Studie zur Fehlerreduzierung von Metallfaltungen an der geformten Zahnoberseite mit einer Schlichtwalze im Zahnradwalzverfahren

Jul 14, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 4691 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Das Schrägwalzverfahren ist eine neue Methode zur Herstellung von Zahnrädern mit großem Durchmesser, die große Vorteile bietet. Während beim Zahnradherstellungsprozess mit Schrägwalzen aufgrund des unterschiedlichen Verformungsmechanismus zwischen den rechts und links geformten Zahnprofilen eine Spitze an der Zahnoberseite des Werkstücks gezogen wird, was die Umformqualität erheblich beeinträchtigt. Um den aufgetretenen Fehler zu beseitigen, wird die Schlichtwalze vorgeschlagen und konstruiert, die Bewegungsgleichung der Schlichtwalze aufgestellt und gelöst und das Prinzip der Höhenzunahme des geformten Zahns ermittelt. Darüber hinaus ist in der DEFORM-3D-Software ein vereinfachtes Finite-Elemente-Modell (FE-Modell) mit Finishing-Rolle und Nicht-Finite-Rolle erstellt. Der Vergleich der Simulationsergebnisse zwischen zwei Situationen wird analysiert und es kann geschlussfolgert werden, dass mit der Schlichtwalze die Vorsprünge auf beiden Seiten der Zahnoberseite des Werkstücks in jeder Phase durch die Schlichtwalze abgeflacht werden und sich die Zahnoberseite ansammelt Es treten keine Vorsprünge auf, was bedeutet, dass kein Extrudieren und Nachbearbeiten der Zahnoberseite des Werkstücks erforderlich ist. Darüber hinaus wird der Versuch mit der Finishwalze durchgeführt und die Wirksamkeit der Finishwalze überprüft.

Beim Zahnradwalzverfahren handelt es sich um eine neue Methode zur Herstellung von Zahnrädern mit großem Durchmesser, die im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden große Vorteile wie höhere Produktionsraten, erhebliche Metalleinsparungen, verbesserte Belastbarkeit und längere Werkzeugstandzeiten bietet1. Bei der Herstellung von Zahnrädern mit Zahnradwalzen wird jedoch aufgrund des unterschiedlichen Verformungsmechanismus zwischen den rechten und linken Zahnprofilen eine Spitze an der Zahnspitze gezogen, die als Hasenohr bezeichnet wird, wie in Abb. 1 dargestellt, was die Zahnung erheblich beeinträchtigt Formqualität, was zu Metallfaltfehlern auf der geformten Zahnoberseite führt.2

Das Hasenohr auf der Zahnoberseite des geformten Werkstücks2.

Der Reduzierung des Defekts wurden viele Forschungsarbeiten gewidmet. Kamouneh analysierte den Defekt des Kaninchenohrs an der Zahnoberseite durch die Kombination von Finite-Elemente-Methode und Experiment und schlug eine mögliche Lösung zur Reduzierung des Defekts vor. Die mögliche Lösung wurde jedoch nicht durch Experimente verifiziert3,4,5. Yu et al. untersuchte die Umformung von Getriebewellen durch den Querkeilwalzprozess und analysierte den Einfluss von Walztemperatur, Reibungskraft, Werkstückform und anderen Veränderungen auf das Phänomen des Hasenohrs und kam zu dem Schluss, dass der Defekt durch den Aufwärtsfluss von Metall verursacht wird das Zahnprofil, das durch die Reibung zwischen dem Matrizenzahn und dem geformten Zahn des Werkstücks entsteht. Die Maßnahmen zur Minderung des Mangels wurden jedoch nicht erwähnt6. Wang untersuchte die Zahnradwalzumformung mit der FE-Methode, quantifizierte das Phänomen des Kaninchenohrdefekts und untersuchte den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Metallfaltung an der Zahnoberseite. Durch die Vorformung des Werkstücks und die Optimierung der Prozessparameter konnte die Höhe des Hasenohrs effektiv reduziert werden. Allerdings basierten alle Forschungsdaten auf Finite-Elemente-Simulationen und es wurde keine experimentelle Verifizierung durchgeführt7,8. Zhu untersuchte den Einfluss des relativen Gleitens zwischen Zahnprofilen auf den Metallfluss während des Walzprozesses, analysierte die Faktoren, die den Defekt des Kaninchenohrs beeinflussen, und fasste zusammen, dass für die Umformung von Zahnrädern mit Standardzahnhöhe eine Erhöhung der Umformtemperatur und eine Verringerung der Reibung von Vorteil sind um den Defekt des Kaninchenohrs zu reduzieren. Nach dem Pressen des Zahnrads zur Endbearbeitung kann der Metallfalzfehler an der Zahnspitze beseitigt und Walzexperimente durchgeführt werden.9

