（材料加工工程专业论文）轴向振动凹模冷精锻直齿轮数值模拟分析与实验研究.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，对直齿轮冷锻成形工艺与成形过程进行数值模拟及物 理实验研究，以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。 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， 在前人研究的基础上进一步研究可轴向振动凹模成形直齿圆柱齿轮这一工艺。 利用三维造型软件u g 对零件及模具进行造型，得到可轴向振动凹模成形直 齿圆柱齿轮的模具及零件模型，为成形工艺有限元模拟分析提供了依据。基于 刚塑性有限元理论和可轴向振动凹模驱动原理，建立了直齿圆柱齿轮可轴向振 动凹模成形直齿轮的有限元分析模型。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可轴向振动凹模成形直齿圆柱齿轮过程进行了模拟 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，获得了齿轮 成形金属变形规律。 模拟研究结果表明，采用可轴向振动凹模这一新工艺，可以促使金属更容 易流进型腔角部，使直齿轮角部填充更完整，并且可以明显降低最后阶段的成 形载荷力。同时通过改变可轴向振动凹模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，从理论上推导出了凹模振动最佳周期公式并对其进行 了模拟验证；通过模拟归纳出摩擦系数对齿轮成形充满情况及成形所需载荷的 影响，随着摩擦系数的增加，成形载荷呈现出先减小后增大的趋势，出现可使 齿轮成形载荷最小的摩擦系数，这些都为以后的实际生产提供了依据。 通过物理实验研究得出，与固定凹模方案相比，凹模浮动方案可以降低齿 轮成形载荷且齿轮填充情况也有所改善。亦通过模拟与实验对比，其结果是一 致的，说明数值模拟在一定程度上可以反应真实情况、具有可靠性，从而说明 轴向振动凹模工艺方案数值模拟的正确性及结果分析的可靠性。 关键词：直齿圆柱齿轮；可轴向振动凹模；数值模拟；实验研究 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 晒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 hi 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 fs 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 i n 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 d p o s i t i v e l yb yu t i l i z i n g t h ef r i c t i o n a lf o r c eo v e rt h e b i l l e t c 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 r s o ft h ed i ec a v i t yt h es t u d ys i t u a t i o no fs p u rg e a rw i mp r e c i s i o np l a s t i cf o r m i n gi n d o m e s t i ca n do v e r s e a sc o u n t r i e si sa n a l y z e di nt h i sp a p e r , t h et e c h n o l o g yo fc o l d f o r g i n go ns 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 hi sb a s e do nt h ep r e v i o u s s t u d i e s ，i sp u tf o r w a r da c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro fg 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 e 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 