1.3　齒輪滾軋成形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

從上述齒輪滾軋成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展可以看出，作為一種新興的齒輪加工技術(shù)，齒輪滾軋成形技術(shù)自從被提出以來，就因諸多的優(yōu)點而得到高度重視。然而，由于齒輪滾軋過程中滾壓輪與坯料之間的范成運動關(guān)系復雜，至今齒輪滾軋成形技術(shù)還有很多方面的內(nèi)容需要進行更深層的研究。本書研究內(nèi)容主要有以下幾個方面。

（1）齒輪滾軋成形的工藝條件

根據(jù)滾壓輪與坯料之間的范成運動關(guān)系及金屬塑性成形基礎(chǔ)理論，針對圓柱直齒輪滾軋成形工藝的咬入條件、坯料初始直徑確定方法、分齒均勻性條件、滾壓輪設(shè)計方法、滾壓輪旋轉(zhuǎn)速度與送進速度匹配關(guān)系及滾軋工序設(shè)計方法、工件節(jié)距變化及速度補償?shù)冗M行系統(tǒng)而深入的研究，建立直齒圓柱齒輪滾軋成形工藝的理論基礎(chǔ)。

（2）齒輪滾軋成形的打滑現(xiàn)象

滾軋成形初始階段，坯料外圓與滾壓輪齒頂接觸，坯料旋轉(zhuǎn)主要來自于與之接觸的滾壓輪齒的作用力。當滾壓輪齒未咬入坯料時，滾壓輪齒對坯料施加的力僅為摩擦力，而摩擦力和接觸面積有關(guān)，因坯料與滾壓輪接觸面積小，摩擦力難于克服阻力而導致坯料無法跟隨滾壓輪一起運動，形成打滑現(xiàn)象。打滑會造成亂齒、錯齒或者多齒，嚴重影響齒輪的成形質(zhì)量。因此，為了更好地推動滾軋技術(shù)在齒輪成形方面的應(yīng)用，必須對滾軋成形初始階段坯料的受力狀況及影響其旋轉(zhuǎn)的因素進行分析，獲得影響齒輪滾軋成形初始階段打滑的主要因素，并對齒輪滾軋初始成形階段的分齒過程進行模擬，分析獲得各種主要工藝參數(shù)對打滑的影響規(guī)律，從而獲得減小打滑的工藝措施。

（3）齒輪滾軋齒形突耳的形成機理

突耳是在滾軋中后期，隨著滾壓輪進給量不斷增大，坯料的每個輪齒齒頂處兩側(cè)出現(xiàn)尖角并逐漸長高增大，其形態(tài)類似于“兔耳（Rabbit Ear）”，也稱為突耳。突耳是因齒輪滾軋范成運動關(guān)系，滾壓輪齒腹對坯料齒腹擠壓、提拉所形成的特有缺陷。突耳現(xiàn)象的存在，在成形過程中容易導致成形齒輪頂部發(fā)生折疊缺陷，在成形后突耳需要切除，造成材料浪費及工藝的增加，同時割斷金屬纖維，減小了齒輪的力學性能。因此，揭示齒輪滾軋過程中齒形突耳的形成機理并給出其成形規(guī)律，對建立和發(fā)展齒輪滾軋成形工藝具有重要的理論意義。基于齒輪滾軋過程中滾壓輪與坯料間的范成運動關(guān)系，使用數(shù)值模擬方法和實驗研究，通過對某一齒形在與滾壓輪齒面完整嚙合過程中的受力狀態(tài)、應(yīng)變及其變形區(qū)域材料的流動行為進行分析，揭示齒輪滾軋過程中齒形突耳的形成機理。

（4）齒輪滾軋成形過程中齒形的成形規(guī)律

齒輪滾軋成形過程中，滾壓輪與坯料之間保持范成運動關(guān)系，坯料受力狀態(tài)復雜且實時變化，受擠壓的金屬材料在半封閉區(qū)域內(nèi)自由流動，齒形形貌受多因素影響而難以精確預(yù)測，因此，分析并探討齒輪滾軋過程中齒形的成形規(guī)律能為合理選擇工藝參數(shù)、提高齒輪滾軋成形質(zhì)量提供科學依據(jù)。根據(jù)齒輪滾軋成形中滾壓輪與坯料間的范成運動關(guān)系，建立齒輪滾軋數(shù)值模型，通過對齒輪滾軋成形過程進行數(shù)值模擬，以滾軋成形工藝有效齒形的量化評價指標作為評價基準，獲得齒輪滾軋成形過程中有效齒形的成形變化規(guī)律，分析影響有效齒形的工藝因素（如坯料尺寸、摩擦條件、進給量、滾壓輪轉(zhuǎn)速、成形溫度等和滾壓輪齒形結(jié)構(gòu)參數(shù)）并獲得其對有效齒形的影響規(guī)律。

