（机械工程专业论文）粉末冶金产品毛刺机械去除机理分析与实验研究.pdf

摘要 本文主要内容是研究粉末冶金产品机械去毛刺机理分析及实验工作，并根 据研究成果设计了新型自动去毛刺设备，本文的工作主要分为四个部分： 第一、粉末冶金产品去毛刺有限元建模分析。本部分以典型粉末冶金产品 摩托车从动齿轮去毛刺为例，根据机械盘刷式去毛刺方式的特点，利用有限元 分析方法，对产品毛刺建立分析模型和载荷模型，确定边界条件，通过对计算 结果各种数据的分析而得到产品的最佳去毛刺角度。 第二、机构运动方案的动态仿真及设备设计。本部分是在第一部分研究的 基础上，确定了三种去毛刺机构方案并对各种方案进行了计算机动态模拟仿真， 通过比较各种机构的优缺点，综合各种因素，而确定了粉末冶金产品机械式去 毛刺的最佳机构方案。根据确定的机构方案进行了去毛刺设备的设计。 第三、机械机构模态分析及动态响应分析。通过对去毛刺设备进行模态分 析，得出系统的连续动态响应特征，以此检测设计能否避免共振、材料疲劳以 及其它由于强迫振动带来的有害影响，从而在产品的设计中避免去毛刺过程对 去毛刺精度与产品质量的影响。 第四、实验部分。本部分分析了影响盘刷式去毛刺加工质量的各种因素， 制定了实验方案，改进了实验设备，通过对实验结果的分析，获得了最佳设备 工艺参数。同时对有限元分析结果进行了试验验证，不仅对理论研究成果进行 了一次实践检验，而且确定了粉末冶金产品机械式去毛刺的最佳工艺参数。 ：、总之。本文所做的研究实验工作是目前第一次利用现代理论分析工具，对 粉末冶金产品去毛刺的机理进行了一些有探索性和尝试性的研究，填补了粉末 冶金领域产品去毛刺的空白，具有一定的理论意义。根据实验结果所设计的新 型自动去毛刺设备是首次针对粉末冶金产品去毛刺设备的专业设计，对于扩大 粉末冶金产品的应用领域具有重大意义。同时对于猃塞冶金全些提高市场竞争 能力、保证产品质量和提高生产效率具有一定的应用价值。、 叫 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sm a i n l ya b o u tr e s e a r c ho ft h ed e b u r r i n gm e e h a n i s mo f p mp r o d u c ta n di t se x p e r i m e n tw o r k ，t h er e s u l t sa r eu s e di nd e s i g nn e w a u t o m a t i cd e b u r i n ge q u i p m e n t t h em a i nt a s k so ft h i sa r t i c l ea r ed i v i d e d i n t of o u r p a r t s ： f i r s t l y , e s t a b l i s h i n g f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s m o d e lo fp m p a r t s d e b u r r i n g t h i sp a r t t a k e sd r i v e n g e a r s ，t h et y p i c a l p m p a r t a sa n e x a m p l e ，b a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e c h a n i c a l d i s k - b r u s h i n g d e b u r r i n ga n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d o l o g y , e s t a b l i s h i n ga n a l y s i s m o d e la n dl o a dm o d e l ，d e f i n i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t of i n dt h eo p t i m a l d e b u r r i n ga n g l e s e c o n d l y ，d y n a m i cs i m u l a t i n g a n d e q u i p m e n t s c h e m e d e s i g n i n g b a s e do nt h e f o r e g o i n gr e s e a r c ht h i sp a r t i s m a i n l yt oc o m p u t e r i z e d s i m u l a t et h ed e f i n e dt h r e ed e b u r r i n gp r o c e s s e ss c e n a r i o sa n do nt h eb a s i s o fa d v a n t a g e sa n dw e a k n e s s a n a l y s i s o ft h e t h r e e ，c h o s e t