一3 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 rg e a rw i ma 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 f t w a r ed e f o r m 一3 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 a n dt h e d 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 武汉理工大学硕士学位论文 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 ed i ei sm o v e di no 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 nb 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 ee f f e c t so fc y c l e s a n da m p l i t u d e so nm 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 db yc h a n g i n gd i f f e r e n t c y c l e sa n da m p l i t u d e s a n dt h eo p t i m a lf o r m u l ao fc y c l ew h i c hc a nr e d u c ep r e s s u r e o b v i o u s l yi sr a t i o c i n a t e di nt h e o r y , w h i c hi sv a l i d a t e db yt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t h ee f f e c t so ff r i c t i o no nt h ef i l l i n go fg e a ra n dt h er e q u i r e dp r e s s u r ea r es u m m a r i z e d b yt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n a 1 lt h e s ep r o v i d eb a s i sf o rf u t m ep r o d u c t i o n t h ef e a s i b i l i t yo ft e c h n o l o g yo ff o r m i n gs p u rg e a rw i t hf l o a t i n gd i ei sv a l i d a t e d b yp h y s i c a le x p e r i m e n t s c o m p a r e x iw i t hf i x i n gd i e ，t h et e c h n o l o g yo ff l o a t i n gd i ec a n i n d e e dr e d u c et h ef o r m i n gp r e s s u r ea n di m p r o v et h ef i l l i n ge f f e c to fg e a r t h et h e o r y t h a ti tc a nr e d u c et h ef o r m i n gp r e s s u r ew i t ha x i a l l yd r i v e nd i ei sa c c u r a t ea n dc r e d i b l e a l s oc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t i te x p l a i n st h a tt h es i m u l a t i o nc a l lr e f l e c tt h et r u e e i r c s ，b ec r e d i b l ea n dt h a tt h es i m u l a t i o no fc o l df o r g i n go ns p u rg e a rw i t ha x i a l l y d r i v e nc o