（材料加工工程专业论文）圆柱斜齿轮塑性成形工艺数值模拟与试验研究.pdf

圆柱斜齿轮塑性成形工艺数值模拟与试验研究 摘要 圆柱斜齿轮具有啮合性能好、承载能力强、低噪声等诸多优点，因此已被 广泛的应用到机械传动中。目前，对斜齿轮仍以机械加工为主，该种方法虽日 趋完善，但也存在一些不可避免的缺点，如破坏金属的流线性，齿轮的抗疲劳 寿命降低，材料利用率低等。在这种情况下，对圆柱斜齿轮采用塑性成形的方 法已经成为一种趋势。本文对特定螺旋角的圆柱斜齿轮，主要提出了两种塑性 成形工艺，即浮动凹模成形和滚轧成形。并采用数值模拟和物理试验相结合的 方法对两种成形过程进行了研究。 针对浮动凹模工艺，采用了有限元软件d e f o r m 3 d 对其成形过程进行了 数值模拟，并进行了铅的挤压试验，主要分析了在该种工艺下金属的流动特点、 成形载荷、等效应力场应变场以及斜齿轮脱模后影响锻件精度的因素等，并与 传统的闭式挤压工艺进行了比较。通过对比发现，圆柱斜齿轮采用浮动凹模挤 压可有效降低成形载荷，且在脱模过程中齿轮锻件沿着齿形螺旋方向做刚性旋 转运动，这可有效的减小脱模过程中，模腔对锻件的破坏性塑性变形，脱模后 影响锻件精度的主要因素为螺旋角和摩擦系数等。同时，在采用浮动凹模的基 础上，将直齿轮精锻过程中相关的分流减压措施应用到了斜齿轮的成形中，重 点分析了斜齿轮在不同工艺下金属流动速度场，齿形充填情况等。为圆柱斜齿 轮精锻成形的深入研究提供了参考。 对圆柱斜齿轮采用闭式挤压工艺时，成形后锻件会紧紧的卡在模具型腔内， 这给后续的脱模过程造成一定的困难。在该种情况下，根据齿轮的啮合原理， 本文后半部分研究了圆柱斜齿轮的滚轧成形。通过相应的理论公式，计算了滚 轧轮的齿形尺寸，齿坯直径与轧轮齿顶圆直径之间的关系等相关参数。在此基 础上，通过数值模拟探索了滚轧过程的三个阶段，即初步分齿、齿形成形、齿 形精整。预测了成形时可能存在的缺陷，并提出了相应的解决措施。为后续的 研究提供了依据。 关键词：圆柱斜齿轮浮动凹模脱模滚轧成形 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nt h ef l o a t i n gd i ec o l df o r m i n go fh e l i c a lg e a r s a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e ss u c ha sg o o dm e s h i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，h i g hl o a d c a p a c i t y ，l o wn o i s ea n ds oo n h e l i c a lg e a r sh a v e b e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h e m e c h a n i c a li n d u s t r y a tp r e s e n t ，t h em a i nf o r m i n gm e t h o d sa r es t i l lm a c h i n i n g a l t h o u g ht h ep r o c e s sh a s b e e ng r a d u a l l yi m p r o v e d ，b u ti t a l s oe x i s t ss o m e i n e v i t a b l es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sm e t a ls t r e a m l i n ei sd e s t r o y e d ，s t r e n g t ho ft e e t ha r e d e c r e a s e d a n da l s ot h em a t e r i a lu t i l i z a t i o n i sl o w e r i no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fg r e e nm a n u f a c t u r i n g i ti sn e c e s s a r yt ou s et h em e t h o do fp l a s t i c f o r m i n gf o rh e l i c a lg e a r s i n t h i sp a p e r ，t w op r o c e s s e sa r ep u tf o r w a r d ，o n ei s f l o a t i n gd i ef o r m i n g ，a n o t h e ri sr o l l i n gf o r m i n