Bei der Herstellung von Zahnrädern mit großem Modul (größer als 5) oder Zahnrädern mit hohen Zähnen kann die Optimierung der Prozessparameter jedoch den Fehler der Metallfaltung auf der geformten Zahnoberseite nicht beseitigen10. Daher wird in dieser Arbeit eine Endbearbeitungswalzenvorrichtung entwickelt. Wie in Abb. 2 dargestellt, nimmt die Zahnhöhe des Werkstücks während des Zahnradwalzvorgangs allmählich zu, die Endbearbeitungswalze rollt über die Zahnoberseite und das durch die Reibung hochgezogene Metall wird gedrückt, um die Ansammlung des Hasenohrs zu verhindern. Darüber hinaus kann der Metallfaltfehler an der Zahnspitze beseitigt werden.

Das Prinzip des Zahnradwalzprozesses mit Finishwalze.

Da das geformte Zahnprofil des Werkstücks weiter wächst, muss die Walze zurückgezogen werden, wie in Abb. 2 dargestellt. Daher ist es notwendig, die Bewegungsgleichung der Schlichtwalze mit dem Zahnradvorschub zu lösen.

Die Bewegungsgleichung der Endbearbeitungswalze wird wie folgt aufgestellt, wie Abb. 3 zeigt: KT und KW repräsentieren das konjugierte Zahnprofil der Zahnradmatrize bzw. des Werkstücks, und der Radius des Teilungskreises ist jeweils rt und rw. Das rotierende Koordinatensystem (xtOtyt) und (xwOwyw) sind jeweils mit dem Zahnprofil KT des Zahnrads und dem Zahnprofil KW des Werkstücks festgelegt. Darüber hinaus fällt der Koordinatenursprung mit dem Drehzentrum des Werkstücks und der Zahnradmatrize zusammen. Zu Beginn fallen die yt-Achse und die yw-Achse mit der Mittellinie des Werkstücks und der Zahnradmatrize durch den Knoten P zusammen. Nehmen Sie an, dass die Normallinie eines Punktes CT auf dem Zahnprofil der Zahnradmatrize KT den Teilkreis in PT schneidet, und Die Normallinie des Punktes CW auf dem Werkstückzahnprofil KW schneidet den Teilkreis in PW. Wenn sich das Zahnradgesenkzahnprofil KT gegen den Uhrzeigersinn auf θ1 dreht, dreht sich entsprechend das Werkstückzahnprofil KW im Uhrzeigersinn auf θ2, PT und PW bewegen sich zum Punkt P gleichzeitig, und die Punkte CT und CW beginnen sich am Punkt C zu berühren. Nach dem Eingriffsgesetz kann man es wie folgt erhalten:

wobei \(\alpha_{t} ,\alpha_{w}\) jeweils die Eingriffswinkel des Zahnprofils KT und KW sind. Zur Vereinfachung der Analyse lassen Sie

Die Eingriffsbeziehung des Evolventenzahnprofils.

Definieren Sie hier l als die Länge der Normalenlinie.

Die Parametergleichung des Zahnradzahnprofils KT im Koordinatensystem (xtOtyt) kann ausgedrückt werden als:

Die Bogengleichung der Zahnoberseite des Zahnradgesenks im Koordinatensystem (xtOtyt) kann wie folgt dargestellt werden:

Dabei ist θ der Winkel zwischen dem Bogenradius der Zahnoberseite und der yt-Achse. Die Parametergleichung des Werkstückzahnprofils KW kann ausgedrückt werden als:

Und

Dabei ist i das Übersetzungsverhältnis für das Zahnrad und das Werkstück, und da die Walzausrüstung eine erzwungene Abstufung anwendet, ist i der feste Wert.

