（材料加工工程专业论文）可轴向振动挤压模体齿轮精密成形数值模拟研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 直齿圆柱齿轮是汽车及机械行业中应用极为广泛的重要传动零件，其形状复 杂，材质、尺寸精度、表面质量及综合机械性能均要求很高。本文以直齿轮冷锻 成形作为研究对象，开展直齿轮冷锻成形工艺与成形过程的数值模拟研究，对于 丰富和发展冷锻成形工艺理论与技术，提高直齿轮零件冷精锻成形工艺设计水平 和成形件质量，具有重要意义。 齿形填充不满和成形力过高是齿轮闭式冷锻方案的主要缺陷。型腔壁对于坯 料的摩擦阻力是影响金属流动的主要因素之一，通过变摩擦阻力为动力可以改善 金属的塑性流动。本文分析了国内外圆柱直齿轮精密塑性成形的研究现状，根据 直齿圆柱齿轮成形的特点，在浮动凹模工艺的基础上提出了可轴向振动挤压模体 直齿圆柱齿轮成形工艺。 利用三维造型软件u g 对零件及模具进行造型，得到可轴向振动挤压模体直 齿圆柱齿轮成形的模具及零件模型，为成形工艺有限元模拟分析提供了依据。基 于刚塑性有限元理论，建立了直齿圆柱齿轮可轴向振动成形的有限元分析模型。 基于d e f o r m - - 3 d 有限元模拟软件，应用三维刚塑性有限元算法对直齿圆柱齿 轮成形过程进行了模拟分析，得出变形中金属的流动状态和等效塑性应力应变分 布规律，齿轮成形过程及等效应力应变用图形、曲线直观表示出来，获得了齿 轮成形金属变形规律。 模拟研究结果表明，采用可轴向振动挤压模体冷锻新工艺，可以促使金属更 容易流进型腔角部，使直齿轮角部填充完整，并且明显可以降低最后阶段的成形 载荷力。同时通过改变可轴向振动挤压模体的周期和振幅来分析工艺参数对于直 齿圆柱齿轮成形的影响，并对比在不同参数下成形载荷力随时间变化的曲线图， 找到一组合适的工艺参数。 关键词：直齿圆柱齿轮可轴向振动挤压模体数值模拟 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p u rg e a r sw i t hc o m p l i c a t e ds h a p e sa r ei m p o r t a n td r i v ep a r t sa p p l i e dw i d e l yi n t h ea u t o m o b i l ea n dm e c h a n i c a li n d u s t r y t h e r e f o r e ，h i g hm a t e r i a lq u a l i t y , d i m e n s i o n p r e c i s i o n , s u r f a c eq u a l i t ya n dc o m b i n a t i o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss h o u l db ea t t e n d e d i nt h i sp a p e r , t a k e nt h es p u r - g e a r sc o l df o r g i n ga st h er e s e a r c hs u b j e c t , t h ef o r m i n g t e c h n o l o g ya n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef o r m i n gp r o c e s sa r es t u d i e d , w h i c h i s i m p o r t a n tt oe n r i c ha n dd e v e l o pt h et h e o r ya n dt e c h n i q u eo ft h ec o l df o r g i n ga n d i m p r o v et h ef o r m i n gd e s i g nl e v e lo f s p u r - g e a rp a r t s c o l d a n d - p r e c i s ef o r g i n g u n s u c c e s s f u lc o m e rf i l l i n ga n de x c e s s i v ed e f o r m a t i o na tt h ef m a ls t a g eo ft h e p r o c e s sa r et h em a i nl i m i t a t i o no fc o l dc l o s e d - d i ef o r g i n go fs t r a i g h ts p u rg e a r t h e f r i c t i o nf o r c ei so n em a j o rf a c t o rw h i c ha f f e c t sm e t a ld e f o r m a t i o nr u l e s ，t h em a t e r i a l f l o wm a yb ec o n t r o l l e dp o s i t i v e l yb yu t i l i z i n gt h ef r i c t i o n a lf o r c eo v e rt h e b i u e t - e o n t a i n e