CN113343381B - 内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，包括：对型轧所采用的毛坯材料进行力学性能测试，得到应力应变曲线；选取坯料，在特定芯轴锥度条件下通过型轧工艺成形三种不同减薄率的内外齿薄壁零件，调整压下量的大小得到不同的减薄率；选取三个高度的横向截面，在选定截面处测量成形件壁厚以及内外齿形轮廓尺寸，整理得到三种不同减薄率的内外齿薄壁零件在三处截面的回弹量；构造二阶拉格朗日插值函数，利用插值函数拟合得到回弹量随减薄率变化曲线；结合内外齿薄壁零件公差要求，拟合出内外齿薄壁零件产品在不同高度处减薄率的合理取值，依据材料性能曲线对减薄率合理取值进行校核，形成合理回弹控制方案。

Description

内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法

技术领域

本发明涉及金属材料塑性成形技术领域，尤其是涉及一种研究内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法。

背景技术

以离合器毂类零件为代表的内外齿薄壁壳体结构复杂，精度要求高，制造难度大。随着此类零件需求量的增大，传统工艺已不能满足要求，故离合器齿毂等内外齿薄壁零件的生产工艺一直是国内外研究的热点。

中国专利CN103624197A曾公开过一种带内外齿薄壁壳体零件加工方法，包括以下步骤：步骤A.将平板坯料加工成杯形预制坯料，所述杯形预制坯料壁厚与带内外齿薄壁壳体零件的壁厚相同；步骤B.制作一对相互啮合分别用于成形带内外齿薄壁壳体零件内、外齿的齿轮，其中用于成形带内外齿薄壁壳体零件内齿的齿轮为托辊，用于成形带内外齿薄壁壳体零件外齿的齿轮为滚压辊；步骤C.将杯形预制坯料夹紧在托辊上，保证杯形预制坯料和托辊同步转动，同时使滚压辊同步与托辊相向转动，并沿径向向靠近托辊的方向进给，完成带内外齿薄壁壳体零件的成形。

如上述专利一样采用型轧工艺生产离合器齿毂等内外齿薄壁零件是一种比较好的生产方式，相对传统机械加工方法而言，它既可以提高材料利用率，又能提高零件强度。但是离合器齿毂等内外齿薄壁零件成形后回弹现象比较明显，这将严重影响成形后工件的几何精度，阻碍型轧工艺成形离合器齿毂等内外齿薄壁零件的推广应用，解决这些问题成为了研究热点。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种研究内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法。

本发明提供的方法能够提高和改善离合器齿毂等内外齿薄壁零件的成形精度，为实际生产提供理论依据。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种研究内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，包括以下步骤：

(1)对型轧所采用的毛坯材料进行力学性能测试，得到应力应变曲线；

(2)选取坯料，在特定芯轴锥度条件下通过型轧工艺成形三种不同减薄率的内外齿薄壁零件，调整压下量的大小得到不同的减薄率；

(3)选取三个高度的横向截面，在选定截面处测量成形件壁厚以及内外齿形轮廓尺寸，整理得到三种不同减薄率的内外齿薄壁零件在三处截面的回弹量；

(4)构造二阶拉格朗日插值函数，利用插值函数拟合得到回弹量随减薄率变化曲线；

(5)结合内外齿薄壁零件产品壁厚及公差要求，拟合出内外齿薄壁零件产品在不同高度处减薄率的合理取值。减薄率不同产品横截面积不同，从而产生不同拉应力。通过材料性能曲线得到材料抗拉强度,依据抗拉强度对成形过程中筒壁产生的拉应力进行校核，确保成形过程中产品轴线方向的不同高度处横截面的拉应力在抗拉强度之内，形成合理回弹控制方案，为生产合格内外齿薄壁零件提供理论依据。

在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中所述力学性能测试为使用万能试验机做拉伸试验，获得材料的屈服强度、塑性应变比及应***化指数等指标，并绘制应力应变曲线。

在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中所述力学性能测试标准参照国标要求进行。

在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，选取薄壁筒形件为坯料。

在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，所述内外齿薄壁零件选择离合器齿毂。

在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，所述芯轴底部到口部尺寸逐渐减小。

在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，调整压下量的大小是通过在实验过程中调整滚轧轴与芯轴的距离来实现的。

在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，通过型轧工艺成形三种不同减薄率的内外齿薄壁零件。

在本发明的一个实施方式中，在步骤(3)中，沿所述内外齿薄壁零件轴线方向选取三个高度的横截面。

在本发明的一个实施方式中，在步骤(3)中，在特定截面处测量成形件壁厚以及外齿顶圆直径、外齿根圆直径、内齿顶圆直径和内齿根圆直径，整理得到三种不同减薄率的内外齿薄壁零件在三处截面的回弹量。