h e b e s t m e c h a n i c a lp m p a r t sd e b u r r i n g s c e n a r i oa n d d e s i g n t h es c h e m e e q u i p m e n t t h i r d l y , a n a l y z i n gm o d ea n dd y n a m i cr e s p o n s e t | l i sp a r ti sm a i n l y a b o u te x p l o r i n gt h ec o n t i n u o u sd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e m ，t ot e s tt h ep o s s i b i l i t yo fa v o i d i n gb a di m p a c t sf r o mr e s o n a n c e ， m a t e r i a lf a t i g u ea n do t h e re n f o r c e dl i b r a t i o ns oa st oa v o i dt h ei m p a c to f d e b u r r i n gp r o c e s s o n d e b u r i r n ga c c u r a c y a n d p r o d u c tq u a l i t y i n e q u i p m e n td e s i g n i n g f o u r t h l y , e x p e r i m e n t i n g t h e m a i nt a s ko ft h i sp a r ti sa b o u t v a l i d a t i n g t h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n de x p e r i m e n t i n gt h e p r o c e s s p a r a m e t e r s o f d e b u r r i n ge q u i p m e n t t od e f i n et h e o p t i m a lp r o c e s s p a r a m e t e r s 、 t h i sr e s e a r c hi st h ef i r s to fi t sk i n dw h i c hg o i n gd e e p l yf o rt h ef i r s t t i m ei n t ot h em e c h a n i s mo fp mp a r t sd e b u r r i n g ，f i l l i n gu pag a pi n d e b u r r i n gr e s e a r c h t h en e wa u t o m a t i cd e b u r r i n ge q u i p m e n ti s a l s ot h e f i r s t e q u i p m e n t e x c l u s i v ef o rp m d e b u r r i n g ，w h i c h m a k e s p r a c t i c a l c o n t r i b u t i o n st oi m p r o v i n g q u a l i t ya n de f f i c i e n c y 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 1 1 1 毛刺对粉末冶金产品质量的影响 粉末冶金制品具有少无切削、成本低、效率高等特点，近年来在国内外得到 了迅速的发展。其产品应用于机械制造的各个领域。高精度、高强度、形状复杂 的粉末冶金结构件在汽车、摩托车、家用电器及电动工具等领域的大量使用充分 体现了粉末冶金技术水平和市场前景。从粉末冶金产品的制造工艺来看，关键 道序主要分为三部分，一是原材料的制备：二是产品的成型；三是产品的烧结； 在原材料的制备过程中，我们根据产品所需的物理机械性能，将具有一定颗粒大 小的各种金属或非金属粉末进行混合，原材料的组成成份决定了产品的材质性 能，在产品的成型过程中，我们根据产品的形状和精度要求，设计满足粉末成形 的工装模具，使金属粉末变成具有一定强度和形状的压坯，对于一些精度要求高 的产品需要设计两付模具，一付用于金属粉末的成形，一付用于产品的精整，以 进一步提高产品的尺寸精度密度和改善表面粗糙度；在产品的烧结过程中，主要 是将压坯在高温下进行烧结，使压坯粉末颗粒之间的结合力由机械结合力变成晶 体结合力，从而使产品的物理机械性能达到所需的要求，从关键道序工艺要求 来看，粉末冶金产品有两个显著特点m _ 3 l _ “ 一是产品材质的多孔性。与一般机加工金属零件不同，粉末冶金产品在成 形时，粉末颗粒之间存在着一定的孔隙，在其后的烧结和精整时，尽管孔隙的数 量和形状发生了变化，但是仍然存在一定程度的孔隙，这就决定了粉末冶金产品 材质多孔的特点。