（5）齒輪滾軋過程中的齒形成形優(yōu)化

以減小齒形突耳為優(yōu)化目標，以影響有效齒形的工藝因素、滾壓輪參數(shù)、齒形結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對象，選擇合適的優(yōu)化方法構(gòu)建齒輪滾軋成形質(zhì)量優(yōu)化體系，獲得最優(yōu)的工藝方案組合以及滾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，綜合考慮坯料預(yù)成形以及滾軋設(shè)備，獲得合理的坯料預(yù)成形形狀，通過對滾軋設(shè)備的改進實現(xiàn)滾軋成形設(shè)備的優(yōu)化，研究獲取提高齒輪滾軋成形質(zhì)量的工藝條件、預(yù)成形方法和實驗工裝。

本書對以下問題進行了創(chuàng)新性的探討。

（1）建立齒輪滾軋成形工藝理論基礎(chǔ)

根據(jù)金屬塑性成形原理及滾壓輪與坯料間的范成運動關(guān)系，建立齒輪滾軋成形工藝理論基礎(chǔ)，解決齒輪滾軋成形技術(shù)尚無完整的理論體系支撐、依靠經(jīng)驗和試錯的落后狀態(tài)，對齒輪滾軋成形技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用具有重要理論意義。

（2）研究齒輪滾軋咬入階段的打滑現(xiàn)象

首次針對齒輪滾軋成形初期的打滑現(xiàn)象進行系統(tǒng)而深入的研究。分析滾軋成形初始階段坯料的受力狀況，獲得影響齒輪滾軋成形初始階段打滑的主要因素，建立打滑程度的量化評價指標，數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合獲得各工藝參數(shù)對打滑的影響規(guī)律，研究結(jié)果為控制滾軋成形打滑、合理制定工藝參數(shù)、提高齒輪滾軋成形質(zhì)量提供科學依據(jù)。

（3）揭示突耳缺陷的形成機理

針對齒輪滾軋成形中的突耳缺陷，通過有限元模擬，對滾軋過程中坯料齒形進行受力分析、變形分析以及金屬流動分析，揭示突耳缺陷的形成機理。有限元模擬結(jié)合實驗獲取各工藝因素對突耳形貌的影響規(guī)律，為提高齒輪的成形質(zhì)量以及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論和數(shù)值分析基礎(chǔ)。

（4）獲取齒形成形規(guī)律及影響因素

建立齒輪滾軋中有效齒形的量化評價指標，以突耳的成形機理為基礎(chǔ)，分析出影響有效齒形的工藝因素，通過對齒輪滾軋成形過程進行數(shù)值模擬及實驗驗證，得到工藝因素對有效齒形的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為合理選擇工藝因素、提高材料利用率提供科學依據(jù)。

（5）控制齒形突耳措施研究

以突耳成形機理為理論基礎(chǔ)，綜合考慮工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、預(yù)成形和裝置等四個方面，提出并建立圓柱直齒輪滾軋成形工藝參數(shù)與預(yù)成形設(shè)計、實驗設(shè)備優(yōu)化體系，優(yōu)化分析并給出提高齒形成形質(zhì)量的預(yù)制坯設(shè)計方法、實驗設(shè)備改進方法、最優(yōu)的滾軋工藝參數(shù)組合以及滾壓輪參數(shù)與齒形結(jié)構(gòu)等。

（6）齒輪滾軋實驗裝置研發(fā)

依據(jù)齒輪滾軋成形基本原理自行研究設(shè)計并加工一套雙滾壓輪齒輪滾軋成形實驗裝置，該裝置可實現(xiàn)滾壓輪轉(zhuǎn)速、坯料轉(zhuǎn)速以及滾壓輪進給速度的精確控制，可完成齒輪滾軋初始階段打滑實驗及齒輪的滾軋加工實驗。