Da die Normallinie des Zahnradzahnprofils KT am Punkt CT immer senkrecht zur Tangente dieses Punktes steht, beträgt der Winkel zwischen der Normalen am Punkt CT und der xt-Achse π-(α + θ1) und kann somit ermittelt werden als,

Nach Gl. (6), Ableitung für θ1 bzw. \(\frac{{dy_{t} }}{{d\theta_{1} }}\) und \(\frac{{dx_{t} }}{{d\ theta_{1} }}\) erhalten werden kann, ersetzen Sie Gl. (10) kann nach vereinfachter Nachbearbeitung wie folgt erhalten werden:

Da der Eingriffswinkel des Evolventenprofils konstant ist, gilt die Gl. (11) kann ausgedrückt werden als:

Ersetzen Sie Gl. (12) mit Gl. (6) und (8), um die Zahnprofilgleichung für das Zahnrad wie folgt zu erhalten:

Und die Werkstückzahnprofilgleichung kann wie folgt dargestellt werden:

Um die Lösung der Höhenzunahme des geformten Zahns zu erleichtern, wird das Zahnprofil der Matrize gegen den Uhrzeigersinn um φ1 gedreht. Dementsprechend wird die Zahnprofilgleichung des Werkstücks im Uhrzeigersinn um φ2 gedreht, φ1 = iφ2, und sie kann wie folgt erhalten werden:

Dabei ist φ1 der Winkel zwischen der symmetrischen Mittellinie des Zahnradzahnprofils KT und yt.

Das Zahnprofil nach der Drehung ist in Abb. 4 dargestellt. Punkt A ist der Schnittpunkt des Außenkreises des ursprünglichen Werkstücks und der Evolvente. Der Anfangsradius des Werkstücks beträgt r0, Punkt Q ist der Schnittpunkt zwischen dem Kopfkreis des Werkstückzahns und der Evolvente zu einem bestimmten Zeitpunkt und der Radius ist ri. B ist der Schnittpunkt des Zahnfußkreises und der Evolvente des Formteils zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Das schematische Diagramm der Positionsbeziehung zwischen Zahnrad und Werkstück zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Aufgrund des Prinzips des konstanten Volumens des Werkstücks vor und nach der Umformung bei der Kunststoffverarbeitung ist die erzeugte Fläche gleich der Fläche der tiefen Nut als SMNQA = SBAEF und kann erhalten werden als:

Gemäß der obigen Theorie wird die MATLAB-Software verwendet, um den Echtzeitdurchmesser des Kopfkreises des Werkstücks im Umformprozess numerisch zu berechnen, als konkretes Beispiel, in dem die grundlegenden Parameter des Zahns von Zahnradgesenk und Werkstück dargestellt werden Tabelle 1. Die von MATLAB zu verschiedenen Zeiten berechnete Zahnhöhenzunahme ist in Tabelle 2 dargestellt.

Die Polynomanpassung wird anhand der Daten des Vorschubbetrags und der Erhöhung der Werkstückzahnhöhe durchgeführt, wodurch die Funktion von h bis f1 erhalten werden kann, dargestellt als:

Und die Werte der Polynomkoeffizienten sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Darüber hinaus gilt während des Zahnradwalzprozesses der Vorschubbetrag f1 = vf1t, wobei vf1 die Vorschubgeschwindigkeit ist, sodass die Geschwindigkeit der Fertigwalze vya erhalten werden kann als