n t a i n e ri sa c c u r a t ea n dt h ea n a l y z ei sc r e d i b l e k e yw o r d s ：s p u rg e a r , a x i a l l yd r i v e nc o n t a i n e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t i i i 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注和致谢的地方外，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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：陋日期牡 关亏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，l i l j ：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) 躲话硐翩躲粥嗍 畸。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 齿轮是一种典型的机械传动零件，在机械行业中大量使用，其中直齿圆柱 齿轮是各种齿轮中应用最为广泛的一种。目前，直齿轮主要是通过传统的金属 切削加工或采用热模锻与切削加工相结合的方法来制造，生产成本高而且加工 费时【。随着汽车等制造业的迅猛发展，齿轮的需求和精度要求进一步提高，上 述传统的加工方法已经很难满足现代工业发展的需要，如何提高齿轮的生产效 率、缩短制造周期和降低生产成本已成为一个迫切需要解决的问题，所以使得 研究齿轮精密成形技术具有重要的意义。 齿轮精锻成形是一种精密成形技术，该技术采用锻造成形来获得完整的齿 形，且齿面无需后续加工或仅需少许精加工即可满足使用要求。典型的直齿轮 精锻成形方法主要有两类【2 4 】：一类是导向型( g u i d i n gt y p e ) ，即凸凹模上都有齿 形( 见图1 - 1a ) ，它们通过齿面进行导向；一类是夹紧型( c l a m p i n gt y p e ) ，即坯料 由弹性装置夹紧定位，凸模是无齿形的平冲头，( 见图1 1b ) 。在相同的工作载 荷下，导向型方法成形齿轮的效果要比夹紧型好【孙，但其凸模快速运动实现较困 难；夹紧型方法采用平冲头，易实现快速运动并降低了模具制造的难度和成本。 齿形凸模 齿彤职模 ( a ) 导向型 b ) 夹紧型 图1 - 1 齿轮锻造的两类成形方法 与传统的切削加工相比，齿轮精锻成形具有以下优点： 1 节约原材料，降低生产成本； 武汉理工大学硕士学位论文 2 省去大量机加工，提高生产效率； 3 改善机械性能，提高齿轮使用寿命。齿轮精锻时，金属流线未被切断， 材料的纤维组织沿齿形均匀连续分布，晶粒及组织细密，微观缺陷少。 因此，齿轮的整体机械性能得到改善，齿轮使用寿命得以提高。 1 2 直齿轮冷精锻技术的现状 近十年来，国内外对直齿轮冷精锻成形研究主要集中在成形过程中变形规 律分析、工艺和模具设计以及质量和精度控制上，并且取得了很多研究成果。 1 2 1 变形规律分析 c h o jj c 等用上限法对实心圆柱坯料精锻直齿轮进行了较为精确的分析p j ， 并分析了模数、齿数、压力角和摩擦等因素对变形力的影响【6 】。c h i t k a r an r 等 用上限元法( u b e t ) 分析了墩锻直齿轮的变形规律，在此基础上用计算机模拟了 增量锻造直齿轮时的变形力和应力应变规律 丌。燕山大学李洪波采用上限元法对 圆柱直齿轮的精锻成形过程进行了模拟，得到了成形过程中成形力和金属充填 齿腔过程中边界形状的变化规律【8 1 。洛阳工学院陈拂晓等利用上限元法模拟了圆 柱直齿轮径向挤压过程的变形规律【9 1 。南昌大学江雄心利用上限法建立了带毅直 齿轮精锻过程的数学模型，并利用该模型对带毅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 0 1 。 陈泽中等将密栅云纹法引入齿轮精锻研究，根据直齿轮冲挤精锻终了阶段 锻件分流面的云纹图像导出位移速度场，获得了相应的变形规律，为进一步研 究应变分布提供了依据【1 1 1 。谭险峰等对空心坯料精锻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【1 2 1 。