在本发明的一个实施方式中，在步骤(3)中，具体测量和整理过程为：在每个内外齿薄壁零件特定高度处的横向截面标记12个等间距的点，并测量外齿顶圆直径、外齿根圆直径、内齿顶圆直径和内齿根圆直径尺寸，取平均值后与内外齿薄壁零件产品要求尺寸进行比较，即为回弹量的大小，坯料的厚度与成形后工件的测量厚度之差除以坯料厚度为减薄率的大小。

在本发明的一个实施方式中，在步骤(3)中，单向回弹量L的大小为：

式中：D_m为测量直径；D_p为产品要求直径。

在本发明的一个实施方式中，在步骤(3)中，减薄率η的计算公式为：

式中：t_b为坯料厚度；t_p为产品测量厚度。

在本发明的一个实施方式中，在步骤(4)中，二阶拉格朗日插值函数的构造方法具体如下：

选取一种直径尺寸的回弹量数值，先构造一个以减薄率η为自变量的2阶函数f(η)，并用2阶拉格朗日插值多项式L(η)来拟合，使其满足L(η_i)＝f(η_i)，i＝0，1，2，即函数L(η)通过(η₀，L(η₀))，(η₁，L(η₁))，(η₂，L(η₂))这三点，所述2阶拉格朗日插值多项式L(η)为：

其中η₀，η₁，η₂为特定截面处三种不同的减薄率，L(η₀)，L(η₁)，L(η₂)为相对应的回弹量。

在拉格朗日插值公式的建立过程中，对于任意自变量，其拉格朗日插值存在且唯一，最终得到一个平滑的二项式曲线。

在本发明的一个实施方式中，在步骤(5)中，根据步骤(4)得到的回弹量随减薄率变化曲线，结合内外齿薄壁零件产品壁厚及公差要求，拟合出内外齿薄壁零件产品在不同高度处减薄率的合理取值，依据材料性能曲线对减薄率进行校核，确保成形过程中产品轴线方向的不同高度处横截面的拉应力在抗拉强度之内，形成合理回弹控制方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的研究内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，可以用来预测类似形状零件的回弹量变化，提高和改善离合器齿毂等内外齿薄壁零件的成形精度，为实际生产提供理论依据。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例中型轧工艺中芯轴示意图。

图3为本发明实施例中应力应变曲线。

图4为本发明实施例中成形件在9mm高度处2阶拉格朗日插值函数曲线。

图5为本发明实施例中成形件在42.9mm高度处2阶拉格朗日插值函数曲线。

图6为本发明实施例中成形件在65mm高度处2阶拉格朗日插值函数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1示意性流程图中所示，本实施例提供的研究离合器齿毂等内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法可以包括以下步骤：

步骤1：按照国标要求绘制型轧所采用的毛坯材料的标准拉伸试样，使用万能试验机做准静态拉伸试验，拉伸后所得数据为工程应力和工程应变，需要转换为真实应力和真实应变，转换公式为:

ε_T＝ln(1+ε)

σ_T＝σ(1+ε)。

用excel处理数据后，用origin绘制真实应力-应变曲线，如图3所示。

步骤2：通过型轧工艺成形三种不同减薄率的齿毂，本实施例所用坯料为内径Φ133mm，厚度4mm，高56mm的薄壁筒形件，材料为QSTE420TM，其材料力学性能参数如表1所示。

表1 QSTE420TM材料力学性能参数

本实施例中型轧工艺中芯轴示意图如图2所示，包括芯轴1以及筒体，筒体包括筒体口部2和筒体底部3，实验通过调整滚轧轴与芯轴的距离，即调整压下量的大小得到不同的减薄率。

步骤3：选取距成形件底部高度为9mm、42.9mm、65mm的轴向截面，在每个齿毂同一高度的轴向截面标记12个等间距的点，使用电子游标卡尺测量外齿顶圆直径、外齿根圆直径、内齿顶圆直径和内齿根圆直径尺寸，取平均值后与产品要求尺寸进行比较，即为回弹量的大小。单向回弹量L的大小为：

式中：D_m为测量直径；D_p为产品要求直径。

减薄率的获取：坯料的厚度与成形后工件的测量厚度之差除以坯料厚度就是减薄率的大小。减薄率η的计算公式为：

式中：t_b为坯料厚度；t_p为产品测量厚度。

经测量计算所得数据如表2、表3、表4所示。

表2成形件在9mm截面处不同减薄率下的回弹量

表3成形件在42.9mm截面处不同减薄率下的回弹量

表4成形件在65mm截面处不同减薄率下的回弹量

步骤4：根据步骤3得到的每个截面高度处三种不同减薄率下成形件的回弹量，选取一种直径尺寸的回弹量数值构造一个以减薄率η为自变量的2阶函数f(η)，并用2阶拉格朗日插值多项式L(η)来拟合，使其满足L(η_i)＝f(η_i)，i＝0，1，2，即函数L(η)通过(η₀，L(η₀))，(η₁，L(η₁))，(η₂，L(η₂))这三点，所述2阶拉格朗日插值多项式L(η)为：

