张军改、张康生等。 2100433B

河北东安精工股份有限公司、北京科技大学等。

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。

早在19世纪，人们就探讨用楔横轧生产轴类件。1961年捷克斯洛伐克首先将这一工艺及设备用于工业生产之中。1967年民主德国在莱比锡国际博览会上展出了他们的板式楔横轧技术并获奖。中国从20世纪60年代起对此工艺和设备进行了大量研究工作，并将楔横轧技术用于扳手等工具的制坯和轴类件生产。世界上许多国家采用楔横轧工艺生产了上百种轴类零件及其毛坯。20世纪60年代中期，继二辊楔横轧问世不久，许多国家对三辊楔横轧开展了较为广泛的研究工作。70年代出现了三辊楔横轧轧机及生产的产品。中国从70年代初对三辊楔横轧技术进行研究，成功地轧制铁路货车车轴、电机轴等空心实心轴类件以及设计出大中小型三辊楔横轧轧机，并于1987年获尤里卡国际发明金奖。

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。