g a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n d p h y s i c a le x p e r i m e n t sa r eu s e dt os t u d yt h ep r o c e s s a c c o r d i n gt o t h e p r o c e s s o f f l o a t i n gd i e ，t h e f i n i t ee l e m e n t s s o f t w a r e d e f o r m 3di su s e dt os t u d yt h ef o r m i n gp r o c e s s ，a n da l s op h y s i c a le x p e r i m e n t s a r ed o n ew i t hl e a d i nt h er e s e a r c h ，t h el a w so ft h em e t a lf l o w i n g ，f o r m i n gl o a d ， e q u i v a l e n ts t r a i na n ds t r e s s ，f a c t o r s t h a ta f f e c tt h ep r e c i s i o no ff o r g i n g sa f t e r d e m o l d i n ga r ea n a l y z e d t h ef o r g i n gp r o c e s sw i t hf l o a t i n gd i ei sc o m p a r e d w i t ht h e c o n v e n t i o n a ls c h e m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o l df o r m i n gl o a do ff l o a t i n gd i e c a nb er e d u c e de f f e c t i v e l y ，a n dw h e nd e m o u l d i n g ，t h eh e l i c a lg e a r sm a k er i g i d r o t a t i o na l o n gt h eh e l i c a ld i r e c t i o n s t h i sc a ne f f e c t i v e l ya v o i d t h ed e s t r u c t i v e f o r m i n gt h a tc a u s e db yt h ec a v i t y t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h ep r e c i s i o na f t e r d e m o u l d i n ga r ef r i c t i o n a lf a c t o r a n dh e l i xa n g e l s o nt h eb a s i so ff l o a t i n gd i e ， m e a s u r e so fd i v i d e df l o w i n gp r o c e s sa n dd e c o m p r e s s i o nw h i c hh a v eb e e nu s e do n t h ef o r g i n go fs u p e rg e a r sa r eu s e dt of o r mt h eh e l i c a lg e a r s d u r i n gt h ef o r m i n g p r o c e s s , v e l o c i t y f i e l da n dm e t a lf i l l i n gd e g r e ea r ee m p h a t i c a l l y s t u d i e d t h i s d r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fh e l i c a lg e a r s w i t ht h ew a yo fc o n v e n t i o n a le x t r u s i o n ，h e l i c a lg e a r sm a yg e ts t u c ki ng e a rd i e b e c a u s eo fi t sh e l i c a la n g l e s t h i sc a nc a u s es o m ed i f f i c u l t i e sd u r i n gt h ed e m o l d i n g p r o c e