塑性变形区域

4.2.2 端面凸起

4.2.3 应力、应变场

4.3 理论分析与数值模拟对比

4.3.1 接触面上单位压力

4.3.2 滚压成形过程滚压力

第5章 花键轴冷滚压成形金属流动规律及成形质量

5.1 花键轴冷滚压精密成形齿部金属流动规律

5.1.1 试件毛坯与成形参数

5.1.2 齿廓材料的流动分析

5.2 花键轴冷滚压成形精度

5.3 花键轴冷滚压成形零件表面质量

5.3.1 成形零件表面粗糙度

5.3.2 成形零件齿面硬度

5.3.3 冷滚压成形花键齿部组织特征

5.3.4 冷滚压精密成形花键轴齿面强化机理

5.4 花键轴冷滚压成形误差与缺陷

5.4.1 齿距累积误差的产生与控制

5.4.2 花键轴冷滚压精密成形缺陷分析

5.5 花键轴冷滚压精密成形质量控制方法

5.5.1 冷滚压毛坯设计

5.5.2 滚压轮对刀和牙位调整

5.5.3 合理选择工艺参数

第6章 螺纹冷滚压成形原理与工艺分析

6.1 螺纹冷滚压成形原理

6.1.1 螺纹的两滚丝轮滚压

6.1.2 螺纹的三滚丝轮滚压

6.2 三滚丝轮滚压的螺纹直径条件

6.3 螺纹的冷滚压成形过程

6.4 工件与滚丝轮之间的相对运动

6.4.1 轴向运动关系

6.4.2 工件与滚丝轮之间的旋转运动关系

6.4.3 滚丝轮与工件间的相对滑动

第7章 螺纹冷滚压成形工艺参数

7.1 螺纹冷滚压前的毛坯

7.1.1 工件毛坯直径的常用计算公式

7.1.2 螺纹冷滚压坯件直径的求解

7.1.3 坯件的倒角

7.1.4 滚压坯料的材料

7.2 螺纹冷滚压参数

7.2.1 滚压力

7.2.2 滚压速度的选择

7.2.3 滚压进给量的选择

7.3 空心薄壁螺纹件的冷滚压加工

7.3.1 空心螺纹冷滚压

7.3.2 空心螺纹件壁厚条件

第8章 螺纹冷滚压成形过程数值模拟

8.1 模拟基本步骤及基本假设

8.1.1 螺纹冷滚压数值模拟流程

8.1.2 模型的简化

8.2 M10×；1.5实心螺纹的冷滚压过程模拟

8.2.1 模具的载荷和扭矩

8.2.2 工件应力状态分析

8.3 空心螺纹冷滚压数值模拟

8.3.1 滚压力分析

8.3.2 速度场

8.3.3 工件的应力状态

8.3.4 应变场分析

8.4 螺纹件失效过程的分析

8.4.1 工件内的等效应力变化

8.4.2 三滚丝轮对空心螺纹件失稳的修复作用

第9章 螺纹冷滚压精密成形金属流动规律及参数优化

9.1 三轴滚丝机螺纹冷滚压成形

9.1.1 工件材料及成形设备

9.1.2 螺纹冷滚压咸形影响因素

9.1.3 空心螺纹壁厚对螺纹成形的影响

9.2 螺纹冷滚压成形金属流动规律

9.3 冷滚压成形及切削加工螺纹硬度分布

9.4 滚压参数优化

9.4.1 螺纹冷滚压成形参数正交因素水平及指标的确定

9.4.2 不同成形条件下的硬化程度

9.5 最优滚压参数的确定

第10章 冷滚压精密成形设备

10.1 概述

10.2 冷滚压成形机床与模具设计

10.2.1 设备结构及参数

10.2.2 主轴同步阻尼减振设计

10.2.3 液压系统及其建模与仿真

10.2.4 滚压轮设计

10.3 力能参数测试系统

10.3.1 主轴转矩的测量方法

10.3.2 滑座径向进给力的测量

10.3.3 数据采集系统

10.4 工艺参数的确定

10.4.1 滚压轮转速

10.4.2 滚压轮进给速度

10.4.3 滚压时间

10.4.4 主轴位置控制

10.5 冷滚压精密成形力能参数

10.5.1 成形过程动态载荷

10.5.2 工艺参数对最大成形力的影响

10.5.3 理论计算与试验结果的对比

10.6 冷滚压精密成形设备简介

10.6.1 荚国肯尼福公司（Kinefac）冷滚压成形设备

10.6.2 德国宝飞螺技术有限公司（PROFIROLL，bad duben）冷滚压成形设备

10.6.3 青岛生建机械厂冷滚压成形设备

参考文献 2100433B

冷滚压精密成形技术作为一种少无切削的先进制造技术,具有生产效率高、产品组织性能优良、节能节材等优点,广泛应用于航空航天、风电、石油化工、汽车和重大装备制造等领域高强度、高精度复杂轴类零件的生产,具有广阔的应用前景。本书主要以花键和螺纹类零件为研究对象,详细介绍了冷滚压精密成形技术的理论、工艺和设备。主要内容包括冷滚压精密成形技术的国内外发展概况,花键、螺纹类零件冷滚压精密成形原理,工艺参数设计与计算,冷滚压成形过程数值模拟和冷滚压成形设备等。本书可供从事冷滚压精密成形技术研究和生产的科研及工程技术人员阅读与参考,也可作为高等学校材料成形与机械制造专业本科生和研究生的教学参考书。