尽管这种材质特性使得产品的物理机械性能低于同类型的机械 加工的零件，但是利用这种特性可以使粉末冶金产品有着机械加工零件无法得到 的特性，如对于起机械传动作用的粉末冶金零件，一方面因为孔隙的存在会隔离 声音的传递，从而减少机械传动的噪音，另一方面产品表面孔隙中的油在温度上 升时会在表面形成一种油膜，这种油膜会保护传动零件表面，减少产品的磨损， 提高了零件的使用寿命。 二是产品外观的毛刺现象。粉末冶金产品作为一种金属粉末模具压力成型技 术，其所使用的模具，在凹凸模之间必然存在一定的配合间隙，当金属粉末或精 整毛坯在模具中受到上吨的压力时，在凹凸模之间必然形成毛刺，这些配合间隙 是造成产品表面毛刺的根本原因。而且从目前技术水平来看，受国内模具加工水 平和模具材料性能的限制，产品外观的毛刺更为严重。随着粉末冶金产品在精密 传动领域的应用越来越广泛，产品外观的毛刺对产品质量的影响越来越大，用户 对毛刺的要求也越来越高。 从以上的论述可以看出毛刺是粉末冶金制品模具压力成型的必然结果恒 ，是 一种普遍现象，而毛刺对粉末冶金产品质量的影响可分为三个方面： 1 ，毛刺影响产品的使用性能。对于一些精密结构件如摩托车离合器从动齿 轮、轿车油泵转子、齿形皮带轮等产品毛刺的存在对其运转的平稳性、噪 上海交通大学工程硕士学位论文 音、流量、皮带的使用寿命等整体功能有很大的影响。 2 ，毛刺影响产品的装配要求。对于一些有精密装配要求的结构件如电机衬 套、压缩机活塞、缸体、缸盖等产品毛刺的存在直接影响装配要求a 3 ，毛刺影响产品的外观质量。随着市场经济的进一步发展，用户对产品质 量要求的内涵也逐步扩大，不少用户对产品的外观质量的要求也越来越 高。 1 1 2 粉末冶金产品的发展趋势 进入9 0 年代以来，由于粉末冶金机械零件的节材、节能，适合大批量生产， 质量均一等优点，使得我国粉末冶金机械零件需求旺盛，主要在以下几个方面： l ，在汽车行业的应用。随着汽车行业不断提高整车性能降低制造成本，大量 的机械零件转向使用粉末冶金零件，据文献瞳3 报道，1 9 9 4 年北美粉末冶金机 械零件在轿车中的使用量为1 2 3 k g ，而国内轿车中粉末冶金机械零件还不到 3 k g ，因而粉末冶金机械零件在汽车行业中还有很大的应用空间。 2 ，在摩托车行业的应用。从国内摩托车市场来看，近年来年产量已超过8 0 0 万辆，发展势头强劲，其离合器从动齿轮、机油泵转子等产品大量使用粉末 冶金机械零件，这一领域是近年来粉末冶金厂家竞争最激烈的市场。 3 。在家用电器行业的应用。随着国内空调机、电冰箱等家用电器的迅速发展， 粉末冶金机械零件在该领域获得了发展，其中压缩机中活塞、连杆、缸体、 缸盖等重要部件都采用粉末冶金产品。 4 ，在电动工具行业的应用。由于电动工具中存在大量的传动齿轮，而由于粉 末冶金齿轮的制造成本低，噪音低，自润滑性能好等优点，使得不少电动工 具制造厂家使用粉末冶金零件来替代机械加工金属齿轮，扩大了粉末冶金产 品的应用范围c 2 3c $ l 6 m 9 。 1 13 课题来源及意义 本课题来源于上海合众汽车零部件公司粉末冶金厂，近年来该厂经过技术引进 和技术改造，产品结构由原来的农机产品为主转向了汽车、摩托车、家用电器及 电动工具四大系列产品。随着产品精度及使用性能的提高，用户对以往不引入注 目的产品毛刺提出了越来越高的要求，几乎9 0 以上的产品对产品毛刺都有要 求。其中摩托车离合器中的关键零件从动齿轮是对毛刺要求最为严格的产品，该 产品的毛刺直接影响摩托车离合器噪音及运转的平稳性，目前企业是通过手工操 作的方式去除产品毛刺，存在几个方面的问题： 1 ，去毛刺质量难以控制。去毛刺操作完全由操纵者凭经验判断，加工时间、 加载大小、作用力方向随意性大，造成要么毛刺没有去除干净，要么毛刺 去除时间过长。 2 ，生产效率不高。手工去毛刺每次只能加工一件产品，生产效率低，去除 力完全靠人力加工，劳动强度大，难以满足大批量生产。 为提高产品质量，减少用户抱怨，提高工作效率，降低制造成本，企业与上 海交通大学共同研制新型高效自动去毛刺设备。 上海交通大学工程硕士学位论文 本课题的研究来源于企业生产当中迫切需要解决的问题，因而具有较强的实 用价值。为避免从实用性出发凭经验进行设备改造所带来人力物力的浪费，提高 研制一次成功率，本课题以对毛刺要求最苛刻、去毛刺最困难的摩托车离合器中 关键零件从动齿轮为研究对象，分析了适用的去毛刺方法，并对该方法去毛刺的 机理进行了分析和研究翮篇j， l ，填补了粉末冶金产品去毛刺机理的空白； ， 经查阅大量国内外文献，对机械加工产品去毛刺的研究己经比较深入，形成 了各种不同类型去毛刺的理论，而且研制大量去毛刺的自动设备 2 0 凇1 2 2 2 3 1 “1 2 ” 2 6 2 。关于粉末冶金产品去毛刺机理的研究目前尚未有报 道。 2 ，具有较强的实用价值； 目前粉末冶金行业去毛刺的方法，对于一些精度要求不是很高、尺寸比 较小的产品一般借用机械加工产品使用的磨料振动机去毛刺乜”，而对于一些 汽车、摩托车中精度要求高、尺寸大、表面质量要求高的产品一般采用手工 去毛刺操作。这种人工操作不仅质量难以保持批量稳定，而且生产效率低、 劳动成本高，如果能够研制成功高效率自动去毛刺设备对于粉末冶金行业具 有较大的应用价值。 