s s b a s e do nt h em e s h i n gt h e o r yo fg e a r s ，t h el a t t e rp a r t o ft h i sp a p e rh a s s t u d i e dr o l l i n gf o r m i n gf o rh e l i c a lg e a r s t h r o u g h t h et h e o r e t i cc o m p u t a t i o n ， p r o f i l ed i m e n s i o no fr o l l i n gm o u l d ，g e o m e t r i cr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n b l a n kd i a m e t e r a n da d d e n d u mc i r c l eo fr o l l e r sa r ed e s i g n e da c c u r a t e l y t h er o l l i n gp r o c e s s e s i n c l u d et h r e es t a g e s ，t o o t hd i v i d i n g ，f o r m i n ga n ds i z i n g b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， f o r m i n gf a u l t so ft h et h r e es t a g e sa r ep r e d i c t e d ，a n dp u tf o r w a r ds o l u t i o n s t h i s s t u d yp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rl a t e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：h e l i c a lg e a r ：f l o a t i n gd i e ：d e m o u l d i n g ；r o l l i n gf o r m i n g 致谢 在论文完成之际，谨向所有关心、帮助、鼓励和支持过我的老师、同学、 亲戚和朋友表示衷心的感谢。首先我要衷心感谢我的导师薛克敏教授，在两年 多的研究生学习期间，给予了我悉心指导和关心。薛老师严谨的处世态度、果 断的工作风格、敏锐的洞察能力在两年多的学习生活中使我受益匪浅，从中获 取的感悟并将会一直伴随着我以后的工作和生活。关于论文方面，从开始收集 与本论文相关资料，一直到论文的完成，我每一次取得的进步都蕴藏着薛老师 的许多汗水，以及给予了我无私的指导和帮助。在此，向我的导师薛克敏教授 表示最由衷的敬意和深深地谢意。 同时向李萍教授致以最诚挚的谢意。感谢李老师无私地给予我在学习上的 指导和在生活上的许多帮助和鼓励，以及在对我论文的选题方向和论文的编写 等方面也提出了很多中肯的建议，使我理清了思路、开阔了视野，使我避免少 走了弯路。再次向老师表示深深的谢意。 衷心感谢刘全坤教授、陈文琳教授、陈忠家教授、袁宝国老师以及马勇老 师，是你们为我实验的进行和论文的写作方向提供了宝贵的意见。 感谢同窗好友：周结魁、刘为、张翔、徐迎强、张超、钱陈豪、徐珂、姜 华海、江政；师兄弟姐妹：许锋、王晓溪、李琦、董传勇、王岗超、王刚、石 文超、王炯、陈龙、黄璞、王雪、惠文、李伟、李君等；是他们给予了我巨大 的帮助。 还要特别感谢我的家人以及钱凌云同学，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛 勤付出给予了我精神和物质上的支持，使我最终得以完成学业，在此，对他们 的奉献表示真诚的谢意。 作者：李晓冬 2 01 2 年4 月 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 8 图4 - 9 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 插图清单 波形锻造与刚性平移原理图4 模具工装对比图5 齿轮滚轧原理示意图6 模具工装对比图一9 2 2 0 3 2 0 4 2 0 螺旋角圆柱斜齿轮零件图与坯料图1 0 斜齿轮模具与工件的有限元模型1 l 成形力对比曲线15 齿坯图17 斜齿轮凹模实物图1 8 两种螺旋角的下冲头实物图1 8 下冲头与凹模齿形示意图1 8 模具工装实物图1 9 螺旋角2 2 。圆柱斜齿轮实验成形过程图1 9 螺旋角3 2 。