Das FE-Modell des Zahnradwalzprozesses mit der Fertigwalzvorrichtung wird erstellt und die Zuordnung der Objekte ist in Abb. 5 unter Berücksichtigung der Vermeidung von Rauminterferenzen dargestellt. Das Werkstück wird als Hartkunststoffkörper fixiert und fixiert. Die Zahnradmatrize, die Prallplatte und die Finishwalze sind als starre Körper ausgebildet. Da das Werkstück fixiert ist, rotieren die Zahnradmatrize und die Prallplatte um ihre eigene Achse und drehen sich gleichzeitig um die Mittelachse des Werkstücks. Auch die Finishwalze dreht sich um die Mittelachse des Werkstücks. Und das Drehmoment ist auf 0 eingestellt, d. h. bei Kontakt mit dem Werkstück dreht sich die Finishwalze angetrieben durch die Reibung des Werkstücks. Darüber hinaus bewegen sich die Zahnradmatrize und die Prallplatte mit der Vorschubbewegung allmählich näher an das Werkstück heran, und die Endbearbeitungswalze entfernt sich allmählich vom Werkstück, wenn die Höhe der gebildeten Zahnhöhe des Werkstücks zunimmt. Da die Zahnradmatrize 45° von der Endbearbeitungswalze entfernt ist, kann die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Endbearbeitungswalze und der Zeit wie folgt ermittelt werden

Dabei ist ωw die Geschwindigkeit des Werkstücks während des Walzvorgangs (rad/s).

Das FE-Modell des Zahnradwalzprozesses mit Endwalze.

Gemäß den Symmetriemerkmalen des Werkstücks wurde zur Vereinfachung die Hälfte der Werkstückdicke angenommen11,12, wie in Abb. 6 dargestellt. Da außerdem die Zahnradmatrize und das Werkstück von ihren jeweiligen Servomotoren angetrieben werden, weisen beide bestimmte Geschwindigkeiten auf und die Parameter wie die Walzkraft periodisch symmetrisch sind, kann das Werkstückmodell auf 1/12 fächerförmigen Zylinder in Umfangsrichtung vereinfacht werden13. Um die Recheneffizienz zu verbessern, wird die lokale Netzverfeinerung des Außenflächenformbereichs des Werkstücks durchgeführt, wodurch die Genauigkeit der Evolventenform des geformten Zahnprofils sichergestellt werden kann. Gleichzeitig wird im Simulationsprozess der Zeitschritt auf 0,01 s pro Schritt eingestellt. Bezüglich der Wärmeübertragung wird die Umgebungstemperatur auf 20 °C eingestellt, der Kontaktwärmeübertragungskoeffizient zwischen Zahnradrohling und Zahnform wird auf 5 × 103 W/m2·K eingestellt, der Konvektionskoeffizient zwischen Zahnradrohling und Luft wird auf eingestellt 20 W/m2·K und die Wärmestrahlungsrate beträgt 0,7. Zusätzlich wird für den Prozess das Scherreibungsmodell ausgewählt14. Die Reibungskraft der Kontaktfläche des Scherreibungsmodells ändert sich nicht mit der Änderung des Normaldrucks und die Einheitsreibungskraft ist konstant, was dem Gesetz der konstanten Reibung entspricht, das ausgedrückt werden kann als

Dabei ist m der Reibungsfaktor und 0 < m ≤ 1,0, k ist die Scherstreckgrenze des Werkstücks.

Das vereinfachte Modell des Zahnradwalzprozesses mit Fertigwalze.

Die Parameter der Finite-Elemente-Simulation der Einstellungen des Zahnradwalzprozesses sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Die Zahnradwalzmaschine mit Endwalze ist in Abb. 7 dargestellt, und es wird das Zahnradwalzexperiment durchgeführt. Es wurden Vergleiche der Temperaturverteilung und der Walzkraft zwischen den experimentellen und Simulationsergebnissen während des Zahnradwalzprozesses durchgeführt. Wie in Abb. 8 gezeigt, weist das Simulationsergebnis der radialen Temperaturverteilung die gleichen Trends auf wie experimentelle Ergebnisse. Darüber hinaus ist der quantitative Vergleich in Abb. 9 dargestellt. In der Nähe der Formierungszone beträgt der maximale relative Fehler der Temperaturverteilung etwa 3 %. Daher können die Ergebnisse der Erwärmungssimulation validiert und als zuverlässig angesehen werden. Was die Walzkraft betrifft, wie in Abb. 10 dargestellt, so steigt die Walzkraft in der Eindring- und Umformphase mit zunehmender Vorschubmenge an, in der Endphase fällt die Walzkraft dann ab und bleibt auf einem bestimmten Wert stabil. Den Vergleichen der Versuchs- und Simulationsergebnisse zufolge stimmt die Walzkraft gut überein und der maximale relative Fehler beträgt 10,6 %, was darauf hindeutet, dass die Simulationsergebnisse gut mit den Versuchsdaten übereinstimmen und die Gültigkeit des etablierten Modells2 beweisen.