3 ，提高企业产品的竞争能力； 市场的竞争归根到底是产品质量和制造成本的竞争，随着市场经济的深 入，用户对产品质量的要求也越来越高，近年来，表面质量己成为用户不可 缺少的要求，表面质量成为实力相当的竞争对手击败对方的有效武器。 4 ，有利于产品更新换代； 不解决产品的毛刺问题，粉末冶金产品就难以应用于精密的机械结构件 领域，因此要使粉末冶金技术有更大的发展，从目前来看毛刺问题是制约企 业产品更新换代的一个重要因素。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 机械产品去毛刺的方法 l ，机械加工产品去毛刺的现状 从国内外机械制造行业工件去毛刺的情况来看，针对去毛刺问题的研究和应 用主要有机械方式、电化学方式、热力去毛刺三种方式”0 口7 】 “j 。 机械方式去毛刺主要有磨料振动式、手动工具等 3 2 列愀 3 9 。磨料振动式是 将一定比例和形状的磨料和产品放在振动桶中，当振动桶旅以一定频率振动或回 转时，桶内的磨料和产品之间产生相对运动，使被加工件做一次批量的均匀的研 磨加工，从而对毛刺产生了磨削，达到去毛刺的作用，磨料振动是一种间歇脉冲 研磨与磨削，磨料周期性的离开和接触工件h ，此方法的特点是可以根据工件毛 刺的材质和尺寸形状特点而选择磨料的材料、尺寸形状以适应去毛刺的要求，可 一次性去除工件不同部位的毛刺，适合零件尺寸较小、表面亮度不高具有一定生 产批量的产品，此方法的局限性对于一些工件毛刺形状较大的零件，可能会造成 去毛刺去不干净的情况。因为磨料振动式去毛刺显著特点，近年来在机械制造行 上海交通大学工程硕士学位论文 业得到广泛的应用。从文献 3 3 介绍的国外几种去毛刺的方法来看，磨料振动式 去毛刺是目前国外机械加工中大量采用的方法之，出现了各式各样振动式去毛 刺的先进设备。手动工具式去毛刺主要是借助工具或设备对工件的毛刺进行加工 处理，达到去毛刺的目的，如使用挫刀、砂轮( 砂条) 、研磨剂对工件毛刺进行 加工处理，与磨料振动式相比，此种方法的特点是仅对工件毛刺部位进行加工不 影响其它部位的表面质量，去毛刺工件尺寸大小不受限制，对于一些毛刺严重、 形状不规则、的材质物理机械性能高的工件比较有效，此方法的局限性是显而易 见的，加工效率较低加工质量人为因素较多，劳动力制造成本高，不适应大批量 生产。 电化学方式去毛刺是利用阳极金属的溶解现象，它由除油、酸洗、等工序组 成。有静态法和流动电解液法两种，当毛刺很小时，采用静态法去毛刺，电化学 方式去毛刺的电极，电解液浓度、种类，极闯电压，通电时间及电压对去毛刺的 效果有很大影响 3 “，随着对机械零件毛刺的要求越来越高，电化学方式去毛刺在 机械制造行业的应用也越来越广泛。此方法的特点是其生产效率、加工质量及对 工件表面粗糙度比机械方式去毛刺有一定程度的提高，能够去除一些机械法难以 去除的严重毛刺，对去毛刺的过程能够控制，但其工艺过程复杂，对产品质量影 响因素多，去毛刺成本比机械法去毛刺高，适合去除一些对毛刺质量和表面粗糙 度要求较高的工件。 热力去毛刺是近年来发展较快一种去毛刺方法，在去除航空零件表面毛刺方 面应用较多口0 1 胁】，该种方法去除毛刺均匀规则，适合去除一些对毛刺质量要求较 高、工件尺寸巨大的零件，该方法对零件基体材料性能要求较高的零件，要保证 在零件受到一定温度时，对产品表层的金相组织、显微硬度、表面层化学元素不 产生影响，产品的抗热变形性能好。 1 2 2 粉末冶金产品去毛刺的方法 粉末冶金产品因其工艺和材质的特性，使得粉末冶金产品的力学、机械性能 与普通的金属材料有很大的差异，因而其去毛刺的方法、过程、设备与普通的机 械加工金属材料相差很大。 经查阅国内外关于粉末冶金产品去毛刺技术的文献，没有发现有关这方面的 报道，而在实际生产实践中大部分企业一是借用一些机械加工金属材料零件去毛 刺的方式，二是各企业从加工实用性出发，凭经验进行设备改造。 对于一些产品毛刺不很严重、表面粗糙度要求不是很高的、产品尺寸比较小 的粉末冶金材料零件去毛刺可使用普通金属材料常用的磨料振动去毛刺方式，用 此方法对于汽车、摩托车中的一些尺寸比较小、毛刺要求不是很高的产品及电动 工具中的各类齿轮比较有效。因粉末冶金结构件的优势在于大批量生产，而这种 磨料振动去毛刺方式比较适合大批量生产。而且对于一些工件本身毛刺比较小的 产品质量比较稳定。 对于一些产品对毛刺、表面粗糙度要求很高、产品尺寸比较大的粉末冶金材 料零件去毛刺使用普通金属材料常用的磨料振动去毛刺方式，不仅会造成零件表 面敲毛碰伤、表面粗糙度下降，而且对于一些对毛刺要求极为苛刻的传动件来看， 微小的残余毛刺会影响到产品的使用性能；使用普通金属材料常用的电化学去毛 刺方式因粉末冶金材料多孔的特点，孔隙中残余的电解介质造成产品腐蚀和生 4 上海交通大学工程硕士学位论文 锈；同样使用普通金属材料常用的热力去毛刺方式对此类粉末冶金材料零件也难 以适用，因为这种方法对于粉末冶金材料来讲，一般物理机械性能要求不是很高， 对产品表层的金相组织、显微硬度、表面层化学元素产生影响，而且材料孔隙对 产品的抗热变形性能也有影响，如摩托车离合器中的各类从动齿轮、汽车发动机 中的齿形皮带轮、油泵齿轮、压缩机中的缸体、缸盖等产品，不仅影响部件的综 合使用性能，而且影响产品的装配性能，是用户最易发现、抱怨最严重的问题。 