程军等采用环氧 树脂模型对直齿轮精锻凹模进行实验模拟，根据齿形模的结构和受力特点，采 用径向系列切片，对每一切片进行一次正射和两次斜射来实现在一个模型上进 行全场应力的测取和分析。通过对光学图像的处理，获得了直齿轮精锻凹模的 内壁应力分布【1 3 】。寇淑清等对直齿轮冷精锻成形过程进行了三维大变形弹塑性 有限元数值模拟。对闭式模锻预锻及以闭式模锻、孔分流及约束分流为终锻的 两步成形过程的流动情况进行了数值分析【1 4 1 。江雄心等对空心直齿轮的精锻成 2 武汉理工大学硕士学位论文 形过程进行三维刚塑性有限元模拟，并通过有限元模拟分析，深入揭示直齿轮 精锻过程的金属流动规律和变形力学特征【1 5 】。张清萍等采用三维有限元数值模 拟方法分析了直齿轮的精锻成形过程，选择模拟表面单元数、加载步长、模数、 齿数、齿轮高度等参数对成形工艺的影响【l 副。 综上所述，分析齿轮成形的变形规律的主要工具有上限元模拟、物理实验 模拟和有限元模拟，其中有限元模拟是最有前途的分析工具，目前已被广泛使 用。齿轮成形以其变形机制复杂性吸引了众多研究人员对其继续进行研究的兴 趣。 1 2 2 工艺和模具设计 针对直齿轮精锻工艺存在的问题，李洪波等采用浮动式模具，对圆柱直齿 轮精锻成形工艺进行了研究，并成功地锻出了一定精度的直齿轮【l7 1 。付沛福等 提出结合常规闭式模锻与分流措施的两步成形法，并利用组合实验模具对诸多 工艺方案及充填规律进行了实验研究。他们所提出的约束分流方案，在改善充 填性、降低载荷及提高材料利用率方面具有较多优点【l 引。林治平等则总结了直 齿轮冷、热精锻的各种工艺方案【1 9 】，设计出专用的组合模具【2 0 1 ，其特点是分别 利用浮动凹模和上模环形飞边槽保证齿底和齿顶的角部充满。另外，杨慎华等 提出了齿形凹模修正设计方法，采用闭式墩挤一约束孔分流两步成形法冷精锻 出具有较高精度的钢质直齿轮【2 1 】。山东大学模具工程工程技术研究中心，提出 了一种由空心坯成形直齿轮的工艺：预锻分流区一分流终锻，并对这种两步成 形直齿轮冷精锻工艺模具齿形设计方法进行了研究，分别采用修正模数法和变 位法对终锻模和预锻模的齿形进行设计，同时通过对不同模具形状参数的数值 模拟，确定了模具的最佳形状尺寸参数。研究结果表明，该工艺改善了材料的 填充性能，降低了成形载荷，是适用于直齿轮精锻成形的有效工艺方案【2 2 。2 4 】。 上述大部分工艺还处于研究阶段，要使齿轮成形工艺实用化，浮动模具设 计的实现及两步成形终锻时齿坯的定位等问题都是必须认真考虑的。 1 2 3 质量和精度控制 基于变位理论，杨慎华等提出了一种齿形凹模修正设计方法，并指出通过 该设计方法可获得较高的齿形精度【2 5 】。李洪波等通过对内齿轮缩挤成形工艺的 3 武汉理工大学硕士学位论文 有限元模拟，分析了直齿轮成形时齿面裂纹的产生机理，并从理论上进行了解 释，进而提出了防止齿面裂纹产生的方法【2 6 】。周馄等则深入研究了在预应力状 态和工作状态两种不同情况下模具变形对齿轮齿面精度的影响，并获得了定量 分析的结果【2 7 】。 目前，关于直齿轮精锻质量和精度控制方面的研究比较少，因为变形规律 探讨和工艺改进尚未成熟。 1 3 直齿轮冷精锻技术存在的主要问题 当前，直齿轮精锻研究已经取得了较大进展，但仍存在以下主要问题，并 亟待解决【2 8 。3 0 】： 1 变形规律分析 随着数值模拟技术发展，直齿轮锻造整个变形过程的模拟已经可以实现， 是数值模拟技术本身的完善性和可靠性有待进一步提高。此外，人们对变形规 律的认识还不够，尤其是金属变形的三维流动规律。 2 工艺实用化研究 目前许多研究工艺还不能很好地应用于实际生产，大部分工艺还处在实验 室研究阶段，主要原因在于以下问题尚未解决好： 1 ) 成形力：金属材料在冷态下成形的流动应力和变形抗力很高，再加上齿轮 本身的复杂性，导致直齿轮成形所需压力高。 2 ) 出模：直齿轮精锻没有拔模斜度，出模困难。 3 ) 精度控制：影响齿轮精度的因素众多，包括坯料尺寸、凸模和凹模型腔形 状、模具的磨损和弹性变形以及润滑等。精度控制一直以来都是直齿轮精锻研 究的重点和难点。 4 ) 模具寿命：模具寿命低是导致直齿轮精锻工艺难以实用化的重要原因。 3 模具c a d c a e c a m 一体化 模具c a d c a e c a m 一体化，能显著提高模具的设计质量和效率，实现模 具开发的短周期、高质量、低成本。这无疑对促进直齿轮精锻技术的提高及实 用化具有重大的意义。