Die Ausrüstung des Zahnradwalzens mit einer Endwalzenvorrichtung. 1 Zuführvorrichtung, 2 Klemme, 3 Transformator, 4 Stromquelle für Induktionserwärmung und 5 Zahnradmatrize und Leitbleche, 6 Endbearbeitungswalze und 7 Werkstück.

Die Temperaturverteilung des Werkstücks in radialer Richtung. (a) Simulationsergebnis und (b) experimentelle Ergebnisse, erfasst durch Infrarot-Thermografie.

Die quantifizierten Vergleiche der Temperaturverteilung des geformten Werkstücks.

Vergleich von Simulation und experimenteller Walzkraft in verschiedenen Phasen.

Nach Gl. (20) kann die Beziehung zwischen dem Vorschub und der Zahnhöhenzunahme des Werkstücks erhalten und in Abb. 11 dargestellt werden. Wenn die Vorschubgeschwindigkeit zu Beginn klein ist, nimmt die Höhe des geformten Zahns langsam zu, was auf die Zahnhöhe zurückzuführen ist Die Oberseite der Matrize ist dünn und scharf. Zu diesem Zeitpunkt ist auch der von der Zahnoberseite der Matrize extrudierte radiale Fluss des Metalls relativ gering. Mit der allmählichen Erhöhung des Vorschubs wird auch die Dicke des Zahnprofils des Zahnradgesenks, das in das Werkstück eindringt, allmählich erhöht und die Geschwindigkeit der Zahnhöhenzunahme des Werkstücks wird beschleunigt. Wie Abb. 11 zeigt, erhöhte sich zu Beginn des Walzens die Werkstückzahnhöhe um 0,02 mm, wenn der Vorschubbetrag von 0 auf 0,55 mm anstieg, und wenn der Vorschubbetrag von 5,85 auf 6,35 mm stieg, erhöhte sich die Werkstückzahnhöhe um 0,02 mm 0,5 mm. In der späteren Phase des Vorschubs kann eine kleinere Vorschubgeschwindigkeit zu einer größeren Zahnhöhenzunahme führen.

Das Verhältnis zwischen der Vorschubmenge und der Höhenzunahme des geformten Zahns.

Die Dehnungsverteilung des geformten Zahns in verschiedenen Stadien des Zahnradwalzprozesses ist in Abb. 12 dargestellt. In der Eindringphase ist die effektive Dehnung des deformierten Bereichs in Kontakt mit dem Zahnprofil des Zahnradgesenks im Vergleich zu der nahe dem Kern des Zahnrads Der geformte Zahn ist größer und die Dehnung in der Nähe des Herzens beträgt nahezu 0, was darauf hindeutet, dass beim Walzvorgang die Verformung hauptsächlich in einem bestimmten Bereich von der Oberfläche des Werkstücks auftritt. Im Umformstadium wird im Vergleich zum vorherigen Stadium der Bereich mit großer effektiver Dehnung größer, hauptsächlich im Bereich der geformten Zahnwurzel. Mit der allmählichen Steigerung der Fütterung dehnt sich der Bereich mit größerer Belastung weiter aus. Die effektive Dehnung ändert sich allmählich entlang der gebildeten Zahnbreite und fällt in der Mitte auf weniger als 0,75 ab. Derzeit besteht ein großer Unterschied in der Spannungsverteilung zwischen den beiden Seiten des Zahnprofils, was darauf hindeutet, dass der asymmetrische Defekt des linken und rechten Profils des geformten Zahns auftritt. Wenn die Vorschubmenge 100 % erreicht, nimmt die effektive Dehnung in der Mitte der gebildeten Zahnbreite zu, was darauf hindeutet, dass das Metall in der Mitte ebenfalls eine Strangpressverformung aufweist. Darüber hinaus wird die Asymmetrie der wirksamen Beanspruchung auf beiden Seiten des Zahnprofils immer gravierender. Laut unserer früheren Studie2 kann der Mangel der Asymmetrie des linken und rechten Zahnprofils durch den Endbearbeitungsprozess der abwechselnden Vorwärts- und Rückwärtsdrehung verringert werden. Was die Dehnungsverteilung nach der Schlichtwalze im Vergleich zu der nach der Zahnradwalze anbelangt, so kommt es zu Veränderungen der Spannungskontur an der Zahnoberseite, insbesondere an zwei Seiten, die durch das Zusammendrücken der Schlichtwalze verursacht werden, was zu einer Verringerung des Kaninchenohrdefekts führt. und die Belastung an zwei Seiten der Zahnoberseite wird größer. Wenn die Fütterung beendet ist, tritt der Defekt des Kaninchenohrs nicht mehr auf, die Formungsqualität ist hervorragend.

