張軍改、張康生等。 2100433B

河北東安精工股份有限公司、北京科技大學等。

本項目提出將齒輪的范成加工原理與傳統的楔橫軋加工原理相結合，在軋制成形圓截面軸類零件的同時實現齒形部分的精密軋制成形。不僅可以實現齒輪軸類零件的近凈成形，而且可以提高齒輪的承載能力及疲勞壽命。.采用理論分析、數值模擬與實驗研究相結合的研究方法，對齒輪軸類零件楔橫軋精密成形的機理和成形規律等科學問題進行系統深入的研究。分析齒輪軸與模具間的相互作用與運動關系，建立描述齒輪軸類零件精密成形的數學模型，確定精密成形的理論方法和最佳工藝條件。研究齒輪軸成形過程中應力應變場及位移場的分布規律，揭示齒輪軸類零件精密成形規律、晶粒組織演變機理。應用試驗研究工藝參數對齒輪精密成形規律以及對齒輪晶粒組織、性能的影響規律。.上述基礎工作的完成，將為齒輪軸類零件精密成形奠定基礎，為實現機械產品零件成形由粗放到精化的轉變，使其外部尺寸達到無余量或接近無余量，組織性能明顯提高，對實現軸類零件近凈成形具有重要意義。

早在19世紀，人們就探討用楔橫軋生產軸類件。1961年捷克斯洛伐克首先將這一工藝及設備用于工業生產之中。1967年民主德國在萊比錫國際博覽會上展出了他們的板式楔橫軋技術并獲獎。中國從20世紀60年代起對此工藝和設備進行了大量研究工作，并將楔橫軋技術用于扳手等工具的制坯和軸類件生產。世界上許多國家采用楔橫軋工藝生產了上百種軸類零件及其毛坯。20世紀60年代中期，繼二輥楔橫軋問世不久，許多國家對三輥楔橫軋開展了較為廣泛的研究工作。70年代出現了三輥楔橫軋軋機及生產的產品。中國從70年代初對三輥楔橫軋技術進行研究，成功地軋制鐵路貨車車軸、電機軸等空心實心軸類件以及設計出大中小型三輥楔橫軋軋機，并于1987年獲尤里卡國際發明金獎。

楔橫軋是一種軸類零件成形新工藝。與傳統切削、鍛造工藝相比具有生產效率高、材料利用率高、產品性能好，同時具有軋制成形力小，因而設備噸位小，投資少成本低等優點。 但是傳統楔橫軋技術只能成形回轉體軸類零件，無法成形具有齒形的軸類零件。目前齒輪軸的齒主要是由切削加工方法制造，為節約金屬材料、提高生產效率，現在已逐漸采用精密鍛造方法生產小模數齒輪，如汽車變速箱內的小模數齒輪。但鍛造方法不適合生產大模數齒輪，因為大模數齒輪鍛造力巨大而需要龐大的設備。因而亟需一種高效、節能、節材的較大模數齒輪的生產方法。 本項目取得以下創新性成果： 1)本項目提出將齒輪的范成加工原理與傳統的楔橫軋加工原理相結合，在軋制成形圓截面軸類零件的同時實現齒形部分的精密軋制成形,不僅可以實現大模數齒輪軸類零件的近凈成形，而且可以提高齒的承載能力和工作壽命； 2)分析了齒輪軸與模具間的相互作用與運動關系，揭示了模具與軋件之間即存在齒輪嚙合傳動關系，又存在滾滑運動關系。建立了模具與坯料之間運動關系的數學模型，推導出計算模具齒距的數學方程，為確定各階段模具的設計提供了依據； 3) 提出了齒的成形方案和設計模具齒形的方法。針對軋制過程中齒形分度不均的亂齒技術難題，提出模具由若干階段構成并且在任意一個階段內所有齒的參數都相同的模具設計方法，這樣可以實現各階段模具獨立設計以及單階段軋制實驗，通過調整單階段模具參數就可解決齒形分度不均的亂齒問題，利用齒輪軸軋制實驗和數值模擬齒輪軸軋制成形，驗證了齒的成形方案和模具齒形的設計方法是正確的； 4)采用數值模擬的研究方法，對齒輪軸類零件楔橫軋精密成形的機理和成形規律等科學問題進行了系統深入的研究。研究了齒輪軸成形過程中應力應變場及位移場的分布規律，揭示了齒輪軸類零件精密成形規律、晶粒組織演變機理； 5) 軋制實驗結果與有限元仿真模擬結果基本一致,實驗結果表明齒輪軸類零件楔橫軋工藝是可行的； 6) 項目成果“萬噸級楔橫軋高質量汽車軸類件生產技術及應用”對推動行業技術進步具有重要作用，經濟社會效益顯著。2012年獲河北省科技進步2等獎；項目成果出版科技專著1部；發表學術論文43篇，其中SCIE檢索1篇，EI檢索25篇，ISTP檢索2篇；獲授權國家發明專利4 項；培養博士生8名、碩士生18名。