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 可轴向振动凹模冷精锻技术的现状 随着汽车制造业的迅速发展，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需 求量越来越大，特别是一些机加工比较困难、加工成本高的锻件如：圆柱直齿轮、 圆柱螺旋齿轮、直伞齿轮、磁激爪极等，要求直接锻造成形，不再机加工；同 时随着社会的进步，对制造业的环保要求越来越高。因此节能节材、低成本、 无污染的新工艺受到高度重视。要达到此日的，采用冷闭塞少成形技术来生产 此类锻件成为首选方法之一。但在冷闭塞锻造时，由于材料在室温下的高流动 应力，使金属坯料在成形终了阶段流动受到极大限制，成形力急剧上升。所以 如何降低冷闭塞锻造的成形力，是冷闭塞造发展中急需解决的课题。为了减少 冷闭塞锻造中的成形力，一种可轴向驱动挤压模体的闭塞锻造新工艺被提出。 日本在闭塞挤压分流技术【3 1 】的基础上，于8 0 年代提出了可轴向驱动闭塞锻 造新工艺。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【3 2 1 、内外圆柱齿轮、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、摩擦力的分布做了深入细致的研究。 k o s a k a d a 在第5 回中日精锻交流会上发表了题为“挤压筒可驱动锻造加工法研 究”的论文【3 3 1 ，介绍了挤压筒在轴向驱动下，闭塞挤压筒形件时材料流动规律。 1 9 9 7 年大阪大学博士生土欣完成了“可轴向驱动挤压模体精密锻造研究 论文 答辩。该论文针对圆柱齿轮在闭塞挤压中成形力大、模具寿命低、端部齿形不 易充满等问题，进行了深入细致的研究。其工作原理为带螺旋齿轮的冲头开始 向下运动时，挤压模体以0 2 5 h z 频率、2 m m 振幅上下振动，挤压完毕后，顶出 杆轴向运动，挤压模体周向旋转，将锻件从四模体顶出。其模具结构紧凑，挤 压模体的振动频率、振幅可根据不同品种零件的需要调整，可用于挤压不同螺 旋角的圆柱螺旋齿轮和各种直齿轮。根据实验获得的各种参数，o s a k a d a 实验室 正与日本你期待模具有限公司合作，进行螺旋圆柱齿轮小批量试生产。德国汉 诺威大学在e d o e g e 教授的带领下，正从事此方面的研究【3 4 1 。他们在圆柱齿轮、 电极磁激爪极等锻件的生产方面取得了阶段性成果。汉诺威大学所用的浮动式 热闭塞挤压圆柱齿轮模具的特点是有一块可浮动的模板，成形时上模向下运动 形成封闭模腔，弹簧提供模具的浮动和必要的合模力，变形完成后，下模旋转 顶出齿轮。该模具结构简单，制造成本低，在8 0 0 0 k n 螺旋压力机上使用可生产 螺旋角3 5 0 以下、重量小于0 8 k g 的不同模数齿轮。 5 武汉理工大学硕士学位论文 国内，燕山大学、南昌大学、郑州机械所、上海交通大学在圆柱齿轮的闭 式挤压方面作了一些研究。日前上述单位对圆柱齿轮的研究仍处于在挤压筒固 定、浮动的方式下，利用上限元法、网格法、数值模拟法和物理模拟法对圆柱 直齿轮和内螺旋齿轮的成形机理、金属流动规律的研究，整个工作尚属试验阶 段。武汉理工大学毛华杰、胡子非等人对可轴向振动凹模冷精锻直齿轮进行了 一定的研究，得到随着振幅的增加，齿轮成形载荷先减小后增大【”】。 1 5 可轴向振动凹模冷精锻直齿轮技术存在的主要问题 当前，可轴向振动凹模冷精锻直齿轮技术研究有了一定进展，但国内对其 的研究尚处于初级阶段，有很多亟待解决的问题。 1 金属变形规律分析 随着数值模拟技术发展，可轴向振动凹模冷精锻直齿轮整个变形过程的模 拟已经可以实现，但是数值模拟技术本身的完善性和可靠性有待进一步提高。 人们此新工艺中金属变形规律的认识还不够，尤其是金属变形的三维流动规律。 2 摩擦力对可轴向振动凹模冷精锻直齿轮整个变形过程的影响分析 可轴向振动凹模冷精锻直齿轮变形过程中，摩擦力大小及方向变化十分复 杂，其对整个成形过程的影响也很大，且国内对其研究甚少，需要仔细研究。 4 凹模振动振幅周期对可轴向振动凹模冷精锻直齿轮整个变形过程的影响 分析 在可轴向振动凹模冷精锻直齿轮整个变形过程中，凹模振动的周期对成形 有着极大的影响，到目前为止，国内尚没有对周期研究的报道。 5 完整的可轴向振动凹模装置的设计 设计出一套完整的可轴向振动凹模模具图，实现对凹模振动周期、振幅的 自动调节等，以期望应用于生产。 6 武汉理工大学硕士学位论文 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 长期以来，国内齿轮生产绝大部分采用以开式模锻制坯切削加工齿形为主 的生产工艺。大量金属被切除，材料利用率仅为4 0 左右，且由于机加工破坏 了金属的流线，导致齿轮强度降低。