Die Dehnungskontur des geformten Zahns nach dem Walzen und Endbearbeiten des Zahnrads in einem bestimmten Durchgang.

Gemäß den Finite-Elemente-Ergebnissen kann durch Vergleich der Umformergebnisse zweier Zustände, mit der Fertigwalze und der Nicht-Fertigwalze, ermittelt werden, dass in der Anfangsphase des Walzens der Zustand der Nicht-Fertigwalze aufgrund der Durch die Reibung, die durch das relative Gleiten und das Zusammendrücken des Zahnraums des Werkstücks durch den Zahnradzahn verursacht wird, ist der Metallfluss der beiden Seiten der Profile auf der Zahnoberseite und im zentralen Bereich des Werkstücks unterschiedlich, was zu einer Verformung führt der Vertiefung im Mittelbereich und des Vorsprungs auf beiden Seiten auf der Zahnoberseite des Werkstücks. Mit zunehmendem Vorschub dringt das Zahnprofil des Zahnradgesenks kontinuierlich in das Werkstück ein, das Zahnprofil des Werkstücks wächst weiter und die Vorsprünge auf beiden Seiten der Zahnoberseite häufen sich kontinuierlich bis zum Ende der Umformung. Die Hasenohren werden auf beiden Seiten der Zahnoberseite des Werkstücks geformt. Wie in Abb. 13 dargestellt, beträgt die Höhe des Kaninchenohrs auf der Zahnoberseite bei einer Futtermenge von 33 % 0,1 mm, bei einer Futtermenge von 66 % summiert sich die Höhe auf 0,28 mm. Wenn die Umformung schließlich abgeschlossen ist, summiert sich die Höhe auf 0,59 mm. Wenn an diesem Punkt die Wurzel des Zahnprofils des Zahnradgesenks weiter zusammengedrückt und die Zahnoberseite des Werkstücks bearbeitet wird, kommt es zu einer Metallfaltung. Was den Zustand des Hinzufügens der Endbearbeitungsrolle betrifft, so werden die Vorsprünge auf beiden Seiten der Zahnoberseite des Werkstücks in jeder Stufe durch die Endbearbeitungsrolle abgeflacht, und es wird keine Ansammlung der Zahnoberseitenvorsprünge auftreten. Durch den kontinuierlichen Vorschub der Zahnradmatrize wird das Zahnprofil des Werkstücks vollständig verlängert und es gibt keinen Vorsprung auf der Zahnoberseite, was bedeutet, dass keine Extrusion und Endbearbeitung der Zahnoberseite des Werkstücks erforderlich ist. Es gibt keinen Metallfaltfehler an der Zahnoberseite und die Umformqualität ist ausgezeichnet. Darüber hinaus wird der Zahnradwälzversuch durchgeführt. Die Form des gerollten Zahns ist in Abb. 14 dargestellt. Daran lässt sich erkennen, dass die Zahnoberseite gut geformt ist. Es kann nachgewiesen werden, dass der Metallfalzdefekt an der Zahnoberseite durch Hinzufügen der Endbearbeitungswalze wirksam beseitigt werden kann.