Cold rolling precision forming technology is one of the little or non - cutting advanced manufacturing technologies, which has the advantages of high productivity,good microstructure and properties, energy and material saving, etc. , and has been widely applied in the production of high strength and precision shaft parts in the fields of aeronautics and astronautics, wind power, petrochemical industry, automobile,heavy equipment manufacturing, and so on. This book introduces the theory, process and equipments of cold rolling precision forming technology systematically, taking spline and thread shaft parts as research objects. The main contents include: research status at home and abroad of clod rolling precision forming technology, design and calculation of process parameters, numerical simulation of the cold rolling form ing process and equipments of cold rolling forming. This book can be served as a reference book for researchers and engineers who are engaged in the study and production of cold rolling precision forming technology, as well as a teaching reference book for undergraduates and postgraduates majored in materials forming and mechanical.

精密成形技术简介

机械构件的加工，首先要制造毛坯。再经切削、磨削等工序，才能得到符合设计要求的产品。毛坯到产品的传统加工方法，材料、能源、时间的消耗都很大，还会产生大量的废屑。废液及噪声污染。而精密成形技术可极大的改变这种状况。　利用熔化、结晶、塑性变形、扩散、他变等物理化学变化，按预定的设计要求成形机械构件，目的在于使成形的制品，达到或接近最后要求的形状或尺寸——这就是精密成形技术。它是现代技术（计算机技术、新材料技术、精密加工与测量技术）与传统成形技术（铸造、锻压、焊接、切割等）相结合的产物。不仅可以提高材料的利用率，减轻污染，还可使构件材料获得传统方法难以获得的化学成分与组织结构，从而提高产品的质量与性能。精密成形技术是生产高技术产品（如计算机、电于、通讯、宇航、仪表等产品）的关键技术。

精密成形技术精密成形技术分类

精密成形技术精密成形技术发展趋势

产品的复杂化、精密化和质量优化；工艺设计的模拟化、准确化；模具模样设计制造技术的CAD/CAM一体化。目前某些中小零件的精密成形已达到不经切削加工或加工余量极小。国际机械加工技术协会预测，下世纪初，精密成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。

精密成形技术在工业发达国家已得到广泛应用，通过与先进工艺设备、检测手段配合，已形成不同档次的精密成形制造单元，并普遍取代了传统的成形工艺及设备。

今后一段时期，中国将以汽车工业为主要应用对象，结合典型零件进行精密成形技术的开发，并形成应用于生产的成套技术。重点一是提高轿车生产装备的国产化比例，二是提高轿车零部件的国产化比例。

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。