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Jul 21, 2023

歯車転造工程における仕上げローラーによる成形歯先の金属折り曲げ欠陥低減に関する研究

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4691 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

クロスローリング加工は、大きなメリットを持つ大径歯車の新しい製造方法です。 クロスローリングによる歯車の製造工程では、成形される左右の歯形の変形機構の違いにより、ワークの歯先でチップが引っ張られ、成形品質に大きな影響を与えます。 発生した欠陥を除去するために,仕上げローラを提案,設計し,仕上げローラの運動方程式を確立して解き,形成された歯の高さが増加する原理を得た。 また、仕上げローラーと非仕上げローラーを備えた簡略化された有限要素 (FE) モデルも DEFORM-3D ソフトウェアで確立されます。 2 つの状況間のシミュレーション結果の比較を分析すると、仕上げローラーでは、各段階のワークの歯先の両側の突起が仕上げローラーによって平坦化され、歯先の蓄積が発生すると結論付けることができます。突起が発生しないため、ワークの押し出し加工や歯先の仕上げ加工が不要になります。 また、仕上げローラーによる実験も実施し、仕上げローラーの有効性を検証することができます。

歯車転造法は、大径歯車を製造する新しい方法であり、従来の製造方法に比べて、生産速度の向上、金属の大幅な節約、負荷容量の向上、工具寿命の延長などの大きな利点があります1。 しかし、歯車を転造して製造する過程では、左右の歯形の変形機構の違いにより、図1に示すようにラビットイヤーと呼ばれる歯先の先端が引っ張られ、歯車の加工に大きな影響を与えます。成形品質に問題があり、成形された歯先の金属折れ欠陥が発生します。2

成形されたワークの歯先のウサギの耳2．

この欠陥を減らすために、多くの研究が行われてきました。 Kamouneh 氏は、有限要素法と実験を組み合わせて歯の先端のウサギの耳の欠陥を分析し、欠陥を減らすための可能な解決策を提案しました。 ただし、可能な解決策は実験 3、4、5 では検証されませんでした。 ユウら。 クロスウェッジ転造法による歯車軸の成形を研究し、転造温度、摩擦力、ワーク形状などの変化がウサギ耳現象に及ぼす影響を分析し、欠陥の原因が歯車軸上の金属の上昇流にあるとの結論を得ました。ダイスの歯と加工物の成形された歯の間の摩擦によって生じる歯の輪郭。 欠陥を減らすための対策については言及されていない6。 Wang 氏は、FE 法による歯車の転がり成形を研究し、ウサギの耳欠陥の現象を定量化し、歯先の金属折り曲げに対するさまざまなプロセス パラメーターの影響を研究しました。 ウサギの耳の高さは、ワークピースを予備成形し、プロセスパラメータを最適化することによって効果的に削減されました。 しかし、すべての研究データは有限要素シミュレーションに基づいており、実験による検証はまったく行われていません7,8。 Zhu 氏は、圧延工程中の金属の流れに及ぼす歯形間の相対的な滑りの影響を研究し、ラビットイヤーの欠陥に影響を与える要因を分析し、標準の歯高で歯車を成形する場合、成形温度を高め、摩擦を低減することが有益であるとまとめました。ウサギの耳の欠陥を軽減します。 歯車の金型プレス仕上げ後、歯先の金属折り欠陥を除去し、転造実験を行うことができます。

しかし、弾性率が大きい（5 を超える）歯車や高歯車を成形する場合、プロセスパラメータの最適化では成形歯先の金属折り曲げ欠陥を除去することはできません10。 そこで本論文では仕上げローラ装置を設計した。 歯車転造工程では、図2に示すように、ワークの歯高さが徐々に高くなり、仕上げローラーが歯先を転がり、摩擦により引き上げられた金属が押し付けられ、うさみみの堆積を防ぎます。 さらに歯先の金属折れ欠陥も解消できます。

仕上げローラーによる歯車転造加工の原理。

加工されたワークの歯形が成長し続けると、図2に示すようにローラーを後退させる必要があるため、ギヤダイ送りによる仕上げローラーの運動方程式を解く必要があります。

フィニッシングローラの運動方程式は、図3に示すように、ギヤダイスとワークの共役歯形をKT、KW、その分割円の半径をそれぞれrt、rwとすると次のように成り立ちます。 回転座標系（xtOtyt）、（xwOwyw）は、それぞれギヤダイス歯形ＫＴ、ワーク歯形ＫＷで固定される。 また、座標の原点はワークおよびギヤダイスの回転中心と一致します。 初めに、yt 軸と yw 軸は節点 P を介してワークとギヤダイスの中心線に一致します。ギヤダイス歯形 KT 上の点 CT の法線が PT のピッチ円と交差し、ワーク歯形KW上の点CWの法線とPWのピッチ円が交差し、ギヤダイス歯形KTが反時計回りに回転してθ1になると、それに合わせてワーク歯形KWも時計回りに回転してθ2となり、PT、PWは点に移動します。同時にPが発生し、CT点とCW点がC点で接触し始めます。 噛み合いの法則によれば、次のように求めることができます。