对于此类产品去毛刺普通的金属材料零件是难于满足要求。 从目前粉末冶金企业解决此类问题来看，一般采用简易手工操作方式较多， 一些厂家是将产品定位在台式钻床上自制的专用台面上，盘刷装在钻床动力头 上，通过用人力扳动专用台面使旋转的盘刷与产品毛刺产生相对运动，而达到去 掉毛刺的作用，此种操作方式虽然从一定程度上解决了去毛刺的问题，但也存在 以下两个问题： ( 1 ) 去毛刺质量难以控制。盘刷加工产品的时间和载荷及加载角度是通过 操纵者经验判断，人为因素较多，造成在批量生产中，去毛刺质量不 稳定。 ( 2 ) 生产效率不高。操纵者靠人工加载两次，只加工一件产品，劳动强度 大，造成生产量难以提高。 1 3 本文的主要研究工作与成果 l ，利用有限元建模分析了机械去毛刺机理 以典型粉末冶金产品摩托车从动齿轮去毛刺为例，根据机械盘刷式去毛刺方 式的特点，利用有限元分析方法，对产品毛刺建立分析模型和载荷模型，确定边 界条件，通过对计算结果各种数据的分析而得到产品的最佳去毛刺角度。 从整个空间范围看( 即不限于f 相切于齿轮端面的情况) ，当f 的作用方向 同时满足：a ) f 与x 轴所成的角度0 大约在0 = 7 5 0 附近；以及b ) f 与z 轴( 即 齿轮的轴向方向) 所成的角度巾约有由= 6 0 0 条件下，可以取得去毛刺的最佳效果。 2 ，对机构运动方案进行了分析、运动仿真等研究，为设计提供了良好基础。 本部分是在第一部分研究的基础上，确定了三种去毛刺机构方案并对各种方 案进行了计算机动态模拟仿真，通过比较各种机构的优缺点，综合各种因素，而 确定了粉末冶金产品机械式去毛刺的最佳机构方案。根据确定的机构方案进行了 去毛刺设备的设计。 气动模式：该方案加载时间及加载大小易于控制，加载大小可以保持稳 定，适应性强、能够加工不同尺寸的产品。该方案需要有较稳定的气源， 在电器控制上要求较高。 凸轮模式：该方案采用纯机械方式，不需要任何电子元件和任何控制单 元，用凸轮来保证工件和毛届4 的接触的时间，运转稳定。但该方案加载 大小不能随着毛刺的减少而保持稳定，因而去毛刺的效果不如气动模式， 而且对凸轮的制造要求较高，加工不同尺寸的产品时，调整复杂、维护 费用较多。 上海交通大学工程硕士学位论文 摆杆模式：该方案采用继电器延时以达到工作时间要求，用行程开关来控 制距离和往返，加载时间及加载大小易于调节，在三种方案中，该方案占 用的空间最小，装卸工件也较方便，但该方案电器控制复杂，加载大小不 能随着毛刺的减少而保持稳定，因而去毛刺的效果不如气动模式。 3 ，利用模态分析及动响应分析，研究了去毛刺过程的动态设计技术。 通过对去毛刺设备进行模态分析，得出系统的连续动态响应特征，以此检测 设计能否避免共振、材料疲劳以及其它由于强迫振动带来的有害影响，从而在产 品的设计中避免去毛刺过程对去毛刺精度与产品质量的影响。 机架模型的前五阶固有频率分别是t o 3 3 8h z ，1 8 7 4 6h z ，2 0 4 3 4h z 。2 3 2 4 5 h z 和2 3 9 5 8 h z 。机架的主振动表现为y 方向上一次弯曲。而当频率达到三阶固 有频率时机架的主振型又表现为x 方向上的一次弯曲摆动。在结构设计时要 注意增大机架在x 方向上的刚度，同时避开各阶共振频率。 导杆上各点的位移幅值u x 、u y 、u z 以及转角幅值r o t x 、r o t y 、r o t z 随着频 率的增加其幅值变化增大。一般在各阶固有频率附近达到最值，在达到最值 之前振动幅度较小。最大幅值发生的区域主要集中的f = 1 7 5 h z 2 7 5 h z 范围 内。所以去毛刺生产的外界频率应在此频率范围以外。 在机架系统振动的大多数频率范围内，机架导杆在作刚性振动，即其上的各 点保持相近甚至相同的振动变化规律和幅值大小。 由于电机的频率在附近4 h z ，已经远离机架的共振发生区域，所以在正常的 去毛刺生产中不会发生过大的外界激振响应而导致的机架系统损坏，从动齿 轮去毛刺的精度也可以得到保证。 4 设计了去毛刺实验方案，对机理分析中的理论实验进行，验证试验了最佳去毛 刺工艺参数。 分析了影响盘刷式去毛刺加工质量的各种因素，制定了实验方案，改进了实 验设备，通过对实验结果的分析，获得了最佳设备工艺参数。同时对有限元分析 结果进行了试验验证，不仅对理论研究成果进行了一次实践检验，而且确定了粉 末冶金产品机械式去毛刺的最佳工艺参数 对去毛刺作用力的角度与有限元理论研究基本一致 当去毛刺加载扭矩为2 5 0 n m ，去毛刺时问1 5 秒。或加载扭矩为3 0 0 n m ，去 毛刺时间l o 秒时，均可有效去除齿轮毛刺。 去毛刺效果随着转速的增加，残余毛次的高度迅速减少，在1 4 4 0 转2 4 4 0 转时 变化幅度明显减少。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章毛剌去除过程的建模与分析 2 1 引言 粉末冶金行业是金属成形工业的一个新领域，粉末冶金上艺是一项节能节 材效果非常显著的新技术。粉末冶金机械零件的本质特点适于大批量生产，加 之1 7 材、省能及生产：成本低，十是它在生产高度集中，生产批量大的汽车工业得 到广泛应用n 1 。粉末冶金材料的从动齿轮就是其中应用最为广泛的一种。