ri n t e r f a c es ot h a tt h eb i l l e tm a t e r i a lf l o wm a yb ee a s i l yi n t ot h ec o m e l 3 o ft h ed i ec a v i t y t i l i sp a p e ra n a l y z e st h es t u d ys i t u a t i o no fs p u rg e a r 、而t l lp r e c i s i o n p l a s t i cf o r m i n gi nd o m e s t i ca n do v e r s e a sc o u n t r i e s ，t h et e c h n o l o g yo f c o l df o r g i n go n s p u rg e a rw i t ha x i a l l yd r i v e nc o n t a i n e r , w h i c h i sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo ff l o a t i n g c a v i t yd i e ，i sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f g e a rf o r m i n g t h es t r a i g h tt o o t hs p u rg e a r sm o d e lh a sb e e nc r e a t e di nt h r e c - d i m e n s i o n a l m o l d i n gs o f t w a r eu gb a s e do ni t sp r o t o t y p e t h em o d e l sw h i c hw i l lb eu s e di n d e f o r m - 3 dh a v eb e e ng o t t e n t h e y r et h ef o u n d a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si n s t r a i g h tt o o t hs p u rg e a rw i t ha x i a l l yd r i v e nc o n t a i n e r t h em o d e l so ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i su s e di ns t r a i g h tt o o t hs p u r g e a rw i t l la x i a l l yd r i v e nc o n t a i n e rh a v eb e e n c r e a t e db a s e do nt h er i g i dp l a s t i c i t yf i n i t ee l e m e n tt h e o r y t h es t a t u s e so fs t r a i na n d s t r e s s ，m e t a lf l o wr u l eh a v eb e e na t t a i n e db a s e do nt h et h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n s o t h , a r ed e f o r m - 3 db yt h eu s eo fr i g i dp l a s t i c i t yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h e d e f o r m a t i o np r o c e s s 。e q u i v a l e n ts t r e s s e s ，e q u i v a l e n ts t r a i n sa 托s h o w e db yf i g u r ea n d c u r v e a n dt h ed e f o r m a t i o nr u l e r sh a v eb e e na t t a i n e d t h ee f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o df o re n c l o s e d d i ef o r g i n go fs p u rg e a ri s e x a m i n e db yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef o r m i n gp r e s s u r ei s i l 茎堡里三盔兰堕主堂堡丝苎 r e d u c e ds i g n i f i c a n t l yi ne n c l o s e d - d i ef o r g i n gw h e nt h ec o n t a i n e r i sm o v e di n o s c i l l a t i o n , a n dt h em a t e r i a lf l o wc a l lb ec o n t r o l l e