圆柱斜齿轮实验成形过程图1 9 两步成形模具工装及锻件图一2 l 模具工装原理图2 2 向心球轴承式脱模结构图2 2 带推力球轴承的模具工装图2 3 单个齿形受力图2 3 脱模力f 与摩擦系数u 关系曲线2 4 脱模力一时间变化曲线图一2 5 脱模力与螺旋角关系曲线图2 6 脱模过程速度场分析2 7 挤压过程受力示意图2 9 带内孔的圆柱斜齿轮零件图、锻件图及齿坯图一3 1 闭塞式挤压有限元模型3 1 圆柱斜齿轮闭塞式挤压成形过程图3 2 闭塞式挤压速度场3 3 传统式挤压速度场3 3 闭塞式挤压成形载荷与合模载荷图3 4 不同压下量下等效应变场3 4 圆柱斜齿轮零件图、锻件图、坯料图3 5 有限元模型图3 6 上冲头示意图3 6 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 图5 15 图5 16 图5 17 图5 18 图5 19 图5 2 0 图5 2 l 图5 2 2 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 图6 8 图6 - 9 图6 1 0 图6 1 1 圆柱斜齿轮径向加载过程图3 6 基于浮动凹模的圆柱斜齿轮径向挤压速度场3 7 基于浮动凹模的圆柱斜齿轮径向挤压成形载荷图3 8 不同压下量下等效应变场3 8 圆柱斜齿轮零件图、锻件图、坯料图3 9 有限元模型图4 0 上冲头示意图4 0 圆柱斜齿轮闭塞式对挤成形过程图4 0 圆柱斜齿轮对挤成形速度场4 1 圆柱斜齿轮径向对挤成形载荷图4 2 等效应变场云图4 2 滚轧原理示意图4 5 齿轮滚轧计算示意图4 5 齿轮锻件与轧轮齿形尺寸示意图4 7 齿轮轧制过程三个阶段示意图4 7 两种螺旋角的滚轧件与齿坯效果图4 9 轧轮与锻件齿形尺寸关系图4 9 圆柱斜齿轮滚轧过程有限元模型5 0 螺旋角2 0 0 斜齿轮滚轧成形过程示意图5 l 螺旋角2 0 0 圆柱斜齿轮滚轧过等等效应变场5 2 滚轧过程成形缺陷图5 3 滚轧轮齿槽示意图一5 3 表格清单 表1 1几种齿轮常见的成形工艺2 表2 1圆柱斜齿轮参数表8 表2 2成形过程模拟对比分析1 2 表2 3普通闭式挤压与浮动凹模挤压下等效应力场分布图1 3 表2 - 4普通闭式挤压与浮动凹模挤压下等效应变场分布图1 4 表4 1脱模力理论计算表( f k n ) 2 4 表4 2脱模过程模拟参数设置表2 6 表4 3脱模过程中等效应变场对比2 7 表5 1圆柱斜齿轮参数表3 0 表6 1滚轧斜齿轮锻件参数表4 8 第一章绪论 1 1 引言 圆柱斜齿轮具有冲击小、传动平稳、噪音小、啮合性能好、承载能力较高、 结构紧凑等诸多的优点，因此其被广泛的用于汽车、轮船、大型工程机械等高 速重载的传动中【1 1 。 斜齿轮形状较为复杂，相对于一般的直齿轮来讲，存在一定的螺旋角。现 阶段我国斜齿轮的生产还是切削加工为主，其工艺流程主要为：热锻齿坯一齿 形机械加工( 包括滚齿、剃齿、铣齿等) 一零件热处理一后续精密机加工【2 1 。 传统的机加工方法虽然日趋的完善，但也存在一些不可避免的缺点，如材料利 用率低，生产成本高，产品的流线性遭到破坏、使用性能明显下降，已经难以 满足我国汽车和机械工业发展的需要。 所谓圆柱斜齿轮锻造成形，是利用金属的可变形性，使齿坯在模具的作用 下产生塑性变形，达到充填齿腔的目的，因此它具有传统的机械加工无可比拟 的优点【3 】： ( 1 ) 产品的性能得到改善，使用寿命显著提高 通过塑性变形获得的斜齿轮锻件，其金属流线沿齿廓均匀分布，且成形过 程中金属三向受压应力，这可有效的弥补坯料内部的微裂纹，疏松等缺陷，同 时金属的可成形性也可得到显著的提高。相关资料表明，通过塑性加工获得的 齿轮锻件，齿形强度提高2 0 ，抗疲劳强度提高2 倍以上，使用寿命提高3 倍 以上。 ( 2 ) 可降低生产成本，同时有效的提高材料的使用效率 传统的加工方法以切削掉多余的金属来获得齿轮形状，材料利用率低于 5 0 ，采用锻造成形的方法金属材料得以充分利用，利用率可达8 0 左右。这 对企业生产成本的降低有着重要的意义。 ( 3 ) 生产效率高，节能环保，符合绿色制造的新宗旨 作为2 1 世纪先进的制造技术，齿轮锻造加工具有耗能低、噪音少、无飞边、 后续加工工序少等优点，在未来可持续发展的大趋势下，该种工艺必将会取代 传统加工方法。 近几十年来，国内的相关科研人员对冷精锻工艺做的不少的工作，也取得 了可喜的成果。尤其是改革开放以来，我国在工业领域的各个分支上取得了突 破性的进展，甚至有些技术已经赶超或逼近发达国家，在这样一个大好的形势 下，对机械传动领域的重要部件齿轮采用先进的成形技术，必然会对企业乃至 国家的整体水平的提高提供巨大的推动作用。 精密、绿色环保、节能减耗是国家十二五规划中制造业的发展方向，作为 广泛的应用于机械传动领域的圆柱直齿轮及斜齿轮【70 1 ，对其开发以近净形或净 成形为目标的精锻技术以及相关产业链的发展，必然具有广阔的应用前景7 1 1 。 1 2 圆柱齿轮锻造成形国内外研究现状 国内外相关单位对齿轮的近净成形研究始于上个世纪5 0 年代，到目前为 止，已经针对不同的零件制定比较完善的成形工艺，其中，就冷精锻技术而言， 日本、美国、德国等国家一直在行业内处于世界领先的地位4 1 。