粉末 冶金技术与传统的铸、锻、焊、机械加工等金属成形技术的不同之处是粉末冶 金使用的主要原材料是金属粉末，其主要工序为混料一压制一烧结”o 。由于象 从动齿轮这样的粉末冶金零件主要采用冲压成型和模具生产，零件的边沿在不 同程度上都会留有毛边、毛刺。各种形式毛刺的存在给零件的再加工及装配带 来困难，并影响产品的性能及使用寿命，增加了不安全因素，也影响产品的外观 质量。因此，毛刺的去除问题已引起技术发达国家的普遍重视，对此进行了大 量的研究工作。国内虽然起步较晚，但也取得了一些成绩。目前去毛刺技术主 要是采用直接的机械方法或开发专用的去毛刺设备。由于从动齿轮的生产批量 较大，采用直接的机械方法去毛刺费工费时，劳动强度大，并且只能靠目测和 感觉操作，去毛刺质量难以保证，生产效率低。所以有必要开发专门的设备来 对从动齿轮去毛刺。去毛刺专门设备通常采用的方法有电化学方法【l ，水射流 方法l ”o 、振动法以及滚磨清除法等。由于粉末冶金材料的从动齿轮的材料为孔 隙组织，电化学和水射流等方法会对产品外观产生严重损害：同样，振动法也 会由于从动齿轮有一定质量使零件产生较严重的碰撞损害。 滚磨法最为适合从动齿轮的特点。从动齿轮去毛刺的滚动法是通过转动的 毛刷带动从动齿轮旋转，在滚动过程中，毛刷对齿轮上的毛刺产生载荷作用， 从而达到去除毛刺的目的。其中的一项关键的技术就是在何种载荷方向下能够 取得最佳的去毛刺效果。我| 1 f j n 用a n s y s 有限元分析软件对齿轮毛刺做出有限 元分析，考察在各种载荷作用方向下毛刺的应力分布情况，通过比较得到去毛 刺载荷的最佳作用方向，为自动去毛刺设备的研制提供重要的理论依据和设计 指导，从而进一步提高去毛刺效率。 21 1 有限元法的基本思想 有限元方法是结构分析的一种数值计算方法，它在5 0 年代初随着计算机的 发展应运而生，并得到广泛应用。其基本思想“3 1 是将一个连续的求解域离散化， 即分割成彼此用节点( 离散点) 互相联系的有限个单元，在单元体内假设近似 解的模式，用有限个节点上的未知参数表征单元的特性，然后用适当方法，将 各个单元的关系式组合成包含这些未知参数的方程组，求解这个方程组，得出 各节点的未知参数，利用插值函数求出近似解。 随着单元尺寸的缩小，也即单元数目的增加，解的近似程度不断改进，如 果单元是满足收敛要求的话，近似解最后收敛于真实解。有限元法按照所选用 的基本未知量和分析方法的不同，可以分为两种基本解法。种是以节点位移 为基本未知量，在选择适当的位移函数的基础上，进行单元的力学特性分析， 7 上海交通大学工程硕士学位论文 在节点上建立平衡方程，即单元的刚度方程和结构总体刚度方程，然后解出节 点位移，再由节点位移求得应力，这种方法称为位移法。另一种是以节点力为 基本未知量，在节点上建立位移连续方程，解出节点力后，再计算节点位移和 应力，这种方法称为力法。相对来说，位移法简单，计算规律性强。因此，在 _ l f j 有限元法进行结构分析时，大多采用位移法。 用有限元位移法分析结构大致经过以下几个步骤： ( 1 ) 将结构划分成若干个单元，单元与单元之间以节点互相连接； ( 2 ) 计算单元刚度矩阵，并形成结构总体刚度矩阵； ( 3 ) 将非节点载荷等效地移植到节点上，并求出结构总体载荷列阵： ( 4 ) 引入约束条件，解线性代数方程组求得节点位移； ( 5 ) 计算应变和应力。 ( 6 ) 21 2 静特性有限元分析 结构离散化是有限元分析的前提，也是有限元法解题的重要步骤。其主要 仟务是：把结构分割成有限个单元；把结构边界上的约束用适当的节点约束来 代替；把作用在结构上的非节点载荷等效地移置为节点载荷；在弹性平面问题 中可以把结构分割成三角形、矩6 节点三角形和任意四边形等单元。在空间问 题中，可以把结构划分成四面体和六面体单元，常用8 节点和2 0 节点六面体单 元，如下图2 - l ( a ) 、( b ) 所示。图2 一l ( c ) 为2 0 节点六面体单元的三种变异单元。 图2l ( a ) 8 节点六面体单元图2 1 ( b ) 2 0 节点六面体单元 m ，n ，0 ，p , u ，v 巩xm v s i x ( 1 t i s m0 p t i o n ) 图21 ( c ) 2 0 节点六面体单元变异 曲边单元适用于实际工程中出现的各种复杂的结构。它具有良好的边界拟 合性，可使单元及节点数大大减少。然而曲边单元比直边单元在计算上要复杂 得多。因此人们寻求另一种方法，即用曲边单元划分实际结构，而按直边单元 进行计算。其中关键是通过坐标变换，把( x ，y ，z ) 坐标系中的曲边单元转换 成( ，n ，) 坐标系中的直边单元。经过这样处理单元具有头双重性质，一方 面实际结构的划分用曲边单元( 又称子元) ，它的几何特性、载荷等都来自实际 结构，充分反映了结构的实际情况；另一方面大量的计算工作又是在直边单元 ( 又称母元) 内进行，由于直边单元的几何形状简单、规则，计算大为方便。 上海交通大学工程硕士学位论文 坐标变换过程巾，位移函数和描述几何形状的坐标变换式取相同的形状函数时， 这时的子单元就称为等参数单元。 