db ym o v i n gt h ec o n t a i n e r t h e e f f e c to fc y c l e sa n da m p l i t u d e s0 i im e t a ld e f o r m a t i o nr u l e sh a v eb e e na n a l y z e di n d i f f e r e n tc y c l e sa n da m p l i t u d e s ao p t i m a ls c h e m ei sa t t a i n e db ya n a l y z i n gp u n c h f o r c ec u l n ea l o n gw i t ht h et i m e k e yw o r d s ：s t r a i g h tt o o t hs p u rg e a r , a x i a lo s c i l l a t i o n , c o n t a i n e r ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉 理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 研究生签名：塑塑皂日期呈粤：i = 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：导师签名： 至茸耋日期：叩- 6 厂 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 精密成形技术 第1 章绪论 精密成形技术是先进制造技术中十分重要的组成部分，对提高一个国家的 工业竞争力有重大影响，国内外都十分重视其发展与应用。 精密成形技术是指零件成形后，仅需少量机械加工或不再加工，就可用作 机械构件的成形技术，也有称其为近净成形技术( n e a rn e ts h a p et e c h n i q u e ) 或净成 形技术( n e a rn e ts h a p et e c h n i q u e ) ”“。它是建立在新材料、新能源、信息技术、 自动化技术等多学科高技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之 从粗糙成形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的精密成形。 它可使成形的机械构件具有准确的外形、比较高的尺寸精度和形位精度、好的 表面粗糙度。该项技术包括净成形铸造、精确塑性成形、精确连接技术、精密 热处理、零件表面改性等专业领域，是新工艺、新材料、新装备以及各种新技 术成果的集成技术。 精密成形技术具有以下特点：( 1 ) 近净成形体尺寸及形位精度高，为后续采 用高效、高精加工提供了理想的毛坯；( 2 ) 高效率、低消耗、低成本，为缩短开 发周期、降低产品成本提供了有利条件；( 3 ) 可方便快捷地制造过去很难做出的 结构件，为新产品开发提供有力的技术支撑；( 4 ) 改善传统成形产业的生产条件、 减少对环境的污染，是一种清洁生产技术，为可持续发展创造有利条件1 5 j 。 1 2 冷挤压精密成形技术 1 2 1 冷挤压精密成形技术概括 冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。冷挤压是指在常 温下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金 属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。 显然，冷挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零 件的，这样就避免了在切屑加工时形成的金属废屑，大大节约了各种有色金属 及钢铁原材料【6 】。 冷挤压精密成型技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术， 武汉理工大学硕士学位论文 较多应用于中小型锻件规模化生产中。目前，冷挤压技术已在机械、仪表、电 器、轻工、宇航、船舶、军工等工业部门中得到较为广泛的应用，己成为金属 塑性体积成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。二战后，冷挤压技术在国 外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而 新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现更拓展了其发展空间。日本 8 0 年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有3 0 4 0 是采用 冷挤压工艺生产的。随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品 技术要求的不断提高，冷挤压生产工艺技术己逐渐成为中小锻件精化生产的发 展方向问。 1 2 2 冷挤压的基本类型 根据冷挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，可将常用的冷挤 压方法分为以下几种： ( 1 ) 正挤压：如图1 1 和图i - 2 所示，金属的流动方向与凸模的运动方向一致。 