齿轮的近净成 形方法较多，归纳起来有以下几个方面： 表卜1 几种齿轮常见的成形工艺 齿轮种类成形工艺 伞齿轮 摆动辗压、热模锻成形，温锻成形、冷挤压成形等； 圆柱直齿轮冷精锻成形、复合挤压成形、粉末冶金锻造、浮动凹模精锻等； 圆柱斜齿轮冷精锻成形、温锻成形、热挤压成形、滚轧成形等： 棘齿轮冷、温挤压成形等； 目前，通过塑性加工方法生产的伞齿轮已广泛的应用到汽车工业中，并带 来了显著的经济效益。德国w e z e l 公司在室温下，已成功锻造出公差等级在7 - 8 级的高强度锥齿轮。位于美国的e a t o n 公司直齿伞齿轮锻件的年产量愈百万 件，锻件精度达7 级，材料利用率高达9 0 ，而齿面几何误差仅为0 0 3 0 0 5 m m 一1 。 在齿轮零件精锻技术的开发与应用方面，国内江苏太平洋精密锻造公司同上海 汽车齿轮总厂及相关高校科研机构合作，取得了可喜的成绩，并成为我国最大 的齿轮锻件生产企业之一【5 1 。 然而，圆柱齿轮由于其自身的结够特点，在锻造成形过程中存在一定的难 度，如成形力较大，对模具寿命要求高、局部难充填等。特别对于圆柱斜齿轮 来讲，其形状较为复杂、且具有一定的螺旋角，若采取常规的挤压工艺成形， 成形后的齿轮锻件如何从凹模型腔中顺利脱模，成为制约圆柱斜齿轮近净成形 研究的瓶颈。 1 2 1国外研究概况 2 0 世纪8 0 年代，日本学者近藤一羲第一次采用分流原理对圆柱齿轮进行了 精锻研究7 2 】，成形过程中，在齿轮上下端面设置分流型腔，保证了在挤压过程 中，金属材料始终有流动的空间，从而降低了成形载荷，提高了齿形的充填性 能【6 1 。【7 1 。 研究中，日本学者h a j i m ey o s h i d a ，y o z os a w a k i 等从降低成形力的角度出发， 提出了两步冷挤压直齿轮的成形方法，并在特定模具的基础上成功的将该方法 应用到了圆柱斜齿轮上，为了比较斜齿轮两步挤压的成形效果，h a j i m ey o s h i d a 等采取了三种方案：( 1 ) 坯料内径与心轴直径相等；( 2 ) 坯料内径大于心轴直 2 径；( 3 ) 实心坯料；该三种方案获得的锻件齿形均较为完整，且成形力较低引。 韩国学者j c c h o i ，y c h o i 等采用了导向型锻造和闭塞式锻造对圆柱斜齿轮 的精锻成形进行了研究，并且在研究过程中采用了上限法进行分析。同时在闭 塞式锻造的研究过程中，引用了渐开线代表齿形，提出了用以解决问题的新的 速度场理论。这种速度场理论已经被有效的应用于非对称零件的锻造成形中。 为了验证该速度场理论的准确性，研究人员以铝合金为材料进行了实验研究。 实验研究与理论分析取得了较好的吻合【9 1 。 s o o y o u n gk i m ，s a t o s h ik u b o t a 等使用有限元软件d e f o r m 3 d 对斜齿轮的 冷挤压过程进行了数值模拟，分析了等效应变、等效应力，成形载荷等工艺参 数与锻件充填效果之间的关系，对斜齿轮锻件的热处理进行了数值模拟，并通 过相应的实验分析来达到二者之间良好的吻合【1 0 】。 二十世纪后期，针对滚轧成形工艺，日本学者对其进行了一定的探索，并 创造性的开发出了精密滚轧成形设备。同时三菱重工( m i t s u b i s h ih e a v y i n d u s t r i e sl t d ) 和九州大学( k y u s h uu n i v e r s i t y ) 的r k a m a s h i t a ，r m a t s u n a g a 等人对套筒花键进行了滚压成形研究，但该项工作一直停留于实验阶段，并未 真正的投入到实际生产当中 i l l 。韩国s u n g y u e nj u n g 等人对圆柱斜齿轮采用两 步成形工艺，即在已获得直齿轮的基础上，通过斜齿轮模腔的约束作用，使齿 轮产生局部扭曲的塑性变形【1 2 】。 由于圆柱斜齿轮锻造成形过程中存在成形力过大，模具寿命低，脱模困难 等问题，美国学者a m i ra k a m o u n e h ，j u nn i 等通过大型有限元软件a b a q u s 对其平辊滚轧过程进行了2 d 与3 d 的数值模拟，但该软件所获得的结果与理论分 析所预期达到的效果还存在一定的差距，为寻找产生这种现象的原因，随后采 用对该过程进行的在此模拟，分析滚轧过程中产生兔耳缺陷的原因及解决对策， 针对相关参数进行了定向的物理实验【1 3 】。 区别于常规的滚轧，r n e u g e b a u e r ，u h e l l f r i t z s c h 等通过齿坯直径方向上 对称的施加两个齿形滚轮对轧制过程进行了数值模拟与实验研究，为获得准确 的数据，对滚轮齿顶圆直径与齿坯直径进行了精确的理论计算，结果显示，该 方法成形锻件的精度相对于平辊轧制可提高5 0 左右，齿高可达1 0 m m l l 4 】。 