其中η₀，η₁，η₂为三种不同的减薄率，L(η₀)，L(η₁)，L(η₂)为相对应的回弹量。

在拉格朗日插值公式的建立过程中，对于任意自变量，其拉格朗日插值存在且唯一，最终得到平滑的二项式曲线，所得曲线结果如图4、图5和图6所示。

步骤5：根据步骤4得到的回弹量随减薄率变化曲线，结合产品公差要求，拟合出产品在不同高度处减薄率的合理取值，依据材料性能曲线对减薄率进行校核，确保成形过程中产品轴线方向的不同高度处横截面的拉应力在抗拉强度之内，形成合理回弹控制方案。

经拟合所得不同高度处减薄率的合理取值如表5所示。

表5成形件回弹控制方案

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对型轧所采用的毛坯材料进行力学性能测试，得到应力应变曲线；

(2)选取坯料，在特定芯轴锥度条件下通过型轧工艺成形三种不同减薄率的内外齿薄壁零件，调整压下量的大小得到不同的减薄率；

(3)选取三个高度的横向截面，在选定截面处测量成形件壁厚以及内外齿形轮廓尺寸，整理得到三种不同减薄率的内外齿薄壁零件在三处截面的回弹量；

(4)构造二阶拉格朗日插值函数，利用插值函数拟合得到回弹量随减薄率变化曲线；

(5)结合内外齿薄壁零件产品壁厚及公差要求，拟合出内外齿薄壁零件产品在不同高度处减薄率的合理取值，依据材料性能曲线对减薄率的合理取值进行校核，确保成形过程中产品轴线方向的不同高度处横截面的拉应力在抗拉强度之内，形成回弹控制方案；

在步骤(5)中，回弹控制方案形成方法具体如下：根据步骤(4)得到的回弹量随减薄率变化曲线，结合内外齿薄壁零件产品壁厚及公差要求，拟合出内外齿薄壁零件产品在不同高度处减薄率的合理取值，依据材料性能曲线对减薄率进行校核，确保成形过程中产品轴线方向的不同高度处横截面的拉应力在抗拉强度之内，形成回弹控制方案。

2.根据权利要求1所述的一种内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，其特征在于，步骤(1)中所述力学性能测试为使用万能试验机做拉伸试验，获得材料的屈服强度、塑性应变比及应***化指数指标，并绘制应力应变曲线。

3.根据权利要求1所述的一种内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述内外齿薄壁零件选择离合器齿毂。

4.根据权利要求1所述的一种内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述芯轴底部到口部尺寸逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的一种内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，其特征在于，步骤(2)中，调整压下量的大小是通过在实验过程中调整滚轧轴与芯轴的距离来实现的。

6.根据权利要求1所述的一种内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，其特征在于，在步骤(3)中，沿所述内外齿薄壁零件轴线方向选取三个高度的横截面。

7.根据权利要求1所述的一种内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，其特征在于，在步骤(3)中，在特定截面处测量成形件壁厚以及外齿顶圆直径、外齿根圆直径、内齿顶圆直径和内齿根圆直径，整理得到三种不同减薄率的内外齿薄壁零件在三处截面的回弹量。

8.根据权利要求7所述的一种内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，其特征在于，在步骤(3)中，具体测量和整理过程为：在每个内外齿薄壁零件特定高度处的横向截面标记12个等间距的点，并测量外齿顶圆直径、外齿根圆直径、内齿顶圆直径和内齿根圆直径尺寸，取平均值后与内外齿薄壁零件产品要求尺寸进行比较，即为回弹量的大小，坯料的厚度与成形后工件的测量厚度之差除以坯料厚度为减薄率的大小；

在步骤(3)中，单向回弹量L的大小为：

式中：D_m为测量直径；D_p为产品要求直径；

在步骤(3)中，减薄率η的计算公式为：

式中：t_b为坯料厚度；t_p为产品测量厚度。

9.根据权利要求1所述的一种内外齿薄壁零件型轧中减薄率对回弹影响规律的分析方法，其特征在于，在步骤(4)中，二阶拉格朗日插值函数的构造方法具体如下：

选取一种直径尺寸的回弹量数值，先构造一个以减薄率η为自变量的2阶函数f(η),并用2阶拉格朗日插值多项式L(η)来拟合，使其满足L(η_i)＝f(η_i)，i＝0，1，2，即函数L(η)通过(η₀，L(η₀))，(η₁，L(η₁))，(η₂，L(η₂))这三点，所述2阶拉格朗日插值多项式L(η)为：

其中η₀，η₁，η₂为特定截面处三种不同的减薄率，L(η₀)，L(η₁)，L(η₂)为相对应的回弹量。

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