挤压时，凸模挤压金属毛坯，迫使其从凹模出口流出，获得所需形状的挤压件， 变形结束后，凸模恢复到原始的位置，定料杆将挤压件从凹模内顶出。可以看 出，挤压使材料的断面积发生了很大变化，材料体积进行了重新分配。正挤压 又分为实心件正挤压与空心件正挤压，正挤压可以制造各种形式的实心件和空 心件。如芯轴、管子和弹壳等。 乎串 图l - l 正挤压实心件图l _ 2 正挤压空心件图1 3 反挤压杯行件 ( 2 ) 反挤压：如图1 3 所示，挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相 反。反挤压法可以制造各种断匿形状的杯形件，如仪表罩壳、万虑节轴承套等。 ( 3 ) 复合挤压：如图l - 4 所示，挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的 运动方向相同，而另一部分金属流动方向则与凸模的运动方向相反。复合挤压 法可以制造双杯类零件，如汽车活塞销，也可以制造杯杆类零件，如缝纫机梭 2 武汉理工大学硕士学位论文 芯。 ( 4 ) 减径挤压：又称为自由缩径，是一种变形程度较小的变态正挤压法，毛 坯截面仅作轻度的缩减。主要用于制造直径差不大的阶梯轴类型零件以及作为 深孔杯形件的修整工序。 图l _ 4 复合挤压图1 5 镦挤复合 ( 5 ) 径向挤压：挤压时，金属流动方向与凸模的运动方向垂直，径向挤压又 分为离心挤压和向心挤压两种。主要用于制造带凸肩的齿轮坯以及十字轴类零 件。 ( 6 ) 镦挤：如图1 5 所示，冷镦与冷挤压相结合的一种加工方法。主要用于 带凸缘或局部加粗的零件。 1 2 3 冷挤压与其他加工工艺相比的优缺点 冷挤压与其它加工工艺相比有着明显的优点 s - l h ： ( 1 ) 节约原材料。冷挤压是利用金属的塑性变形来制成所需形状的零件，因 而能大量减少切削加工，提高材料利用率。冷挤压的材料利用率一般可达到8 0 以上。 ( 2 ) 提高劳动生产率。用冷挤压工艺代替切削加工制造零件，能使生产率提 高几倍、几十倍、甚至上百倍。 ( 3 ) 制件可以获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。零件的精度可达n 7 1 1 r 8 级，表面粗糙度可达r a 0 2 r a 0 6 。因此，用冷挤压加工的零件一般很少再切削 加工，只需在要求特别高之处进行精磨。 ( 4 ) 提高零件的力学性能。冷挤压后金属的冷加工硬化，以及在零件内部形 成合理的纤维流线分布，使零件的强度远高于原材料的强度。此外，合理的冷 挤压工艺可使零件表面形成压应力而提高疲劳强度。因此，某些原需热处理强 化的零件用冷挤压工艺后可省去热处理工艺，有些零件原本需要用强度高的钢 材制造，用冷挤压工艺后就可用强度较低的钢材替代。 ( 5 ) 可加工形状复杂的，难以切削加工的零件。如异形截面、复杂内腔、内 豳 武汉理工大学硕士学位论文 齿及表面看不见的内槽等。 ( 6 ) 降低零件成本。由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生产率、减少零 件的切削加工量、可用普通的材料代用优质材料等优点，从而使零件成本大大 降低。 冷挤压是在金属冷态下，而且是在强烈的三向压应力状态下变形的，因此 变形抗力较大。由于变形抗力高，所以就导致冷挤压加工有以下的缺点： ( 1 ) 模具易磨损，易破坏、因此要求模具材料好。目前一般模具钢，其许用 应力最大只能达2 5 0 0 m p a ，最好的模具钢也不超过3 0 0 0 m p a 。为了解决冷挤压 的主要矛盾，就得采取各种技术措旌，在尽力降低冷挤压材料变形抗力的同时， 设法提高模具的承受能力，以利于冷挤压生产的顺利进行。 ( 2 ) 对挤压设备要求较高，吨位要大。除了要求挤压设备应有较大的强度以 外，还要求有较好的刚度。此外，还要求设备具有良好的精度并具有可靠的保 险装置。 1 3 冷挤压精密成形技术发展现状及趋势 现代冷挤压技术是从1 8 世纪末开始的，法国人在法国革命时代把铅从小孔 中挤出制成枪弹，开始了冷挤压。1 8 3 0 年在法国已经有人开始利用机械压力机， 采用反挤压方法制造铅管和锡管。1 9 0 6 年美国为了制造黄铜的西服纽扣，已经 有人取得了正挤压空心杯形坯料的专利权。1 9 0 9 年美国人获得专利的h o o k e r 法 一正向冲挤法，金属流动方向与冲挤方向相同，就是在买了1 9 0 6 年的专利之后 发展起来的，该专利中的杯形坯料，是采用拉伸法制造的。第一次世界大战中， 曾用h o o k e r 法制造了黄铜弹壳，而在第二次世界大战以前的1 9 3 4 年，德国人 就利用这种方法试制了钢弹壳，但因热胶着严重，没有成功。直到第二次世界 大战中期由于采用了新的表面润滑处理方法一使工件表面形成磷酸盐薄膜，用 挤压方法制造钢质弹壳获得成功。自此，冷挤压技术走向实用，成为冷锻技术 中应用最广泛的一种方法。 6 0 年代，日本汽车工业的成长，为冷挤压技术的发展创造了有利的条件。 从冷挤压设备上看，自从1 9 3 3 年，日本会田株式会社生产了日本第一台 2 0 0 0 k n p k 型精压机( 肘杆式压力机) 以来，到目前为止，已生产了2 0 0 0 多台p k 系列压力机。随着汽车工业的发展，对高精度压力机的要求愈加迫切，会田株 式会社又研制成功了各种锻造压力机。