1 2 2国内研究概况 近几十年，我国学者对圆柱齿轮的成形工艺研究也取得了突破性的进展， 针对齿轮在挤压过程中存在齿形角隅本分难充填等问题，合肥工业大学的薛克 敏、王岗超等对圆柱直齿轮采用齿端分流的新工艺，即在冲头端面预先机加工 出规定尺寸的分流型腔，在挤压过程中，始终保证金属具有足够的流动空间， 直齿轮挤压过程中，金属不必完全充填齿腔，只需保证锻件齿顶部分的金属超 过标准的齿顶迹线便可，多余的金属需在后续的机械加工中进行切除，这在一 定程度上降低成形力并提高了模具寿命【l5 1 。 ( a ) 波形锻造 _ t氏 8 飞，。矿 ( b ) 刚性平移 图1 1波形锻造与刚性平移原理图 合肥工业大学的刘全坤、胡成亮等在传统工艺的基础上，将冲头改为带波 形端面和刚性平移的新方法，如图1 1 所示，这有效的保证了成形后期，冲头 能够对端面金属流动施加径向的积极力，促进齿形的充填【1 6 】。 合肥工业大学的孟冠军、屈新怀等人在研究圆柱直齿轮的成形过程中，建 立了流线型的预锻模腔模型，该模型的创建是以流曲线和等截面理论为基础。 同时采用了三维有限元软件d e f o r m 对整个过程进行了模拟，以及在后续的 过程中分别对节点的速度场，等效应力场以及等效应变场等进行了分析，在一 定程度上验证了该种模型的可行性【1 7 】。 山东大学模具工程技术研究中心的王广春、赵国群等在研究过程中采用了 两步成形的新工艺，即先对圆柱坯料进行预锻成形，该成形过程中齿形充填小 部分，结束后在进行终锻整形。整个研究过程中，采用两种类型的坯料，即圆 柱形实心坯料和圆柱形空心坯料。通过数值模拟与物理实验的对比，分析了成 形过程中载荷一行程曲线，齿轮锻件成形效果等【l 引。 河南科技大学的方泉水、辛选荣等结合分流减压和浮动凹模两种工艺对圆 柱直齿轮的塑性成形进行了研究。研究过程中所用坯料为空心圆柱棒料，也将 整个工艺流程分为两个部分，即先进行带分流芯模的闭式预挤压工艺，再将所 得的锻件进行终锻成形，由于在第一个过程中，齿轮齿形已经进行了一定的充 填，因此在后续的终锻过程中，已经成形部分的齿形所做的运动类似为一个刚 性平移运动，基本不再产生塑性变形【l 引。 南昌大学的万平荣等人，对常规的传动圆柱齿轮的挤压工艺进行了一定的 探索，研究过程中借助于有限元仿真和物理仿真相统一的方法【20 1 。山东大学 的赵国群等学者，同样以机械传动齿轮为研究对象，提出了对其采用两步成形 的新工艺，即先预锻分流区在分流终锻成最终的形状，研究中分别采用了两种 坯料，即空心和实心圆柱坯料。与一般的闭式挤压工艺相比，该工艺可有效的 降低成形力达3 7 以上，且齿形部分金属流动均匀，锻件上下表面质量较高【2 。 武汉理工大学的冯玮使用有限元软件d e f o r m 对齿数2 4 ，螺旋角为3 0 3 2 。 4 的圆柱斜齿轮的冷精锻过程进行了数值模拟，齿坯预先加工出直径为1 0 m m 的分 流孔，主要研究了成形过程中网格变化特点，应力应变的分布、成形力等因素， 揭示了金属的流动规律和受力特点【22 1 。 在齿轮的滚轧成形方面，西安理工大学的崔凤奎、李言等利用等升距螺旋 面理论及实验研究，较为精确的设计了滚轧轮廓形，开发了渐开线花键滚轧成 形的数控程序【23 1 。太原科技大学李永堂、张大伟等对冷滚压成形花键进行了有 限元仿真以及进一步的理论研究，并建立的变形区的滑移线场，较为合理的反 应了实际的成形过程【24 1 。 武汉理工大学的赵玉民、田也根据体积不变原理，利用微积分精确推导了 滚轧前齿坯的计算公式，其误差不超过0 0 9 t 25 1 。上海交大周国祥等采用热滚 轧的方法对圆柱斜齿轮进行了研究，并建立了力学与运动学关系，为后续的研 究提供了一定理论基础【26 1 。 华南理工大学李风雷、夏伟等采用大型有限元模拟软件m s c m a r c 对齿轮 的滚轧过程进行了仿真，齿坯所选材料是4 5 # ，研究了其成形机理，分析的成形 后锻件的残余应力分布情况，及零件性能得到改善的原因1 2 7 。 1 3圆柱斜齿轮塑性成形采用的工艺方法 1 3 1圆柱斜齿轮的浮动凹模成形 和圆柱直齿轮相似，斜齿轮在冷挤压成形时，也存在成形力过大，齿形角 隅部分难充填等困难。采用浮动凹模结构，可有效改变摩擦条件，改善坯料在 模具型腔的充填情况，降低成形载荷，减少模具的磨损等担引。 浮动凹模具体工作过程：成形时如图1 - 2 ( a ) 所示，上冲头在压力机滑块的带 动下与凹模接触而形成封闭型腔【7 3 】，之后两者以相同的速度压缩弹簧向下运 动，使位于凹模型腔的坯料产生塑性变形。整个成形凹模接触面上的摩擦力方 向与金属的流动方向始终一致，根据体积不变原则，坯料在模腔内成形齿轮锻 生【2 8 ，3 4 】 l _o 上冲头 凹 图1 - 2 模具工装对比图 脱模时如图1 - 2 ( b ) 所示，此时下冲头静止，将上冲头换成垫环后，垫环在 压力机滑块的带动下与凹模一并下行，逐渐将锻件顶出 2 8 , 3 4 , 7 3 】。 