Der Vergleich der Umformergebnisse unter zwei Bedingungen, mit Finishwalze und der Nicht-Finishingwalze.

Der geformte Zahn des Werkstücks ohne Metallfalzfehler mithilfe einer Schlichtwalzenvorrichtung.

In diesem Artikel wird ein neues Zahnradwalzverfahren mit speziell entwickelter Endbearbeitungswalze vorgeschlagen. Das mathematische Modell der Bewegungsbeziehungen der Fertigwalze während des Verzahnungsprozesses wird durch numerische Berechnung erstellt und gelöst. Mit dem Bewegungsmodell werden numerische Simulationen und relevante experimentelle Untersuchungen durchgeführt und die Metallfaltung auf der Zahnoberseite des geformten Zahns im Zahnradwalzprozess mit Fertigwalze analysiert. Die wichtigsten Schlussfolgerungen dieses Papiers lauten wie folgt:

Während des Zahnradformungsprozesses nimmt die Höhe des geformten Zahns zunächst langsam zu, was darauf zurückzuführen ist, dass die Zahnoberseite der Matrize dünn und scharf ist. Mit der allmählichen Erhöhung des Vorschubs wird auch die Dicke des Zahnprofils des Zahnradgesenks, das in das Werkstück eindringt, allmählich erhöht und die Geschwindigkeit der Zahnhöhenzunahme des Werkstücks wird beschleunigt.

Den Simulationsergebnissen zufolge werden mit der Schlichtwalze die Vorsprünge auf beiden Seiten der Zahnoberseite des Werkstücks in jeder Phase durch die Schlichtwalze abgeflacht, und es wird nicht zu einer Ansammlung der Zahnoberseitenvorsprünge kommen. Durch den kontinuierlichen Vorschub der Zahnradmatrize wird das Zahnprofil des Werkstücks vollständig verlängert und es gibt keinen Vorsprung auf der Zahnoberseite, was bedeutet, dass keine Extrusion und Endbearbeitung der Zahnoberseite des Werkstücks erforderlich ist.

Das Zahnradwalzexperiment mit der Endbearbeitungswalze wurde durchgeführt und es konnte bestätigt werden, dass der Metallfalzdefekt auf der Zahnoberseite durch Hinzufügen der Endbearbeitungswalze wirksam beseitigt werden kann.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant-Nr. 52204397), der Natural Science Foundation der Provinz Shanxi (Grant-Nr. 20210302123103), dem Major Project of Science and Technology der Provinz Shanxi (Grant-Nr. 20181102016) und finanziert die China Postdoctoral Science Foundation (Grant Nr. 2021M702544).

Hochschule für Maschinenbau und Fahrzeugtechnik, Technische Universität Taiyuan, Taiyuan, 030024, Shanxi, Volksrepublik China

Xiaobin Fu, Peng Chen & Xiaobao Ma

Engineering Research Center of Advanced Metal Composites Forming Technology and Equipment, Ministerium für Bildung, Taiyuan, 030024, Shanxi, Volksrepublik China

Xiaobin Fu, Peng Chen & Xiaobao Ma

Shandong Product Quality Inspection Research Institute, Jinan, 250102, Shandong, Volksrepublik China

Jiankang Wang & Guangqing Liu

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PC führte die Simulation und Experimente durch. XF und XM stellten experimentelle Unterstützung bereit. GL und JW lieferten innovative Beratung. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Peng Chen oder Xiaobao Ma.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Fu, X., Chen, P., Wang, J. et al. Studie zur Fehlerreduzierung von Metallfaltungen an der geformten Zahnoberseite mit einer Schlichtwalze im Zahnradwalzverfahren. Sci Rep 13, 4691 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31767-6

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Eingegangen: 31. Oktober 2022

Angenommen: 16. März 2023

Veröffentlicht: 22. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31767-6

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