同时，日本小松研制了以高精度和易于 操作为目标的l i c 、l z c 系列冷锻成形压力机【5 l 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 从冷挤压产品上看，日本7 0 年代成功冷挤压启动离合器齿轮、传动轴花键、 交流发电机磁极铁芯。8 0 年代，又成功冷挤大型高精度等速圆球外座圈、内座 圈、十字轴、汽车差速器伞齿轮等高精度零件。为日本汽车的高性能化和降低 生产成本做出了很大贡献。 我国的冷挤压技术与日本的起步时间相当。7 0 年代，我国曾在自行车、汽 车电器等批量生产的产品中，推广过冷挤压生产工艺技术，也开发成功了启动 齿轮的挤压成形，并投入批量生产。但由于未从根本上解决工艺、设备、材料、 模具、润滑、自动化装置以及毛坯料的原始尺寸、原始状态、后处理等一系列 技术问题，因而未得到较大发展。8 0 年代，随着家电和汽车摩托车工业的迅速 发展，对冷挤压工艺设备及生产技术的引进、消化、吸收，科研人员通过生产 实践攻克了冷挤压技术的不少难题与此同时冷锻设备也有了较大发展。目前， 我国已能用冷挤压工艺生产表壳、自行车飞轮、中轴、精锻齿轮、汽车用等速 万向节、内燃机用火花塞与活塞销、汽车挺杆、照相机零件、汽车启动器定向 套筒、启动齿轮等，且已达到国外同等水平【1 2 j 。 1 4 圆柱直齿轮精密塑性成形概况 圆柱直齿轮是应用极为广泛的重要零件，对其材质、尺寸精度、表面质量 与综合力学性能等要求很高【”】。目前，圆柱直齿轮的主要生产方法仍采用传统 的切削加工工艺，即采用棒料毛坯，经车端面、钻孔、车内外圆、齿形加工及 热处理等多道工序成形。对齿轮来讲，齿面的形状最为复杂，尺寸精度和表面 质量要求最高，加工方法也比较多，如滚齿、插齿、磨齿、剃齿、珩齿、研齿 等，其中剃齿工艺的制造精度较高，珩齿、研齿的制造精度更高，但生产效率 较低，加工成本太高。总之，传统的切削加工方法的加工难度大、生产效率低、 浪费原材料，生产成本较高与经济效益低，并且在加工时齿形部分的纤维被切 断，使齿轮的强度不高，影响其承载能力，难以满足汽车和机械工业发展的需 要。如何开发新的圆柱直齿轮成形技术，改变传统的生产方法，最大限度减低 能耗、提高材料利用率、提高产品质量，是目前我国塑性加工行业面临的重要 课题。 鉴于上述情况，研究人员从1 9 世纪起就开始探索用压力加工的方法生产齿 轮，且对少无切削加工方法日益关心。随着塑性成形技术的不断发展，齿轮加 工方法正逐步向着以塑性加工为代表的少无切削加工技术的方向发展。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 1 圆柱直齿轮精密塑性成形理论研究 1 9 8 6 年英国b i r m i n g h a m 大学的a b d u l n a 等用上限法进行圆柱直齿轮精 锻的分析计算，论述齿根圆直径、齿数以及工件与型腔之间的摩擦对金属流动 和锻造成形力的影响【l ”。 1 9 9 6 年c h i t k a r a n r 等用上限元法分析了镦锻直齿圆柱齿轮的变形规律， 在此基础上用计算机模拟了增量锻造圆柱直齿轮时的变形力和应力应变规律。 1 9 9 6 年c h o j j c 等用上限法分析实心圆柱坯料精锻圆柱直齿轮进行了较为 精确的分析。 1 9 9 7 年洛阳工学院的陈拂晓等利用上限元法( u b e t ) 模拟了圆柱直齿轮径向 挤压过程的变形力规律，并对工艺参数和模具几何参数变化对变形力的影响作 了定性的分析【1 5 】。 1 9 9 7 年江雄心利用上限法建立了带毂圆柱直齿轮精锻过程的数学模型，并 利用该模型对带毂圆柱直齿轮精锻过程中坯料外形尺寸和力行程曲线进行了计 算机模拟【1 6 1 。 1 9 9 8 年谭险峰等对空心坯料精锻带毂圆柱直齿轮工艺进行了模拟实验，并 用坐标网格法着重对精锻终了阶段进行了变形分析 r q 。 2 0 0 0 年吉林工业大学的寇淑清等，用三维大变形弹塑性有限元法对圆柱直 齿轮冷精锻成形过程进行了数值模拟，对以闭式模锻为预锻和以闭式模锻、孔 分流及约束分流为终锻的两步成形模式的变形流动情况进行了数值模拟分析 i s l 。 2 0 0 3 年山东大学张清萍等人利用有限元软件d e f o r m 3 d 模拟研究圆柱直 齿轮闭式模锻一向内分流两步成形工艺与传统的闭式模锻工艺进行比较分析， 筛选更合理的成形工型1 9 1 。 1 4 2 圆柱直齿轮精密塑性成形工艺研究 1 9 8 4 年日本学者k o n d o k 提出带凸台齿轮冷锻的向心流动和离心流动条 件，对平齐端面的圆柱直齿轮冷锻采取在毛坯或模具上设减压孔的措施，来达 到分流减压的目的1 2 0 】。 1 9 8 7 年英国伯明翰大学t u n c e r c 等提出了浮动凹模精锻空心件思想，归纳 了无飞边锻模制造和使用的各种工艺要点，设计了各种模具。 伊朗t a r b i a tm o d a r r e s 大学的m h s a d e g h i 与英国伯明翰大学的t a d e a n 用浮动凹模原理对直齿轮和斜齿轮作了系统的研究，包括模具结构形式选择， 6 武汉理工大学硕士学位论文 齿轮尺寸精度的影响因素，齿轮塑性成形力的预测及其与摩擦系数、齿轮模数、 宽度关系，脱模力与摩擦系数、成形力、成形温度、压力角、齿数的关系【2 l - 2 3 1 。 