对结构构件进行有限元划分，从理论上来讲是任意的，但在实际工作中必须 考虑到现实性及经济性，因而在划分时必须遵循下列原则“： ( 1 ) 所选用的单元不应使受力状态失真： ( 2 ) 结构的简化应确保所需的计算精度； ( 3 ) 尽可能利用对称性、重复性，从而压缩所需要的计算机内存量，减 少计算时问： ( 4 ) 要选择恰当的数学模型，保证计算精度，减少计算时间，降低计算 费用。 进行有限元划分时，首先必须作结构分析，确定单元类型。而对基础大件 进行划分时，适当的形状简化是必要的，但不能由于简化而失去计算精度。 结构离散化后，要对单元进行力学分析，即确定单元节点力与节点位移间 的关系。为分析并确定这一关系，需要把单元中任一点的位移分量表示为坐标 的某种函数。这一函数称之为单元的位移函数。它反映了单元的位移形态并决 定着单元的力学特性。由于这种函数关系在解题前是未知的，而在进行单元分 析时又必须用到，为此，可以事先假定一个函数，即人为地规定位移分量为坐 标的某种函数。所假定的位移函数必须具备两个条件，( 1 ) 它在节点上的值应 等_ 丁二节点位移；( 2 ) 它所采用的函数必须保证有限元解收敛于真实解。位移函 数一般采用多项式形式。为保证有限元的收敛性，位移函数必须满足以下四个 条件： ( 1 ) 位移函数必须包含单元的常量应变。弹性体的应变可以分为与坐标无 关的常量应变及随坐标变化的变量应变。当单元尺寸逐渐缩小时，单元的应变 将趋于常量。因此在位移函数中必须包含有常量应变。 ( 2 ) 位移函数必须包含单于的刚体位移。所谓刚体位移是指弹性体不发生 应变时的位移，这是弹性体可能发生的一种最基本的位移。因此，单元的位移 函数既要能够描述单元自身的应变，又要能够描述单元的刚体位移。 ( 3 ) 位移函数在单元内部必须是连续函数。此条件一般作连续性要求。 ( 4 ) 位移函数应使得相邻单元问的位移协调。即在交界面上满足变形协调 条件，变形后既不开裂，也不重叠，从而保证了整个结构的位移连续。此条件 。一般称为保续性要求。 对单元进行力学分析的目的是确定单元节点力与节点位移间的关系。这一 关系称为单元刚度方程，用矩阵形式表达为 盱6e = p 式中，占8 ，尸分别为单元的节点位移列阵及节点力列阵，r 是单元刚度 矩阵。 将单元刚度矩阵按一定的规律进行组合，便可以得到整个结构的刚度矩阵， 以及整个结构的节点位移与节点载荷之问的关系式，从而便可以解出整个结构 的节点位移。因此，在有限元法中，对单元的力学特性进行分析，确定单元刚 度矩阵，是一个十分重要的环节。在有限元法中大多数是应用能量原理来分 析单元特性的。当用位移型有限元法进行结构分析时，一般多采用虚位移原理 或最小势能原理。而当采用力型有限元法分析问题时，一般则采用余虚功原理 或最小余能原理。对于非结构问题，如流场、温度场、电磁场等，一般均采用 上海交通大学工程硕士学位论文 变分法来分析单元特性。 进行单元分析特性的基本步骤：在假设单元位移函数的基础上，通过弹性 理论的基本方程，来建立应变、应力与节点位移之间的关系式：然后根据能量 原理求得单元节点力与节点位移之间的关系式，即单元刚度方程，从而得出单 元刚度矩阵矿。 在有限兀分析中，认为单元与单元之间仅通过节点相互联系。因此，在结 构离散化的过程中，如果外载荷不是直接作用在节点上，那么就需要将非节点 载荷向节点移置。也就是把作用在结构上的真实外载理想化为作用在节点上的 集中载荷。这个过程称为非节点载荷向节点的移置。移置到节点后的载荷称为 等效节点载荷。整个结构的非节点载荷的移置按单元进行。将各单元所受的非 节点外载荷分别移置到各单元相应的节点上；然后，在公共节点处应用力的叠 加原理，便可得到整个结构的节点载荷列阵。 单元载荷移置所遵循的原则是能量等效原则，即单元的实际载荷与移置后 的节点载荷在相应的虚位移上所做的功相等。其方法一般有两种。一是直接法， 即利用能量等效原则进行单元载荷移置。这种方法只适用于具有线性位移函数 的单元。二是普遍公式法，即利用根据能量等效原则推导出的载荷移置的普遍 公式来进行单元的载荷移置。这种方法适用于各种类型单元。需要指出，载荷 的移置必须在结构的局部区域内进行。 在划分单元时，一般均在集中力作用处设置节点。但在某些情况下，集中 力没有落在节点上，这时便需要对此集中力进行移置。 通过单元特性分析，建立了单元刚度矩阵带；通过单元载荷移置，建立了 节点载荷列阵俨。在此基础上，可那找一定的方式，将单元的节点位移列阵6 。 组合成结构的节点位移列阵占；将单元的节点载荷列阵斤组合成结构的节点载 荷列阵尼将单元刚度矩阵斤组合成结构刚度矩阵从而得到结构刚度方程 k 艿= r 上式表示了整个结构的节点载荷与节点位移之间的关系，它是一个以节点位移 6 ) 为未知量的线性代数方程组。求解这一线性方程组，即可求得节点位移 引，进而可以求得应变及应力。 由于结构刚度矩阵的奇异性，6 = r 不可能有唯一解。为此，必须引 入位移边界条件，以消除的奇异性。从数学上讲，这是保证刚度方程有唯一 解所必需的：从物理上讲，这是给结构施加必要的约束，以限制结构刚体位移。 由结构刚度方程解出节点位移占后，就得到了各单元的节点位移占。利用 单元中任一点的应变、应力与节点位移间的关系， = b666=s 6 。 式中，b 称为单元的几何矩阵，它反映了单元中任一点的应变与单元节点位移 之间的关系；s 称为单元的应力矩阵，它反映了单元中任一点的应力与节点位 移之间的关系。