ここで、 \(\alpha_{t} 、\alpha_{w}\) はそれぞれ歯形 KT と KW の噛み合い角度です。 分析しやすいように、

インボリュート歯形の噛み合い関係。

ここで、lを法線の長さと定義します。

座標系 (xtOtyt) におけるギアダイス歯形 KT のパラメータ方程式は、次のように表すことができます。

座標系(xtOtyt)におけるギヤダイスの歯先の円弧方程式は次のように表すことができます。

ここで、θ はダイ歯頂部の円弧半径と yt 軸との間の角度です。 ワーク歯形 KW のパラメータ式は次のように表すことができます。

そして

ここで、iはギヤダイスとワークの伝達比であり、転造装置は強制目盛を採用しているため、iは固定値となります。

点CTにおけるギアダイス歯形KTの法線は常にその点の接線に垂直であるため、点CTにおける法線とxt軸とのなす角はπ-(α+θ1)となり、次のように求めることができます。として、

式によると、 (6)、θ1 をそれぞれ導出します。 \(\frac{{dy_{t} }}{{d\theta_{1} }}\) と \(\frac{{dx_{t} }}{{d\ theta_{1} }}\) を求めることができ、式 (1) に代入します。 (10) を単純化した後、次のように得ることができます。

インボリュートプロファイルのかみ合い角度は一定であるため、式(1)は次のようになります。 (11) は次のように表現できます。

式を置き換えます。 (12) と式 (6) と (8) により、ギアダイスの歯形方程式は次のように得られます。

また、ワークピースの歯形方程式は次のように表すことができます。

形成される歯の高さの増加を解決しやすくするために、ダイス歯形を反時計回りに φ1 回転させます。 したがって、ワーク歯形方程式を右回転φ2、φ1＝iφ2とすると、

ここで、φ1はギヤダイス歯形の対称中心線KTとytとのなす角度である。

回転後の歯形を図4に示します。点Aは元のワークの外円とインボリュートの交点です。 ワークの初期半径をr0、ある時点でのワーク歯の歯先円とインボリュートとの交点を点Q、半径をriとします。 Bはある時点における成形品の歯元円とインボリュートの交点です。

ある時点におけるギヤダイスとワークの位置関係を示す模式図。

塑性加工における成形前後のワークの体積は一定の原理により、発生する面積はSMNQA＝SBAEFより深溝の面積に等しく、次のように求められます。

上記の理論に従って、具体例として、MATLAB ソフトウェアを使用して、成形プロセスにおけるワークピースの歯先円の直径をリアルタイムで数値計算します。ここで、ギアダイスの歯とワークピースの基本パラメータは次のとおりです。表 1. さまざまな時点で MATLAB によって計算された歯の高さの増加を表 2 に示します。

送り量とワーク歯高さの増加量のデータに対して多項式フィッティングを実行すると、次のような h から f1 までの関数が得られます。

また、多項式係数の値を表 3 に示します。

また、歯車転造時の送り量 f1 = vf1t (vf1 は送り速度) となるため、仕上げローラの速度 vya は次のように求められます。

仕上げローラ装置による歯車転造工程のFEモデルを構築し、スペース干渉を考慮したオブジェクトの配置を図5に示します。 ワークを硬質プラスチック本体としてセットし、固定します。 ギアダイス、バッフルプレート、仕上げローラーは剛体として設定されています。 ワークが固定されているため、ギヤダイスとバッフルプレートはそれぞれの軸を中心に回転し、同時にワークの中心軸を中心に回転します。 仕上げローラーもワークの中心軸を中心に回転します。 また、回転トルクを０、つまりワークと接触すると、仕上げローラはワークとの摩擦により回転します。 また、送り動作に伴って、ワークの成形歯高が高くなるにつれて、ギヤダイスや邪魔板が徐々にワークに近づき、仕上げローラが徐々にワークから遠ざかります。 ギアダイスはフィニッシングローラーから45°離れているため、フィニッシングローラーの速度と時間の関係は次のようになります。