齿轮的锻造生产主要采用热模锻，由于热 模锻工艺的缺陷导致生产的齿轮精度较低，只能应用于一些农业机械上，且模 具的寿命短，成本较高。齿轮的精密塑性成形已成为国内锻造业学者研究的热 点问题之一。 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。 直齿圆柱齿轮的加工已开发了多种冷精锻方法，如分流法、中空法等，但 成功地应用于大规模生产的却不多。究其原因，主要是直齿轮成形变形程度大， 需转移的材料多，导致金属流动困难，挤压力大，模具寿命低，齿轮不易充满， 使齿轮精度偏低。在浮动凹模工艺基础上，一种可轴向振动挤压模体 3 6 - 3 7 1 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 轴向方向上下运动，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，从而可以降低齿轮 成形载荷、改善成形的效果，也就在一定程度上提高模具的寿命，降低加工成 本，使齿轮精密成形向前迈一大步，并期望尽快进行工业化生产。 另外，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。文中对可轴向振动凹模冷精锻圆柱直齿 轮成形进行数值模拟，通过改变可轴向振动凹模的振幅、周期及与坯料间的摩 7 武汉理工大学硕士学位论文 擦系数来找到较为合理的工艺方案，通过物理实验验证此工艺方案的可靠性， 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 3 d 研究可轴向振动挤压模体精密塑性 成形中挤压变形规律。根据在不同振幅、周期及摩擦系数等工艺参数下的数值 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，并进行物理实验验证此工艺方案的可靠性。本文的具体研究内容如下： ( 1 ) 模拟齿轮的成形过程，分析金属流动的等效应力、等效应变规律，分 析金属流动速度规律； ( 2 ) 从理论上推到凹模振动最佳周期公式，并通过模拟验证其正确性； ( 3 ) 通过模拟，分析凹模振动振幅对金属流动速度及齿轮成形载荷的影响； ( 4 ) 模拟齿轮的成形过程，分析毛坯与型腔、端面的摩擦对齿轮填充状况 的影响： ( 5 ) 改变摩擦大小进行模拟，分析摩擦大小对齿轮成形载荷的影响； ( 6 ) 通过物理实验验证了凹模固定工艺方案和凹模浮动工艺方案数值模拟 结果的正确性，从而证明轴向振动凹模工艺方案数值模拟的正确性及结果分析 的可靠性。 本章通过物理实验验证了浮动凹模工艺方案成形直齿圆柱齿轮的可行性， 与凹模固定相比，凹模浮动工艺方案的确可以降低齿轮成形载荷且齿轮填充情 况也有所改善。这说明摩擦力的积极促进原理是有效且可行的，同样说明了可 轴向振动凹模工艺可以降低齿轮成形载荷的理论是正确可靠的。亦通过模拟与 实验的对比看出，数值模拟在一定程度上可以反应真实情况，具有可靠性。 1 6 3 本文的研究方法和技术路线 研究方法： 采用理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法，先建立直齿轮冷镦挤 的数学模型，对成形过程进行数值模拟，并进行理论分析，获取相关工艺和模 8 武汉理工大学硕士学位论文 具结构参数，然后进行实验验证。 技术路线： 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 轮冷精锻技术的现状。说明了本文研究课题的来源、意义以及本文的主要研究 内容。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章塑性成形模拟及其基本分析方法 2 1 塑性成形工艺特点 2 1 1 多种成形工艺并存 为了满足不同的生产需要，实际生产中存在着多种塑性成形工艺，表2 - 1 列 出了一些常见的塑性成形工艺。按照坯料形状及工模具和设备不同，成形工艺 一般可分为扎制、挤压、拉拔、锻造、冲压和旋压。按照变形特征可以分为体 积成形和板料成形工艺两大类。体积成形工艺是通过金属材料体积的重新分配 来获得各种形状、尺寸和性能的制件，轧制、挤压、拉拔和锻造都属于体积成 形工艺。板料成形工艺是利用专用模具迫使板料发生塑性变形来获得相应制件， 如冲压、旋压工艺。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。 