这样，便可以计算得到单元中任一点处的应变与应力。 上海交通大学工程硕士学位论文 2 2 分析建模 2 2 1 几何模型 太毛刺的从动齿轮其齿部几何形状如图2 2 所示。 图2 - 3 毛刺放大图 1 1 上海交通大学工程硕士学位论文 齿轮材料性能为： 硬度( h b ) ：1 0 0 ： 延伸率( ) ：3 5 ： 抗拉强度( 0 b ) ：5 0 0 m p a 冲击韧性：1 5 ； 密度( 齿部) ：7 0 9 c m 3 毛刺的几何形状参数为：高度：0 6 0 1 0 r a m ：厚度：0 3 0 0 5 m m 。 222 网格划分 为了保证结构离散化的计算精度和内存空问的有效利用，采用图2 - 1 中的 2 0 节点三维六面体的变异单元对齿轮进行网格划分。该单元实际为1 0 节点的 四面体单元，如图2 4 所示。每个节点上有三个自由度( x ，y ，z 方向上位移) 。 图2 - 41 0 节点四面体单元 利用a n s y s 提供的功能，我们利用a n s y s 的自由划分网格，得到如图2 - 5 ( a ) 所示的 单元划分：图2 - 5 ( b ) 所示为相应的有限元网格划分毛刺部分的放大图。 图2 - 5 ( a ) 有限元模型 为了保证分析模型的合理和计算精度，网格划分时需要对毛刺区和齿轮本 体部分的网格密度和网格尺寸进行合理控制和过渡。所得到的有限元模型共有 节点个数为2 2 6 2 3 ，单元数为1 3 4 8 0 ；其中齿轮本体有9 3 4 2 个有限单元，两端 1 2 上海变通大学_ 程硕士学位论文 毛刺备有2 1 5 9 个单元。 22 3 载荷模型 图2 - 5 ( b ) 毛刺网格模型 根据所做有限元分析考察的目的，对齿轮毛刺施加作用力f ，f 在x ，y ，z 三个方向上的分力分别为f 。，f ，f z ，如图2 - 6 所示。图上标的是集中力f ，实 际 图2 - 6 载荷模型 加载的则是均布载荷f 。f 作用在毛刺的外界边沿上，方向如图所示。当f 的作 用方向与图6 相反时，毛刺有可能翻向齿轮工作面，会造成齿面损伤。由此e 和由的有效范围应为0 0 9 0 0 。我们取毛刺的一半作考察对象，实际的f 是均布 作用在图示的l 、2 、3 三段的长度方向上。但由于毛刺在三段上的网格划分疏 密不同，所以我们加载时把f 按l 、2 、3 三段的长度比例均分成f ，r ，r ， 上海交通大学工程硕士学位论文 而后再分别把f 、，f 。，f 。均布在各自的长度域上的节点上。这样的加载可大致 相当于实际去毛刺时候的载荷情况。 其中，各力的关系为： f 。= f s i n 毋c o s 口 f 。= f s i n 毋s i n 口 f ，= f c o s 庐 我们首先考察当毋= 9 0 0 时即所作用的力f 是相切r 齿轮端面时的工况。此 时间隔1 5 0 从0 0 到9 0 0 间隔1 5 0 变换目，即分别考察当口= o o ，1 5 0 ，3 0 0 ，4 5 0 ，6 0 0 ， 75 0 ，9 0 0 时在毛刺上作用力f 时模型的应力分布结果，从而得到一相对最优的 p7 。再在保持口= 目7 基础上变动曲来考察分析同样大小的f 作用下的模型应力 分布情况，得出一最优的砂7 ，从而最终得到作用力f 的由目和毋决定的最优作 用方向。 2 2 4 边界条件 所做模型的边界条件如图2 7 所示。模型底部共有节点8 5 个，节点在三个 方向上的自由度( u x ，u y ，u z ) 全部被约束住。模型在两侧面上的节点( 每侧 有节点2 3 4 个) 的在圆周方向上受到位移约束。图7 中左右两图分别是z 向和 x 想视图。 图2 7 边界条件 1 4 圭墨銮望查兰三堡堡主兰丝笙苎 一一 2 3 计算结果及其分析 一、当4 = 9 0 。时，0 = o 。，1 5 。，3 0 。，4 5 。，6 0 。，7 5 。，9 0 。所得结果： 1 5 上海变通大学工程硕士学位论文 1 6 上海交通大学工程硕士学位论文 1 7 上海交通大学工程硕士学位论文 图2 - 8 整体应力分布 从图2 - 8 中各应力分布图可以知道，毛刺模型上最大应力主要分布在齿轮 的齿根部分。毛刺发生的主要变形是向着齿轮端面弯曲和向外侧拉伸。从0 到 9 0 度各情况下的最大应力分别是4 8 5 m p a ，4 5 3e a a ，4 2 6m p a ，4 1 6m p a ，4 2 4m p a ，4 4 8 m p a ，4 8 0 m p a ，其间的变化规律是最大应力先随着角度0 的增加而渐渐减小，在0 - - 4 5 0 左右应力的最大值开始随着角度0 的增加而逐渐增大。从0 到9 0 度各情况 下的最小应力分别是7 7 3 p a ，7 2 6 p a ，5 3 8 p a ，3 3 8 p a ，2 0 6 p a ，1 7 1 p a ，2 4 4 p a ， 町见最小应力大致是随着角度0 的增加而逐渐减小，在9 0 度附近开始增大。整 个齿轮本体上的应力相对毛刺部分的应力都是很小的。从各图中我们可以看出， 对于图2 - 6 所示的l 、2 、3 三部分，应力的较大值主要集中在2 段，而1 和3 段的应力值则相对要小。由此可以推断，在应用刷子去毛刺时，首