德国的t h h e r l a n 以材料为2 0 m n c r 4 的直伞齿轮为例，采用了温锻冷锻复合 成形工艺，其工艺流程为：下料一感应加热( 8 5 0 c ) 一锻造一硬化处理一精整。 首先，将初始棒料加热、镦粗、喷丸再加热至8 5 0 ，送至1 2 5 m n 机械压力机 进行锻造，之后进行喷丸和表面磷化、皂化处理，最后在1 2 5 m n 液压机上进行 冷锻，并给出了冷锻的活动模具简图1 2 4 - 2 6 。 青岛理工大学的田福祥等人对直齿圆柱齿轮热精锻进行了深入研究，给出 了快档齿轮热精锻成形的实用模具结构，论述了模具设计、装配和使用的有关 问题，该模具采用强力脱模装置，使锻件在锻击结束瞬间立即脱离凸模，解决 了锻件将凸模抱死的关键技术问题。 燕山大学赵军等人利用塑性范成成形齿轮的方法成形出直齿圆柱齿轮，并 对成形后齿轮的金相组织进行了分析，从成形组织方面验证了该工艺的可行性。 冯冲前根据对直齿圆柱齿轮镦挤成形过程的实验研究，针对直齿圆柱齿轮 精锻成形工艺的技术关键，提出了一种新的成形一浮动凹模镦挤成形工艺，并 以安阳齿轮厂农用车变速齿轮为研究对象，设计了专用镦挤模具，并进行了成 形试验，研究了其成形规律p 9 】。 姜英等人利用滚压设备对齿轮进行了滚压研究，得出只需更换滚轮，就可 以用于中、小模数的圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮等的加工，该加工工艺简单，生 产效率高，加工质量好。 1 9 9 3 年n a g a i y 提出将预制杯形件作为某些圆柱直齿轮冷锻的制坯措施， 即通过拉延、整形、变薄拉延和压缩这四个工步实现具有较大沉孔的圆柱齿轮 冷锻成形j 。 1 9 9 3 年o h g q a k 迸一步论述了分流减压原理的适用范围，从而使圆柱直齿 轮分流精锻技术更加完善。 2 0 0 3 年西安交通大学程羽等人研究毛坯形状、模具结构等因素对圆柱直齿 轮冷精锻成形的填充性影响，期望解决齿腔填充难的问题【2 s j 。 日本以大阪大学o s a k a d a 实验室为代表，利用上限元法、数值模拟和物理模 拟法对内外花键、筒形件在可轴向驱动挤压模体闭塞锻造中材料的流动机理、 成形力的变化、应力、摩擦力的分布做了一定的研究。但是其具体的可轴向驱 动闭塞锻造工艺参数对于其金属流动规律的影响仍然不是很清楚。在国内上海 交通大学，合肥工业大学等高校和科研机构在圆柱齿轮挤压方面作了一些研究， 7 武汉理工大学硕士学位论文 但对于可轴向驱动挤压模体的研究及应用尚未见报道。 从以上对圆柱直齿轮精密塑性成形理论与工艺研究的进展情况可以看出， 世界各国对圆柱直齿轮塑性成形的研究虽然很多，但多停留在理论研究与实验 研究阶段。成形方法基本上都采用镦挤( 或精锻) 的方法，在成形的最终阶段，变 形力极高，从而造成模具易损坏，模腔角隅难以充满，制件不易成形等问题， 圆柱直齿轮塑性成形理论研究主要建立在数值模拟方法上。目前圆柱直齿轮的 精密塑性成形工艺都还不够成熟，还不能用于工业生产。 1 5 模拟加工工艺分析模型 塑性加工工艺是一个复杂的系统问题，简言之，工艺分析的目的就是实现 工艺过程和工艺参数的优化。当然，这种优化取决于对塑性加工工艺本身的了 解程度以及各工艺参数对给定目标的影响情况，而工艺模拟研究分析则是实现 这一目标的关键手段。 图1 - 6 塑性加工工艺模拟的典型框图 图1 - 6 表示塑性加工工艺模拟分析的一般框图。它由三个部分组成：第一， 工艺模型的建立，它包括变形毛坯及产品、模具、材料、工艺参数等方面信息； 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二，工艺模拟分析，它是分析模型的核心部分，它完成分析工艺的各种力能 参数、变量的结果数据，为最终的结果分析提供依据；第三，模拟结果的解释 与评价，如工艺参数优化、产品几何尺寸控制、微观组织预报等等，这部分工 作可能涉及到产品的技术要求、工艺流程以及利用大量实验所确定的某一评价 模型，如产品表面裂纹的生成模型。 1 6 论文选题的意义及其研究内容 1 ，6 1 课题的提出及意义 齿轮的精密塑性成形具有节省原材料、生产效率高、机械性能好等优点， 是齿轮加工的发展方向。但目前圆柱直齿轮的精密塑性成形技术还不能进入实 际工业应用。其原因是圆柱直齿轮的精密塑性成形工艺基本上是采用镦挤的方 法，由于是封闭的成形方法，在室温条件下的流动应力极高，金属毛坯在成形 终了阶段的流动受到极大的限制，其变形抗力急剧上升，加上齿轮和凹模齿槽 部分的摩擦作用，最终造成齿形局部充料不足的缺陷；同时变形抗力的增加， 使模具的使用寿命大大降低，加工成本也相应提高。 在浮动凹模工艺基础上，一种可轴向振动挤压模体 2 9 3 0 l 精密成形工艺被提 出来。在闭式挤压中从典型的凹模型腔中分离出来的挤压模体在轴向方向上运 动，通过挤压模体的运动，它的侧壁对坯料的摩擦力会积极促进材料的塑性流 动从而使坯料更容易流进闭式型腔的齿槽。可以预料通过控制坯料材料的流动， 冷锻精密件可以在一个相对较小的载荷力下生产出来。国外，该工艺正逐步应 用在闭塞锻造阶梯轴、复合挤压筒形件、闭塞挤压圆柱齿形件等工艺中。对于 圆柱齿形类锻件，采用可轴向振动挤压模体新工艺与传统闭塞锻造相比成形力 将显著降低。该工艺的提出，使一些形状复杂、成形困难的锻件可直接冷闭塞 锻造成形。文中对圆柱直齿轮可轴向振动挤压模体精密成形进行数值模拟，通 过改变可轴向振动挤压模体的振幅和周期来找到较为合理的工艺方案，根据试 验结果对数值模拟进行验证，并期望能够进行工业化生产。 