《基于强度场的结构抗疲劳设计和抗疲劳制造匹配技术》

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项目属于汽车结构设计和制造领域。国内高端关键机械零部件缺乏核心技术,以仿制和引进为主,从设计、制造到毛坯均受国外制约。主要原因是结构应力场与强度、工艺脱节,导致结构强度设计理论不完善,设计上重量和局部强度过剩;抗疲劳设计-制造缺乏定量匹配纽带,导致至今无毛坯和强化工艺要求的匹配技术,制造上局部强度过剩;关键结构制造核心工艺进给参数缺乏变化、无法自主匹配。

项目以旋锻成形的变截面变壁厚等速传动中间轴-旋锻轴为对象,旋锻轴是强度充分发挥、传递动力的高端关键结构。2016年国内等速中间轴产量超过5000万根,除项目外都是中低端实心轴和摩擦焊接空心轴,抗疲劳设计-制造缺乏定量匹配纽带,难以掌握无芯棒旋锻核心技术,无法自主设计制造高端旋锻轴,只能依靠进口毛坯和引进工艺小规模生产。项目组针对结构设计和制造中核心技术,在完善强度设计理论、抗疲劳设计-制造匹配、旋锻工艺方面取得了突破性原创成果,实现旋锻轴从研发、制造到毛坯的自主掌控,对实现中国制造2025目标具有重大意义。

主要技术发明:

1、首次提出了结构抗疲劳设计和抗疲劳制造的匹配纽带-结构强度场,把应力-强度干涉模型推广到结构全场,完善了结构强度设计理论,形成了全场下基于强度-工艺特征的结构抗疲劳设计发明技术,解决了设计上局部强度过剩问题。所设计奥迪A6旋锻轴较实心轴减重50%、摩擦焊接空心轴减重20%。

2、基于全场应力-强度干涉模型,提出了基于强度场的结构抗疲劳制造匹配发明技术,为毛坯要求和强化工艺要求的匹配提供了技术依据,解决了长期困扰行业中无法定量匹配“硬度和残余应力分布等技术要求”的难题,避免了制造上局部强度过剩。通过控制毛坯特性(硬度170-190HV),实现了旋锻轴毛坯的自主供货。

3、基于强度、毛坯和工艺特征,形成了匹配工艺进给参数变化的核心技术,提出了基于强度-工艺特征的无芯棒旋锻进给参数变化的匹配设计发明技术。通过匹配无芯棒旋锻径向进给参数变化(多道次进给0.5mm、0.3mm和0.2mm)和周向进给参数(45°),提高了无芯棒旋锻内壁质量,避免了旋锻缺陷,确保了旋锻轴静强度和疲劳强度设计要求,打破了国外对无芯棒旋锻核心技术的封锁。

项目共申请发明专利30项,授权20项;获发明银奖1次;制定汽车行业标准1项;发表论文14篇、专著1本;第三方查新认定为国际先进水平。成果直接应用于奥迪、奔驰等系列高端轿车旋锻轴产品的自主设计和制造上,2016-2017年生产各类旋锻轴336万套,新增直接产值2.12亿元。

技术发明推广应用于汽车的齿轮、车架、悬架、万向节;工程机械行业的油缸、动臂、四轮一带;风电的螺栓、变桨轴承;冶金的轧辊、矫直机、传动轴;高铁的齿轮和转向架等。技术发明推广应用,实现了制造业中高端关键结构从设计、制造到毛坯的自主掌控;完善了强度设计理论;引领了结构设计制造一体化技术向更高层次发展。

成果说明

成果推广应用到汽车行业的齿轮、车架、悬架、等速万向节;工程机械行业的油缸、动臂、驱动轮、导向轮、张紧轮、支重轮和履带;风电行业的螺栓、变桨轴承;冶金行业的轧辊、矫直机、传动轴以及高铁行业的齿轮和转向架等自主研发、设计和制造中。技术发明的推广应用都是以开发合同或技术服务合同形式。

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