D0I:10.13374.issn1001-053x.2011.12.014 第33卷第12期 北京科技大学学报 Vol.33 No.12 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 齿轮轴齿形轧制成形的模具设计与实验 于 杰王宝雨四 胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:bywange@usth.cdu.cn 摘要将齿轮的轧制成形与传统的楔横轧原理相结合，在轧制成形轴类零件的同时实现齿形部分的轧制成形，不仅可以实 现齿轮轴零件的近净成形，而且可以提高齿的承载能力及使用寿命.在轧制齿形部分的过程中，对轧件的进给采用分段阶梯 式进给方式，轧件在模具的带动下以自由分度方式进行轧制.通过数学模型和实验，给出了轧制各阶段模具齿距的计算方法 和变化规律、模具的齿形设计方法、模具对轧件首次分度时最小进给量的计算方法以及轧制各阶段进给量的变化规律.用D fom3D数值模拟仿真软件模拟轧制过程，在H630轧机上轧制出模数m=2,齿数z=20,压力角a'=20°的齿轮轴上的齿形，实 验证明在楔横轧机上轧制齿轮轴上的齿形是可行的. 关键词轴类件：齿轮：轧制：模具设计；使用寿命：计算机模拟 分类号TG335.19 Die design and experiment for forming the teeth of shafts by rolling UJie,WANG Bao-yu☒，HU Zheng+huam School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:bywang@ustb.edu.cn ABSTRACT Combining the theory of wedge cross rolling (WCR)with forming gears by rolling,a method was proposed to form teeth simultaneously when rolling gear shafts.The method can not only realize the near net forming of gear shafts,but also improve the me- chanical properties and service life of teeth.In the process of forming teeth by rolling,the feed was not continuous but intermittent,and workpieces were compelled to roll in free graduation under the rotation of dies.The calculation method and change law of die tooth pitch,the design of die tooth forms,the calculation method of the minimum feed at the first half circle and the law of feed change in each stage of rolling were presented on the basis of mathematical models and experiments.The rolling process was simulated by numeri- cal software Deform-3D,with which the dies can be correctly designed.A toothed shaft with the module of the gear m =2,the number of teeth z=20 and the pressure angle a'=20 has been successfully formed with the H630 rolling tool.It is proved that forming teeth on gear shafts by wedge cross rolling is feasible. KEY WORDS shafts;gears;rolling:die design:service life:computer simulation 齿轮轴是机械结构中常用的一个重要零件，它 维没有被切断只是被拉伸或挤压·-习，因此这种齿 能够以简单、紧凑的结构形式传递较大的力和运动， 形的弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度与通过金属 因此在各个领域中得到了广泛的应用.目前齿轮轴切削加工方式加工出的齿形相比能提高20%左 的加工方式均采用金属切削的方法加工成形.用楔 右B-).在轧制成形齿轮轴上齿形部分的过程中模 横轧的方式轧制齿轮轴并且把轴上的齿形也轧制成 具的齿形参数是影响齿形成形质量的主要因素. 形是一种新的成形工艺，这种成形工艺可以把成形 轴的工艺和成形齿形的工艺合为一个工艺，大幅度 1齿轮轧制成形原理 地提高生产效率，降低成本，节省原材料.由于轧制 轧制齿轮轴上齿形的原理如图1所示.1和2 过程中轧件发生的是挤压塑性变形，齿形的金属纤 为模具，3为轧件，模具1、2以相同的转速做相对运 收稿日期：2010-12一10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975023)：国家科技重大专项(2009X04014074):北京自然科学基金资助项目(3082013)第 33 卷 第 12 期 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 12 Dec． 2011 齿轮轴齿形轧制成形的模具设计与实验 于 杰 王宝雨 胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: bywang@ ustb． edu． cn 摘 要 将齿轮的轧制成形与传统的楔横轧原理相结合，在轧制成形轴类零件的同时实现齿形部分的轧制成形，不仅可以实 现齿轮轴零件的近净成形，而且可以提高齿的承载能力及使用寿命． 在轧制齿形部分的过程中，对轧件的进给采用分段阶梯 式进给方式，轧件在模具的带动下以自由分度方式进行轧制． 通过数学模型和实验，给出了轧制各阶段模具齿距的计算方法 和变化规律、模具的齿形设计方法、模具对轧件首次分度时最小进给量的计算方法以及轧制各阶段进给量的变化规律． 用 De￾form-3D 数值模拟仿真软件模拟轧制过程，在 H630 轧机上轧制出模数 m = 2，齿数 z = 20，压力角 a' = 20°的齿轮轴上的齿形，实 验证明在楔横轧机上轧制齿轮轴上的齿形是可行的． 关键词 轴类件; 齿轮; 轧制; 模具设计; 使用寿命; 计算机模拟 分类号 TG335. 19 Die design and experiment for forming the teeth of shafts by rolling YU Jie，WANG Bao-yu ，HU Zheng-huan School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: bywang@ ustb． edu． cn ABSTRACT Combining the theory of wedge cross rolling ( WCR) with forming gears by rolling，a method was proposed to form teeth simultaneously when rolling gear shafts． The method can not only realize the near net forming of gear shafts，but also improve the me￾chanical properties and service life of teeth． In the process of forming teeth by rolling，the feed was not continuous but intermittent，and workpieces were compelled to roll in free graduation under the rotation of dies． The calculation method and change law of die tooth pitch，the design of die tooth forms，the calculation method of the minimum feed at the first half circle and the law of feed change in each stage of rolling were presented on the basis of mathematical models and experiments． The rolling process was simulated by numeri￾cal software Deform-3D，with which the dies can be correctly designed． A toothed shaft with the module of the gear m = 2，the number of teeth z = 20 and the pressure angle a' = 20° has been successfully formed with the H630 rolling tool． It is proved that forming teeth on gear shafts by wedge cross rolling is feasible． KEY WORDS shafts; gears; rolling; die design; service life; computer simulation 收稿日期: 2010--12--10 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50975023) ; 国家科技重大专项( 2009ZX04014--074) ; 北京自然科学基金资助项目( 3082013) 齿轮轴是机械结构中常用的一个重要零件，它 能够以简单、紧凑的结构形式传递较大的力和运动， 因此在各个领域中得到了广泛的应用． 目前齿轮轴 的加工方式均采用金属切削的方法加工成形． 用楔 横轧的方式轧制齿轮轴并且把轴上的齿形也轧制成 形是一种新的成形工艺，这种成形工艺可以把成形 轴的工艺和成形齿形的工艺合为一个工艺，大幅度 地提高生产效率，降低成本，节省原材料． 由于轧制 过程中轧件发生的是挤压塑性变形，齿形的金属纤 维没有被切断只是被拉伸或挤压［1--2］，因此这种齿 形的弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度与通过金属 切削加工方式加工出的齿形相比能提高 20% 左 右［3--4］． 在轧制成形齿轮轴上齿形部分的过程中模 具的齿形参数是影响齿形成形质量的主要因素． 1 齿轮轧制成形原理 轧制齿轮轴上齿形的原理如图 1 所示． 1 和 2 为模具，3 为轧件，模具 1、2 以相同的转速做相对运 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.12.014