1 6 2 本文的主要研究内容： 本文根据挤压技术的基本原理，针对圆柱直齿轮在精密塑性成形方面遇到 的难题，并结合齿轮成形的特点，提出了可轴向振动挤压模体齿轮精密塑性成 形方法。基于有限元分析软件d e f o r m 一3 d 研究可轴向振动挤压模体精密塑性 9 武汉理工大学硕士学位论文 成形中挤压变形规律。根据在不同振幅和周期工艺参数下的数值模拟的结果进 行比较，找到合适的可轴向振动挤压模体直齿圆柱齿轮成形工艺的参数。本文 的具体研究内容如下： ( 1 ) 分析和研究可轴向振动挤压模体在冷锻闭式齿轮中的作用。 ( 2 ) 利用大型三维造型软件对直齿圆柱齿轮原型和模具原型进行了建模， 得到了直齿圆柱齿轮可轴向振动挤压模体成形实物模型，为后面的有限元分析 提供了依据。 ( 3 ) 采用有限元分析直齿圆柱齿轮在闭式冷锻中的成形规律，并得到成形 载荷力随时间变化曲线图。 ( 4 ) 在可轴向振动挤压模体直齿圆柱齿轮精密成形的有限元模拟实验中通 过改变可轴向振动的周期和振幅这两个工艺参数，来找出它对齿轮成形规律和 最大载荷力的影响。 1 7 本章小结 本章概述了关于冷挤压精密成形技术的发展现状，概括的介绍了圆柱直齿 轮精密塑性成形理论和工艺。说明了本文研究课题的来源、目的和意义以及本 文的主要研究内容。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章齿轮成形的有限元方法和模拟软件简介 2 1 引言 有限元法【3 1 1 ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 贝i j 是随着计算机技术的发展而出现的一 种有效地离散数值计算的方法，最初用于分析结构问题。有限元方法是求解各 种复杂数学物理阀题的重要方法，是处理各种复杂工程问题的重要分析手段， 也是进行科学研究的重要工具。该方法的应用和实施包括三个方面：计算原理、 计算机软件、计算机硬件。这三个方面是相互关联的，缺一不可。随着计算机 技术的飞速发展，有限元方法的应用逐渐广泛和普及，已成为最常用的分析工 具，目前，国际上有9 0 的机械产品和装备都要采用有限元进行分析，进而进 行设计修改和优化。实际上有限元分析已成为替代大量实物实验的“数值化虚拟 实验”，基于有限元法的大量计算分析与典型的验证性试验相结合可以做到高效 率和低成本。 1 9 6 0 年，克拉夫( c l o u g h ) 在做平面弹性问题分析时，第一次提出了“有限元 法”的名称，随后大量的工程师开始使用这一离散方法来处理结构分析、流体问 题、热传导等复杂问题，同时也有一些数学家对有限元方法的数学基础进行了 研究和发展。这些有限元法的应用和发展使人们开始逐渐认识到有限元法的功 效，六十年代，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元法的发展和应用显 著加快，几十年来，有限元法的应用已由弹性力学平面扩展到空间、板壳，由 静力平衡扩展到稳定、动力学问题和波动问题。分析的对象从弹件材料扩展到 塑性、黏弹性、黏塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学、热力学、电 磁学、生物工程等方面。 有限元法在塑性加工方面的应用始于2 0 世纪7 0 年代，随着塑性有限元法 的不断发展和应用，人们才清楚地认识到这种方法的独到之处。正如著名学者 k o b a y a s h i 指出的，有限元法以它的适应性、能获得详尽解的能力和它与精确解 的固有接近，证明它优于经典的分析方法。 有限元法与其他塑件加工模拟方法相比，功能最强、精度最高、解决问题 的范围最广。它可以用不同形状、不同大小和不同类型的单元离散任意形状的 变形体，适用于任意速度边界条件，可以方便地处理模具形状、工件与模具之 间的摩擦、材料的硬化效应、速度敏感性以及温度等多种工艺阅素对塑性加工 武汉理工大学硕士学位论文 过程的影响，能够模拟整个金属成形过程的流动规律，获得变形过程任意时刻 的力学信息和流动情息，如应力场、速度场、温度场以及预测缺陷的形成和扩 展。 2 2 有限元的分类 根据变形特征，金属塑性成形可以分为体积成形和板料成形工艺 3 2 1 。体积 成形中，如锻造、挤压、轧制等，金属材料产生较大塑性变形，弹性变形相对 极少，可忽略不计。而在板料成形中，如冷冲压、冷轧等，金属材料虽然总的 变形较大但其中的弹性变形部分所占比例并非太小，此时必须与塑性变形同 时考虑。正因为如此，形成了两种典型的材料模型，即刚塑性材料模型和弹塑 性材料模型。由于金属材料的弹性与塑性本构关系差别较大，其对应问题的描 述乃至求解都有明显不同。因此，与之相对应塑性有限元法也分为刚塑性有限 元法和弹塑性有限元法。 刚塑性有限元法不计弹性变形，采用列维一米席斯( l c v y - m i s s e ) 率方程和米 席斯( m i s e s ) 屈服准则，求解未知量为节点速度。它通过在离散空间对速度的积 分来处理几何非线性，因而解法相对简单，并且求解效率高。由于体积成形中 工艺条件的差异而使金属材料出现不同特性，典型的有刚塑性硬化材料和刚黏 塑性材料( 即速率敏感材料) 。刚塑性硬化材料对应的有限元法是习惯上称谓的 刚塑性有限元法，它适用于冷、温态体积成形问题。刚黏塑性材料模型对应为 刚黏塑性有限元法，它适于热态体积成形问题，并且可以进行变形与传热的热 力耦合分析。实质上，刚塑性只是刚黏塑性的一个特例。