1 3 2圆柱斜齿轮的滚轧成形 圆柱斜齿轮范成法滚轧成形原理如图1 3 所示，将计算好的齿坯放入两滚轧 轮之间，齿坯在圆周方向可自由的转动。滚轧时，两轧轮以相同的角速度w 做 同方向的回转运动，并以相同的速度v 做方向相反的进给运动，随着滚轧轮的边 旋转边进给，逐渐在齿坯周围成形出齿形，该方法不仅具备了常规挤压成形的 优点，而且成形后的斜齿轮锻件不需要考虑螺旋角对脱模效果的影响，锻件后 续仅需要少许的机械加工便可保证精度，生产效率相对较高【2 9 1 。 n彤、 吣夯处乡乡 图1 - 3 齿轮滚轧原理示意图 1 4 课题的来源、目的及主要研究内容 1 4 1课题来源 ( 1 ) 国家大学生创新性实验计划项目( 0 9 1 0 3 5 9 0 9 ) ( 2 ) 安徽省十一五科技攻关项目( 0 8 0 1 0 2 0 2 1 3 2 ) 1 4 2课题目的 本课题以对圆柱斜齿轮采取浮动凹模成形工艺和滚轧成形两种方法展开了 一定的研究【_ 7 3j 。采取浮动凹模成形工艺，旨在探索斜齿轮闭式挤压成形时，其 螺旋角、摩擦系数等各工艺参数对其成形效果及脱模后齿轮精度的影响。对圆 柱斜齿轮采用滚轧成形，可以克服切削加工的种种弊端，而且继承了闭式挤压 的种种优点，且滚轧出的齿轮金属流线沿齿廓分布且组织致密，齿轮的强度、 齿面的耐磨能力、热处理性能和啮合噪声都显著的提高。更重要的是对斜齿轮 采用滚轧成形，可以克服由于存在螺旋角而造成的脱模困难。本课题以计算机 模拟和物理实验为基础，探索浮动凹模成形时斜齿轮螺旋角、摩擦系数等工艺 参数对成形过程的影响和采用滚轧成形时齿坯的直径、滚轧轮齿顶圆、齿根圆 直径、及其进给速度和旋转速度等对滚轧过程的影响。从而在此两种方案的前 提下，设计相应的模具工装，满足大批量生产要求。 1 4 3课题主要研究内容 1 4 3 1圆柱斜齿轮浮动凹模工艺成形 ( 1 ) 基于浮动凹模原理，对不同螺旋角的圆柱斜齿轮成形过程进行数值模 拟，并与传统的闭式挤压工艺相对比，分析成形过程中，金属流动规律，摩擦 力对金属充填效果的影响，成形载荷，等效应力应变等，验证圆柱斜齿轮采用 浮动凹模工艺的可行性与优越性； ( 2 ) 通过数值模拟，分析影响斜齿轮锻件脱模后精度的因素( 如斜齿轮螺 6 旋角、摩擦系数、脱模速度等) ，揭示各个因素的影响机理，最终以相关公式的 形式展现； ( 3 ) 在数值模拟的基础上，针对不同螺旋角斜齿轮设计相应浮动凹模成形 模具工装，进行相关实验，对比成形规律，修正工艺方案及参数，为开发使用 斜齿轮精锻塑性成形技术提供了参考。 1 4 3 2 圆柱斜齿轮滚轧成形 ( 1 ) 运用相关的理论及经验公式计算齿坯的直径，滚轧轮的齿顶圆、齿根 圆尺寸、进给和旋转速度等，确保滚轧过程中，分齿正确，后续无多齿、乱吃 等缺陷出现。 ( 2 ) 采用数值模拟，分析影响圆柱斜齿轮滚轧成形过程中的工艺参数( 如 摩擦系数、进挤速度、旋转速度等) ，对锻件效果的影响； ( 3 ) 通过有限元仿真，修改滚轧轮齿形，滚轧出精度较高的齿轮零件，预 测滚压过程中，可能出现的各种缺陷，并提出预防措施。 第二章圆柱斜齿轮浮动凹模成形数值模拟及参数分析 2 1引言 作为机械传动方便，应用比较广泛的圆柱斜齿轮，形状较为复杂，且存在 一定的螺旋角，在冷挤压时，发生塑性变形的部分主要集中在圆周部分的齿形 处，变形过程中，模具形状，坯料尺寸，工艺方法，润滑、温度条件等都对锻 件成形情况及脱模后锻件精度有较大影响【30 1 。若以实验的方法对成形中的各个 影响因素进行逐个试错，必然导致实验成本上升和时间的浪费。 有限元法是近年来随着计算机技术的发展而新兴的一种先进的数值模拟技 术。目前该方法已从最初的被用于结构分析逐渐的扩展到力学分析、电磁学分 析、热传导等领域，针对金属材料的体积成形应用，该方法具有如下显著优点 【3 l 】： ( 1 ) 能提供四面体、六面体等丰富的单元类型，模拟精度高，适用于不同 复杂条件下的成形分析； ( 2 ) 可综合考虑外界条件( 如成形温度，摩擦系数，模具结构等) 以及内 部条件( 如材料本构关系，组织演变等) 对整个成形过程的影响； ( 3 ) 后处理模块可形象直观的提供应力应变场，金属流动规律，成形载荷 等参数，为工艺的确定和模具的设计提供参考。 本章依托于三维造型软件u g 和有限元模拟软件d e f o r m 3 d ，首先对一型 号不同参数下( 如表2 1 所示) 的圆柱斜齿轮进行精确建模，并对其精锻过程进 行数值模拟分析。模拟中对比了传统的闭式挤压工艺与浮动凹模成形工艺【4 3 1 ， 通过改变摩擦系数、成形温度、螺旋角等参数进行多次模拟，获得各工艺参数 对成形过程的影响规律，为后续的深入研究提供一定的参考【3 2 】。 表2 - 1 圆柱斜齿轮参数表 2 2普通闭式挤压工艺与浮动凹模工艺有限元建模 传统的闭式挤压工艺即在一个封闭的型腔内，通过冲头加载，使金属产生 变形，充填型腔，该方法成形原理简单【3 引。