表2 1 常见的各种塑性成形工艺 扎制板带扎制、形材扎制、管材扎制、楔横扎等 体积 挤压正挤、反挤、复合挤 拉拔棒材拉拔、线材拉拔、管材拉拔 成形 自由锻镦粗、拔长、局部镦锻等 模锻开式模锻、闭式模锻、压印等 板料冲压冲裁、折弯、拉延、翻边、拉延等 成形旋压拉伸旋压、扩径旋压、缩径旋压等 2 1 2 变形行为复杂 金属材料在塑性成形过程中变形行为相当复杂，其复杂性主要体现在以下 几个方面【3 8 】： 1 变形机理：塑性变形中同时存在着两个非线性，一是材料本构关系的非线 性( 应力与应变之间的非线性) ，二是几何非线性( 应变与位移之间的非线性) 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 这两个非线性关系导致分析模型和理论的复杂化。 2 材料性能：屈服应力是评价金属塑性成形性能的重要指标。在塑性变形过 程中，变形条件( 变形温度、变形程度和变形速率) 及变形材料的微观结构是 不断变化的。这导致了材料的屈服应力发生变化，从而进一步影响金属的塑性 变形。 3 接触：金属毛坯是由模具在接触界面上施加压力而逐步产生塑性变形的。 这个接触界面的作用对金属材料的塑性变形影响很大，它的形状、表面状态对 金属毛坯的变形分布以及最终产品的形状起着决定作用。 4 摩擦：塑性成形中的摩擦机理比较复杂，难以给予准确的理论描述，因此 会给塑性变形工艺分析带来很大困难。 2 2 塑性成形模拟的基本分析方法 2 2 1 基本分析方法简介 1 数学解析法 数学解析法是直接联解塑性应力状态和应变状态的基本方程。通常需联解 1 6 个方程，这些方程包括平衡微分方程、几何方程、屈服准则、本构方程和边 界条件。在实际分析中，这种联解是非常困难的。 2 主应力法 主应力法( 切块法) 是一种近似解析法，其实质是通过一些假设，将应力平衡 偏微分方程常微分化，将屈服条件的非线性关系线性化，从而简化方程、便于 计算。其计算结果的准确性有赖于切块方法和主应力假设是否合理。 3 滑移线法 滑移线法就是利用滑移线场的特性来求解塑性问题( 滑移线是变形体内各点 的最大剪应力的轨迹】，此法忽略弹性变形，认为材料变形是剪应力作用引起的。 该方法对理想刚塑性平面应变问题的求解是准确的。 4 极限分析法 极限分析法分为上限法和下限法。由上限法确定的载荷总是大于等于真实 载荷，由下限法求得的载荷总是小于等于真实载荷。建立合适的运动许可速度 场是应用上限法的前提。上限元技术则是在上限法基础上发展起来的。 武汉理工大学硕士学位论文 5 二视塑性法 视塑性法是一种借助于实验数据的理论分析方法。首先通过实验建立变形 体内的位移场和速度场，然后应用塑性理论的基本方程来确定应变速率场、应 力应变场。 6 有限单元法 有限单元法起源于航空工程中的矩阵分析，它是把一个连续的介质看成是 由有限数目的单元组成的集合体，然后通过力的平衡条件，建立一套线性方程 组，求解这些方程组，便可得到各单元和节点的位移、应力。其实质是用较简 单的问题代替复杂问题后再求解。塑性有限元法的应用始于2 0 世纪7 0 年代， 随着计算机软硬件技术和有限元计算方法的不断发展，塑性有限元法己可以较 为真实地模拟金属的变形过程，为选择合理工艺方案提供了比较有力的参考依 据。目前，有限单元法已成为金属塑性成形模拟的主要方法【3 9 - 4 0 l 。 2 2 2 有限单元法的优点 在分析金属塑性成形问题时，与其它的分析方法相比，有限单元法具有下 列优点： 1 具有良好的通用性，可以对各类金属塑性成形过程进行分析。 2 能对多因素的复杂问题进行求解，可以全面地分析多种因素对成形过程 的影响，如温度、摩擦、材料特性、变形条件以及模具几何形状等。 3 由于使用了计算手段，数据处理非常方便。不仅能给出数据结果，而且能 实现结果数据的可视化，将数据信息形象、直观地展示给用户。 4 能够提供大量变形力学信息，包括应力应变场、速度场、位移场和温度场 等场量的分布情况，以及成形载荷等力能参数，这些信息都可用于工艺分析。 2 3 塑性成形模拟分析的一般流程 塑性成形模拟一般分三步：首先建立分析模型，即对实际问题进行抽象和 简化得到理论分析模型，模型建立的正确与否直接关系到模拟分析的成败，因 此这是最为关键的一步；然后进行模拟分析，即利用模拟分析方法对分析模型 进行求解，这是核心部分；最后对模拟结果进行解释和评价，模拟结果往往是 1 2 武汉理r t 大学硕士学位论文 以数据和图表等形式呈现，必须对其进行解释才能用于实际成形工艺，这一步 相当重要也最具实际意义。 d e f o r m3 d 冷挤压工作流程( 冷锻) ： 1 预处理 设定模拟控制参数( 英制国际单位制、传热、变形等) 、为每个对象定义对象 数据资料、定义预处理设置( 模拟控制、接触) 、生成数据库。 ( 1 ) 创建新作业 新建作业，进入前处理模块，定义作业名称。 ( 2 ) 设定模拟控制参数 模拟控制中的选项管理着模拟分析的数字化方式。主选项( m a i n ) 详细设置了 模拟的名称、单位体系、几何类型等。停止和步进控制选项( s t o p ，s t e p ) 贝l j 用来 指定每步的时间、总共多少步以及停止模拟的条件标准。操作条件像环境温度、 导热系数可以在操作条件( p r o c e s sc o n d i t i o n ) 中设定。某些高级特征可以在高级控 制选项( a d v a i l c e d ) 中加以指定说明。 ( 3 ) 输入对象数据 对象数据选单用来导入和定义工件、模具的几何特征，将工件网格化，定 义材质，设定边界条件，定义对象的移动，定义初始条件等。 ( 4 ) 设置材料性能 为了得到高精确度的模拟结果，需要详细的定义材料的各项特性。在材料 数据中需要设置的材料的特性包括：弹性、塑性、传热、扩散、硬度估算、断 裂。 ( 5 ) 交互材料数据 交互材料数据选单用来定义材料晶相之间混合转化之间的关系。这种转化 关系通过定义转化特性来完成，包括转化动力学模型、潜在转变热、转化诱使 的体积变化、塑性变化。 ( 6 ) 模具定位 导入的对象几何体不一定会在希望的位置上，因此必须通过调节。可以用 软件提供的鼠标定位、偏移、旋转等方法，也可以在模具建模的时候，预先设 置好他的位置。 ( 7 ) 对象间界面定位 主要是设置接触面之间的摩擦系数。在冷挤压问题里，若模具的类型为硬 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 质合金，系统推荐的摩擦系数为0 0 8 ，但若是钢制模具，系统推荐的摩擦系数 则为0 1 2 。 ( 8 ) 生成作业的数据库 2 执行模拟 软件根据预处理的设定进行模拟分析计算。 3 后置处理 后处理器根据用户要求输出所需的模拟信息，供用户进行工艺分析。 4 直齿圆柱轮冷挤压模拟分析流程图 在d e f o r m 3 d 中，一个完整的有限元分析过程，通常由四个明确的部分 组成：c a d c a e 模型导入、模型前处理、模拟计算和后处理。直齿圆柱齿轮可 轴向振动挤压模体精密成形模拟分析流程如图2 2 所示。 利用三维造型软件f i g 建立挤压模体冲头、凹模、工 件模型。并导出为s t l 文件格式，创建新作业一 在d e f o r _ m - 3 d 软件中导入分析模型。分别定义模型的 类型，并对模型进行定位一 网格划分，定义坯料和模具材料流变模式等。设定分 析步每步时问或步长以及自动再划分网格尺寸或数目 重 定义摸具运动方式速度，摩擦等边界条件 薹 提交任务，生成模拟计算数据库。对定义中的缺失p 或错误信息进行修改 一 重 利用模拟计算处理器进行模拟计算一 重 在后处理器中进行结呆分析。对坯料成形过程中的应力应 变分布曲线进行分析得出成彤过程中的金属流动规律和 齿形填充规律，并比较在不同振幅和周期下最大载荷力 l 将有价值的分析结呆用于指导可轴向振动挤压模体直 齿圆柱齿轮冷锻成形生产工艺一 图2 - 2 直齿圆柱齿轮成形模拟分析流程 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章简要地介绍了塑性成形工艺的特点、塑性成形模拟分析的一般流程及 其基本模拟方法，并根据实际的直齿圆柱齿轮冷挤压成形的需要，选择刚塑性 有限元理论作为有限元模拟的基本理论。选用了d e f o r m 3 d 有限元分析软件 作为直齿圆柱齿轮冷挤压成形有限元分析的平台，最后简要地介绍了有限元模 拟分析工具d e f o r m 一3 d 软件的各个模块和应用在冷挤压的工作流程。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章三维数值模拟实施中的关键问题处理 齿轮成形机制相当复杂，其过程是一种既有几何非线性又有材料非线性和 边界非线性的复杂变形过程，会遇到一些关键技术问题，需要进行适当的处理， 否则将会影响模拟计算的结果甚至导致模拟失败。在数值模拟实施过程中，为 了使计算顺利进行，提高模拟的精度和效率，实现对齿轮的整个变形过程完整 的模拟，需要对以下一些关键问题进行处理。 3 1 直齿轮参数化建模与模型转换 在金属体积成形中，由于模具对坯料施加压力，迫使坯料成形。因此，工 件的形状及性能与模具的几何形状紧密相关，模具几何形状描述的正确与否也 直接影响数值模拟结果的正确性，