但由于该方法自身的 特点，仍然在金属塑性成形市得到了十分广泛的应用。 弹塑性有限元法同时考虑金属材料的弹性变形和塑性变形，弹性区采用胡 克( h o o k e ) 定律，塑性区采用普朗特一路伊斯( p r a n d l t - r c u s s ) 本构方程和米席斯 ( m i s s e s ) 屈服准则，求解未知量是节点位移增量。弹塑性有限元法又分为小变形 弹塑性和大变形弹塑性有限元法，前者采用小变形增量来描述大变形问题，处 理形式简单，但累积误差大，目前很少采用。后者以大变形( 有限变形) 理论为基 础，采用拉格朗日( 1 a g r a n g e ) 描述，同时考虑材料的物理非线性和几何非线性， 因而理论关系较为复杂，并且增量步长很小，计算效率低。弹塑性有限元法既 可以分析塑性成形的加载过程，又能分析卸载过程，包括计算工件变形后内部 的残余应力、应变、工件的回弹以及与模具的相互作用。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 齿轮成形的有限元基本理论 本文利用有限元法对直齿圆柱齿轮成形过程中的坯料变形情况、金属的流 动规律、应力应变分布规律进行研究。由于齿轮的成形属于变形量较大的体积 变形，弹性变形远小于塑性变形。刚塑性有限元法忽略变形过程中的弹性变形， 能够较大地简化计算过程，提高计算效率，求解精度可以满足工程要求 3 3 - 3 5 。 2 3 1 刚塑性变形理论的基本方程及边值条件 塑性变形问题是一个边值问题，可以描述如下：设一刚塑性体，体积为矿， 表面积为s ，在表面力只作用下整个变形体处于塑性状态，表面积s 分为s pm s , 两部分，其中s 。上给定表面力p ，鼠上给定速度印。它由以下塑性方程和边界 条件定义，即 ( 1 ) 平衡微分方程( 运动方程) o - f ，= 0 ( 2 i ) ( 2 ) 速度一应变速率关系方程( 几何方程) e 口= 鼍u + ujj(2-2) ( 3 ) 本构方程 如：兰盯：( 2 - 3 ) s 日5 西o j 式中，彳、方分别为等效应力和等效应变速率。 ( 4 ) 米席斯屈服准则 万=y(2-4) 式中，y 表示材料的屈服应力。 ( 5 ) 体积不可压缩条件 叠，= 岛磊= 0 ( 2 5 ) ( 6 ) 边晃条件，包括应力边界条件和速度边界条件，表示如下 疗，= p ，s s p ( 2 6 ) n o f = d ?s e ( 2 - 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 理想刚塑性材料的变分原理 这个变分原理也可称为马可夫变分原理( m a r k o vp r i n c i p l e ) ，其表述如下； 对于刚塑性边值问题，在满足变形几何方程式( 2 2 ) 、体积不可压缩条件式和边 界位移速度条件式( 2 7 ) 的一切运动容许速度场一中，使泛函 n = 弦。d v f ，死一程 ( 2 s ) 取驻值( 即一阶变分艿兀= o ) 的睇为本问题的精确解。 2 3 3 刚塑性材料不完全广义变分原理 对一般的刚塑性材料，运动允许速度场须满足速度边界条件、几何方程和 体积不变条件，把这些限制条件作为约束条件引入总能耗泛函，则可使上述约 束条件在对泛函求变分的过程中得到满足，从而使初始速度场的设定容易得多。 引入约束条件后，交分原理的表述要有相应的变化，统称为广义变分原理。 l 、拉格朗日乘子法 刚塑性有限元法中，拉格朗日乘子法的数学基础是数学分析中多元函数的 条件极值理论，若求目标函数 = ( q ，一i ，u 。) 在约束函数 最2 9 f ( q ，即， f = i ，2 ，埘 的条件下的极值，可构造如下修正函数 f = ( o i ，呸，) + 4 晶( q ，呸，d ) 并令其一阶偏导数为零，即 罢= 0 净l ，2 ，珂 d p 要= 0 净1 ，2 ，m u i 这里丑称为拉格朗日乘子，数值待定。上式共有( 肌+ 行) 个方程，恰好可解 出q ，u ：，和 ，如，厶共仰+ n ) 个未知数。 把上述方法用于马可夫变分原理，即把体积不可压缩条件式( 2 5 ) 用拉格 4 武汉理工大学硕士学位论文 朗日乘予引入泛函式( 2 8 ) ，构造的新泛函如下 n = 膨矿+ f 晦+ f a 奶峦= 0 ( 2 - 9 ) 同理，对于一切满足几何方程和位移速度边界条件的容许速度场，其精确 解使式( 2 9 ) 取极值，即满足 讥= 步痢矿+ l i v + f 融岛毛d 矿一f 只砸凼= 0 ( 2 - 1 0 ) 2 、罚函数法 罚函数法的基本思想是用一个足够大的正数t 2 ( 如口= 1 0 6 ) 把体积不可压 缩条件引入泛函式( 2 - 8 ) ，构造出一个新泛函，即 h 2 肛y + 詈胁d 矿一f 聃据= o ( 2 1 1 ) 则对于一切满足几何方程和位移速度边界条件的容许速度场，其真实解使 式( 2 - 1 1 ) 取极值，即满足 叽= 膨y + 口i 昂旆矗矿一1 p , 6 v , d s = 0 ( 2 1 2 ) 这里的罚函数源于最优化原理中的罚函数法，具有数值解的特征。其中a 取值应适宜，通常盯= 1 0 5 1 0 7 较好。 当速度场p 为真实解时，拉格朗日乘子法与罚函数法的泛函驻值点应相同， 即讥，= 讥：，比较( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 )