当采用传统的闭式挤压成形时，下 冲头及凹模固定，上冲头以速度v 向下运动，如图2 1 ( a ) 所示，毛坯的主要流 动方向是朝下的，凹模相对于毛坯向上运动【1 9 】，毛坯在挤压过程中，受到凹模 施加的的摩擦力作用，该摩擦力方向与金属运动方向相反，随着挤压过程的进 行，摩擦力会越来越大，最后导致斜齿轮的上下角隅处难充填，同时由于成形 到最后，金属可流动的区域越来越小，这直接导致压力机需提供更多的能力来 促进金属流动起来充填齿腔，同时这也一定程度上降低了模具的使用寿命。若 将凹模改为可浮动的，如图2 1 ( b ) 所示，在挤压变形开始时，凹模在上冲头 的压力下，随其以同一速度v 下行，整个变形过程中，凹模对坯料产生摩擦力， 但该力方向沿轴向向下，与金属运动方向相同，最终可促进齿形角隅部分的充 填【2 8 , 3 4 , 7 3 , 7 4 】。由于摩擦力的积极作用，可在一定程度上避免载荷的急剧上升， 对压力机和模具的使用寿命有较大的益处。 和一般的圆柱直齿轮不同，圆柱斜齿轮存在一定的螺旋角，在挤压成形和 脱模时，挤压冲头的运动方式也和直齿轮有着本质的差别，成形时，起支撑作 用的下冲头会在凹模齿腔的导向作用下，自动的沿着螺旋角方向边旋转边轴向 向上运动，且为保证成形精度，整个成形过程中凹模应该尽量保持圆周方向静 止。同时，为方便下冲头的运动，本文在其底部安装推力球轴承 3 4 , 3 5 , 3 6 】。 上冲头 j 定凹模黝 黝 p 阏 婶蚤 【- l v 上冲头 ( a ) 普通闭式模具( b ) 浮动凹模 图2 - 1 模具工装对比图 为确保斜齿轮在挤压过程中充填良好，取圆柱坯料的直径近似于齿根圆直 径，以减少成形过程中自由镦粗阶段所占用的时间比例，根据体积不变原理及 不同螺旋角圆柱斜齿轮零件图，确定其对应的坯料尺寸如图2 2 所示： 9 ( a ) 螺旋角2 2 0 斜齿轮零件图与坯料图 ( b ) 螺旋角3 2 。斜齿轮零件图与坯料图 ( c ) 螺旋角4 2 0 斜齿轮零件图与坯料图 图2 - 22 2 。3 2 。4 2 。螺旋角圆柱斜齿轮零件图与坯料图 模拟过程中，采用刚塑性有限元法，对圆柱斜齿轮挤压成形过程进行计算 机仿真模拟。仿真时坯料选用2 0 c r m n t i ，将模具视为刚体，不发生弹塑性变形， 上冲头下行速度5 m m s ，考虑到毛坯与模具及周边环境的热传递，利用 d e f o r m 3 d 中的热传导一变形耦合模块进行传热条件的设定，将传热系数取为 1 1 。摩擦系数取0 1 2 。划分网格时，由于圆柱斜齿轮在成形时，变形部分主要 集中在圆柱周边，故对坯料进行周边局部细划，网格总数为1 2 0 0 0 0 ，齿形与其 余部分网格尺寸比为1 ：10 ，建立有限元模型如图2 3 所示【2 8 , 3 3 , 3 4 , 7 3 , 7 4 】。 1 0 下 冲头 模 图2 3 斜齿轮模具与t 件的有限兀模型 2 3 摩擦模型的建立 在进行有限元模拟及物理试验时，需正确处理毛坯金属与模具之间的摩擦 关系。在不考虑受压面上的金属粘合的前提下，本文采用广泛使用的库伦摩擦 模型，写成数学表达式为【3 4 1 ： f = 只 ( 2 1 ) 式中，厂一与速度方向相反的摩擦力 一摩擦系数，在冷挤压2 0 c r m n t i 时，取0 1 2 一法向压力 2 4成形效果对比分析 表2 2 是采用普通闭式挤压工艺和浮动凹模工艺，螺旋角分别为2 2 0 ，3 2 0 和 4 2 0 的圆柱斜齿轮不同压下量的成形效果对比图。现以2 2 0 螺旋角为例进行成形 分析。从表中第l 组图可以看出，若采用传统的闭式挤压工艺成形圆柱斜齿轮， 由于上、下冲头与坯料表面的摩擦作用，毛坯在挤压过程中，表现出中部径向 流动速度快，上、下端部流动较慢的特征。当压下量达到3 0 时，锻件中部出 现一定量的鼓形趋势，但不明显，压下量达到6 0 时，鼓形趋势加剧，上、下 端部径向流动明显滞后，因此在后续成形过程中，主要完成上、下端部及其角 隅部分的充填。若对其采用浮动凹模工艺成形( 如表中2 、4 、6 组所示) ，由于 浮动凹模改变了摩擦力的方向，使其与金属的流向相同，从而加快了毛坯的中 下部金属的径向充填速度。当压下量达到3 0 时，已出现上端径向流动滞后于 下端，锻件略微呈现梯形，压下量达到6 0 时，梯形趋势明显加剧，锻件下端 及中部齿形已经充填大部分，此时上端齿形刚开始充填，因此在后续成形过程 中，主要完成上端部齿形及其角隅部分的充填2 8 , 3 4 , 3 5 , 3 6 , 7 3 , 7 4 】。 表2 2 成形过程模拟对比分析 组号压卜量3 0 压卜- 量6 0 压下量9 0 j 矗圈隧- 蕊- 黧1 一 一嘲秽嘲群 e _ 一j - - 。j b - _ _ - _ -一一 i _ 曩一 2 霜 麟豳矗圈豳一一翻函h j一 h