1.3　齿轮滚轧成形数值模拟研究现状

从上述齿轮滚轧成形技术的研究现状和发展可以看出，作为一种新兴的齿轮加工技术，齿轮滚轧成形技术自从被提出以来，就因诸多的优点而得到高度重视。然而，由于齿轮滚轧过程中滚压轮与坯料之间的范成运动关系复杂，至今齿轮滚轧成形技术还有很多方面的内容需要进行更深层的研究。本书研究内容主要有以下几个方面。

（1）齿轮滚轧成形的工艺条件

根据滚压轮与坯料之间的范成运动关系及金属塑性成形基础理论，针对圆柱直齿轮滚轧成形工艺的咬入条件、坯料初始直径确定方法、分齿均匀性条件、滚压轮设计方法、滚压轮旋转速度与送进速度匹配关系及滚轧工序设计方法、工件节距变化及速度补偿等进行系统而深入的研究，建立直齿圆柱齿轮滚轧成形工艺的理论基础。

（2）齿轮滚轧成形的打滑现象

滚轧成形初始阶段，坯料外圆与滚压轮齿顶接触，坯料旋转主要来自于与之接触的滚压轮齿的作用力。当滚压轮齿未咬入坯料时，滚压轮齿对坯料施加的力仅为摩擦力，而摩擦力和接触面积有关，因坯料与滚压轮接触面积小，摩擦力难于克服阻力而导致坯料无法跟随滚压轮一起运动，形成打滑现象。打滑会造成乱齿、错齿或者多齿，严重影响齿轮的成形质量。因此，为了更好地推动滚轧技术在齿轮成形方面的应用，必须对滚轧成形初始阶段坯料的受力状况及影响其旋转的因素进行分析，获得影响齿轮滚轧成形初始阶段打滑的主要因素，并对齿轮滚轧初始成形阶段的分齿过程进行模拟，分析获得各种主要工艺参数对打滑的影响规律，从而获得减小打滑的工艺措施。

（3）齿轮滚轧齿形突耳的形成机理

突耳是在滚轧中后期，随着滚压轮进给量不断增大，坯料的每个轮齿齿顶处两侧出现尖角并逐渐长高增大，其形态类似于“兔耳（Rabbit Ear）”，也称为突耳。突耳是因齿轮滚轧范成运动关系，滚压轮齿腹对坯料齿腹挤压、提拉所形成的特有缺陷。突耳现象的存在，在成形过程中容易导致成形齿轮顶部发生折叠缺陷，在成形后突耳需要切除，造成材料浪费及工艺的增加，同时割断金属纤维，减小了齿轮的力学性能。因此，揭示齿轮滚轧过程中齿形突耳的形成机理并给出其成形规律，对建立和发展齿轮滚轧成形工艺具有重要的理论意义。基于齿轮滚轧过程中滚压轮与坯料间的范成运动关系，使用数值模拟方法和实验研究，通过对某一齿形在与滚压轮齿面完整啮合过程中的受力状态、应变及其变形区域材料的流动行为进行分析，揭示齿轮滚轧过程中齿形突耳的形成机理。

（4）齿轮滚轧成形过程中齿形的成形规律

齿轮滚轧成形过程中，滚压轮与坯料之间保持范成运动关系，坯料受力状态复杂且实时变化，受挤压的金属材料在半封闭区域内自由流动，齿形形貌受多因素影响而难以精确预测，因此，分析并探讨齿轮滚轧过程中齿形的成形规律能为合理选择工艺参数、提高齿轮滚轧成形质量提供科学依据。根据齿轮滚轧成形中滚压轮与坯料间的范成运动关系，建立齿轮滚轧数值模型，通过对齿轮滚轧成形过程进行数值模拟，以滚轧成形工艺有效齿形的量化评价指标作为评价基准，获得齿轮滚轧成形过程中有效齿形的成形变化规律，分析影响有效齿形的工艺因素（如坯料尺寸、摩擦条件、进给量、滚压轮转速、成形温度等和滚压轮齿形结构参数）并获得其对有效齿形的影响规律。

（5）齿轮滚轧过程中的齿形成形优化

以减小齿形突耳为优化目标，以影响有效齿形的工艺因素、滚压轮参数、齿形结构为优化对象，选择合适的优化方法构建齿轮滚轧成形质量优化体系，获得最优的工艺方案组合以及滚压轮结构参数，综合考虑坯料预成形以及滚轧设备，获得合理的坯料预成形形状，通过对滚轧设备的改进实现滚轧成形设备的优化，研究获取提高齿轮滚轧成形质量的工艺条件、预成形方法和实验工装。

本书对以下问题进行了创新性的探讨。

（1）建立齿轮滚轧成形工艺理论基础

根据金属塑性成形原理及滚压轮与坯料间的范成运动关系，建立齿轮滚轧成形工艺理论基础，解决齿轮滚轧成形技术尚无完整的理论体系支撑、依靠经验和试错的落后状态，对齿轮滚轧成形技术的发展应用具有重要理论意义。

（2）研究齿轮滚轧咬入阶段的打滑现象

首次针对齿轮滚轧成形初期的打滑现象进行系统而深入的研究。分析滚轧成形初始阶段坯料的受力状况，获得影响齿轮滚轧成形初始阶段打滑的主要因素，建立打滑程度的量化评价指标，数值模拟和实验相结合获得各工艺参数对打滑的影响规律，研究结果为控制滚轧成形打滑、合理制定工艺参数、提高齿轮滚轧成形质量提供科学依据。

（3）揭示突耳缺陷的形成机理

针对齿轮滚轧成形中的突耳缺陷，通过有限元模拟，对滚轧过程中坯料齿形进行受力分析、变形分析以及金属流动分析，揭示突耳缺陷的形成机理。有限元模拟结合实验获取各工艺因素对突耳形貌的影响规律，为提高齿轮的成形质量以及工艺参数的优化提供理论和数值分析基础。

（4）获取齿形成形规律及影响因素

建立齿轮滚轧中有效齿形的量化评价指标，以突耳的成形机理为基础，分析出影响有效齿形的工艺因素，通过对齿轮滚轧成形过程进行数值模拟及实验验证，得到工艺因素对有效齿形的影响规律，研究结果可为合理选择工艺因素、提高材料利用率提供科学依据。

（5）控制齿形突耳措施研究

以突耳成形机理为理论基础，综合考虑工艺参数、模具结构、预成形和装置等四个方面，提出并建立圆柱直齿轮滚轧成形工艺参数与预成形设计、实验设备优化体系，优化分析并给出提高齿形成形质量的预制坯设计方法、实验设备改进方法、最优的滚轧工艺参数组合以及滚压轮参数与齿形结构等。

（6）齿轮滚轧实验装置研发

依据齿轮滚轧成形基本原理自行研究设计并加工一套双滚压轮齿轮滚轧成形实验装置，该装置可实现滚压轮转速、坯料转速以及滚压轮进给速度的精确控制，可完成齿轮滚轧初始阶段打滑实验及齿轮的滚轧加工实验。