ここで、ωw は圧延プロセス中のワークピースの速度 (rad/s) です。

仕上げローラーによる歯車転造加工のFEモデル。

ワークの対称性の特性に応じて、図 6 に示すようにワークの厚さの半分を簡略化して示しています11,12。また、ギヤダイスとワークはそれぞれサーボモータで駆動されるため、両方とも一定の速度を持っています。であり、転がり力などのパラメータが周期対称であるため、ワークモデルは円周方向 1/12 の扇形円筒に簡略化できます13。 計算効率を向上させるために、ワークの外面形成領域の局所的なメッシュリファインメントが実行され、形成される歯形のインボリュート形状の精度が保証されます。 同時に、シミュレーション プロセスの時間ステップは 1 ステップあたり 0.01 秒に設定されます。 熱伝達は周囲温度を20℃、歯車素材と歯型間の接触熱伝達係数を5×103W/m2・K、歯車素材と空気間の対流係数を次のように設定しています。 20W/m2・K、熱放射率は0.7です。 さらに、プロセスにはせん断摩擦モデルが選択されます14。 せん断摩擦モデルの接触面の摩擦力は常圧が変化しても変化せず、単位摩擦力は一定であり、摩擦一定の法則に適合し、次のように表すことができます。

ここで、m は摩擦係数、0 < m ≤ 1.0、k はワークピースのせん断降伏応力です。

仕上げローラーによる歯車転造工程の簡易モデル。

歯車転造プロセス設定の有限要素シミュレーションのパラメータを表 4 に示します。

図７に仕上げローラ付き歯車転造機を示し、歯車転造実験を行った。 歯車転造過程における温度分布と転がり力の実験結果とシミュレーション結果の比較を行った。 図8に示すように、温度の半径方向分布のシミュレーション結果は実験結果と同じ傾向を示しています。 さらに、定量的な比較を図 9 に示しますが、成形ゾーン付近では、温度分布の最大相対誤差は約 3% です。 したがって、加熱シミュレーションの結果は検証され、信頼できると見なされます。 転がり力は図10に示すように、貫通成形段階では送り量の増加とともに転がり力が上昇し、仕上げ段階では転がり力は低下し一定の値で安定します。 実験結果とシミュレーション結果の比較によると、転がり力はよく一致し、最大相対誤差は 10.6% であり、これはシミュレーション結果が実験データとよく一致していることを示し、確立されたモデルの妥当性を証明しています2。

仕上げローラー装置を備えた歯車転造装置。 1 供給装置、2 クランパー、3 トランス、4 誘導加熱電源と 5 ギアダイスとバッフル、6 仕上げローラー、7 ワーク。

ワークの径方向の温度分布。 (a) シミュレーション結果、(b) 赤外線サーモグラフィー イメージングによって取得された実験結果。

成形されたワークピースの温度分布を定量的に比較します。

さまざまな段階でのシミュレーションと実験による回転力の比較。

式によると、 式(20)より、送りとワークの歯高さ増加との関係を求め、図11に示します。初期の送り速度が小さい場合、形成される歯高さの増加は遅くなります。ダイスの上部は薄くてシャープです。 このとき、ダイスの歯先から押し出されるラジアルフローメタルも相対的に少なくなります。 送りが徐々に増加すると、ワークを貫通するギヤダイス歯形の厚みも徐々に増加し、ワークの歯高増加速度が加速します。 図11に示すように、転造開始時、送り量が0から0.55mmに増加するとワーク歯高さは0.02mm増加し、送り量が5.85mmから6.35mmに増加するとワーク歯高さは0.02mm増加した。 0.5mm。 送り後期では送り速度を小さくすることでより大きな歯高増加が得られます。

送り量と形成歯高さ増加量の関係。

歯車転造プロセスのさまざまな段階での成形歯のひずみ分布を図 12 に示します。貫通段階では、歯車ダイスの歯形に接触する変形領域の有効ひずみを、歯車の中心部に近いものと比較しています。形成歯の方が大きく、中心部に近いひずみはほぼ0であることから、転造加工では主にワーク表面から一定の範囲内で変形が生じることがわかります。 成形段階では、それ以前に比べて、主に成形歯根部において有効ひずみの大きい領域が大きくなる。 徐々に餌を増やすと、より大きなひずみがかかる領域がさらに拡大します。 有効ひずみは形成された歯幅に沿って徐々に変化し、中央では 0.75 未満に低下します。 現在、歯形の両側でひずみ分布に大きな差があり、形成された歯形の左右非対称な欠陥が発生していることがわかります。 送り量が 100% になると、形成された歯幅の中央の有効ひずみが増加し、中央の金属も押し出し変形を起こしていることがわかります。 さらに、歯形の両側の有効ひずみの非対称性はさらに深刻になっています。 歯形の左右非対称性の欠点は、当社の以前の研究2によれば、正逆回転を交互に行う仕上げ加工により軽減できることがわかっています。 フィニッシングローラ以降のひずみ分布はギヤローラ後と比較して、フィニッシングローラの絞りにより歯先、特に両側でひずみ輪郭が変化し、ラビットイヤー欠陥の低減につながります。歯先の両側のひずみが大きくなります。 給餌が終了すると、ウサギの耳の欠陥は発生せず、成形品質は優れています。

歯車の転造と特定のパスでの仕上げ後の形成された歯のひずみ輪郭。

有限要素法による結果によれば、仕上げローラと未仕上げローラの２つの条件の成形結果を比較することにより、圧延の初期段階では、未仕上げローラの状態では、相対滑りによる摩擦と、ギヤダイスの歯によるワークの歯溝の圧迫により、歯先とワーク中央部のプロファイルの両側のメタルフローが異なり、変形が発生します。ワーク歯先の中央部の凹みと両側の凸部の形状。 送りの増加に伴いギヤダイスの歯形は連続的にワークを貫通し、ワークの歯形は成長を続け、歯先両側の突起が成形終了まで蓄積し続けます。 ウサギの耳はワークの歯先の両側に形成されます。 図１３に示すように、給餌量が３３％の場合、歯先のウサギの耳の高さは０．１ｍｍであり、給餌量が６６％では累積して０．２８ｍｍとなる。 最終的に成形が完了すると、高さは0.59mmまで積み上がります。 このとき、ギヤダイスの歯形の根元がワークの歯先を圧迫し続けて仕上げると、金属折れが発生します。 仕上げローラの追加条件は、各段のワーク歯先両側の凸部が仕上げローラにより平坦化され、歯先凸部の堆積が生じない条件とする。 ギヤダイスの連続送りにより、ワークの歯形は十分に伸長され、歯先の出っ張りがないため、ワークの押し出しや歯先の仕上げ加工が不要になります。 歯先の金属折損は無く、成形品質は良好です。 また、歯車の転がり実験も行っています。 転造した歯の形状を図14に示しますが、歯先が良好に形成されていることがわかります。 仕上げローラ装置を追加することにより、歯先の金属折れ欠陥が効果的に解消されることが確認できた。

仕上げローラーを使用した場合と未仕上げローラーを使用した場合の 2 つの条件での成形結果の比較です。

仕上げローラー装置を使用して金属折り欠陥のないワークの歯を形成します。

本稿では，設計された仕上げローラを用いた新しい歯車転造プロセスを提案した。 歯車成形プロセス中の仕上げローラーの運動関係の数学的モデルを確立し、数値計算によって解決します。 運動モデルを用いて,数値シミュレーションと関連する実験研究を実施し,仕上げローラによる歯車転造工程における成形歯の歯先の金属折り曲げを解析した。 この論文の主な結論は次のとおりです。

歯車成形の初期段階では、金型の歯先が薄く鋭利であるため、成形される歯の高さの増加が遅くなります。 送りが徐々に増加すると、ワークを貫通するギヤダイス歯形の厚みも徐々に増加し、ワークの歯高増加速度が加速します。

シミュレーション結果によれば、仕上げローラでは、各段のワーク歯先両側の凸部が仕上げローラによって平坦化され、歯先凸部の堆積は生じない。 ギヤダイスの連続送りにより、ワークの歯形は十分に伸長され、歯先の出っ張りがないため、ワークの押し出しや歯先の仕上げ加工が不要になります。

仕上げローラを用いた歯車の転造実験を行い、仕上げローラ装置を追加することにより歯先の金属折れ欠陥が効果的に解消されることを確認した。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国国家自然科学財団（助成金番号 52204397）、山西省自然科学財団（助成金番号 20210302123103）、山西省科学技術主要プロジェクト（助成金番号 20181102016）、および中国博士研究員科学財団 (助成金番号 2021M702544)。

太原理工大学機械車両工学院、太原市、030024、山西省、中華人民共和国

フー・シャオビン、ペン・チェン、マー・シャオバオ

教育省先端金属複合材料成形技術および設備工学研究センター、太原、030024、山西省、中華人民共和国

フー・シャオビン、ペン・チェン、マー・シャオバオ

山東製品品質検査研究所、済南、250102、山東省、中華人民共和国

王建康＆劉光清

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PCはシミュレーションと実験を行いました。 XF と XM は実験的なサポートを提供しました。 GL と JW は革新的なアドバイスを提供しました。 著者全員が最終原稿を読んで承認しました。

Peng Chen または Xiaabao Ma への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Fu、X.、Chen、P.、Wang、J. 他。 歯車転造工程における仕上げローラによる成形歯先の金属折り曲げ欠陥の低減に関する研究。 Sci Rep 13、4691 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31767-6

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受領日: 2022 年 10 月 31 日

受理日: 2023 年 3 月 16 日

公開日: 2023 年 3 月 22 日

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

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