（材料加工工程专业论文）锥齿轮冷摆辗精密成形规律和工艺参数优化设计.pdf

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工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特j i i j j t l 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他教育机构的 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做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 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 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：寻r l 、毒 导师签 日期尹吃肠罗 摘要 作为相交轴之间运动和动力的基础传动元件，锥齿轮具有传动平稳、承载 能力高、噪音低等特点，因此在航空、航天、汽车、机械、船舶、化工等众多 领域得到广泛应用。锥齿轮冷摆辗精密成形工艺是一种先进的齿轮塑性加工技 术，具有材料利用率高、生产率高、生产成本低、成形精度高、齿轮性能好等 诸多优点。但同时锥齿轮冷摆辗成形也是一个具有几何非线性、材料非线性、 边界非线性等多重非线性、多因素耦合作用下的复杂金属成形技术，因此单纯 采用解析和实验方法对其进行研究存在明显的局限性，如很难获得金属流动规 律和内部场量的分布及变化历史，并且实验费用昂贵且耗时。因此，有限元数 值模拟方法就成为深入研究该复杂工艺的最佳手段。 本文首先通过金属室温拉伸试验测定了常见齿轮材料1 2 0 c r l n t i 钢常温 下的基本力学性能参数，并拟合得到其真实应力应变本构方程；基于上述精确 的材料参数及材料模型，首次在d e f o r m 2 d 中建立了2 0 c r m n t i 钢的圆环压 缩刚塑性有限元模型，获得了对应的摩擦系数与摩擦因子理论标定曲线。通过 对比分析理论标定曲线与圆环压缩试验结果，从而测定出不同润滑剂条件下 2 0 c r m n t i 钢在体积成形时的摩擦边界( 摩擦系数和摩擦因子) 。试验结果为建立 精确的锥齿轮冷摆辗三维有限元模拟模型提供了可靠的材料与摩擦边界依据。 本文基于直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮三维实体几何模型、三维塑性变形有限 元力学模型，通过解决材料模型、网格划分、边界条件等关键建模技术，以 d e f o r m 3 d 为平台建立了精确的锥齿轮冷摆辗成形三维刚塑性有限元模拟模 型。基于该有限元模型研究了直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮冷摆辗成形过程中毛坯 的变形规律，金属的流动规律，成形载荷的变化规律及等效应变的分布规律。 由于锥齿轮冷摆辗成形是一个多因素耦合作用的复杂金属成形新技术，各 种成形工艺参数的影响作用尚不清楚。因此本文进一步探究了下模进给速度、 上模转速、上模倾角、摩擦因子、毛坯尺寸等工艺参数对锥齿轮冷摆辗成形中 力能参数、金属流动和锻件损伤因子值分布的影响规律，从而揭示了锥齿轮冷 摆辗精密成形机制和规律，为锥齿轮冷摆辗精密成形提供了理论和技术依据。 关键词：冷摆辗成形；锥齿轮；有限元模型；成形规律；工艺参数优化 a b s t r a c t b e v e lg e a r s a s 觚i n d i s p e n s a b l ee l e m e n tf o rm o m e n t u mt r a n s f e rb e t w e e n i n t e r s e c t i o na x e s ，h a v eb e e nw i d e l y a p p l i e d i na e r o n a u t i c a la n d a s t r o n a u t i c a l ， a u t o m o t i v e ，m e c h a n i c a l ，m a r i n ea n dc h e m i c a li n d u s t r i e so w i n gt ot h e i rh i g hc o n t a c t r a t i o ，s m o o t ht r a n s m i s s i o na n de x c e l l e n t c a r r y i n gc a p a c i t y u t i l i z i n gc o l dr o t a r y f o r g i n g ( c r f ) f o rf a b r i c a t i o no fb e v e lg e a r si sa l li n n o v a t i v em e t a lp l a s t i cp r e c i s i o n f o r m i n gt e c h n o l o g y , i nc o m p a r i s o nw i t ht h ec o n v e n t i o n a lf o r g i n gt e c h n o l o g y , w i t h t h ep r e d o m i n a n ta d v a n t a g e ss u c ha sm i n i m u mm a t e r i a lw a s t e ，h i g hd i m e n s i o n a l a c c u r a c y ，l o w e rl e v e lo fn o i s ea n dv i b r a t i o n ，g o o ds u r f a c ef i n i s h ，b e r e rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fp r o d u c t s h o w e v e r ，i ti sa l s oac p m p l e xi n c r e m e n t a lm e t a lf o r m i n g p r o c e s su n d e rc o u p l e de f f e c t so fm u l t i f a c t o r s a d d i t i o n a l l y , i nc o n s i d e r a t i o no ft h e n o n l i n e a rf e a t u r e so fg e o m e t r i c a lm o d e l ，m a t e r i a lm o d e la n dc o n t a c tc o n d i t i o n s i n t e g r a t e di nc r f ，i ti sd i f f i c u l tf o rt h ee x p e r i m e n t a la n da n a l y t i c a lm e t h o d st oo b t a i n t h em a t e r i a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e r i o rf i e l dv a r i a b l ed i s t r i b u t i o n s t h e r e f o r e ， f i n i t ee l e m e n t ( f e ) b a s e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa ne f f e c t i v et o o lt oi n v e s t i g a t et h i s c o m p l i c a t e dm e t a lf o r m i n gp r o c e s s e s i nt h i s p a p e r , 2 0 c r m n t ia l l o ya f t e ri s o t h e r m a ls p h e r o i d i z a t i o ni st a k e na s i n v e s t i g a t i n gm a t e r i a lo fb e v e lg e a r s ，a n di t sm a t e r i a lp r o p e r t i e si n c l u d i n gb a s i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r e s s s t r a i nc o n s t i t u t i v ee q u a t i o na r ef i r s td e t e r m i n e d b a s e do ns t a n d a r dt e n s i l et e s t sa tr o o mt e m p e r a t u r e f u r t h e r m o r e ，t h ef r i c t i o n c o n d i t i o n so f2 0 c r m n t ia l l o yw i t hd i f f e r e n tl u b r i c a n t si nb u l k f o r m i n g a r e d e t e r m i n e dv i aas e r i e so f r i n gc o m p r e s s i o nt e s t sc o u p l e dw i t hf es i m u l a t i o n s t h e r e s e a r c hr e s u l t so b t a i n e dp r o v i d et h ep r e c i s i o nm a t e r i a lm o d e la n dt h er e a l i s t i c f r i c t i o nb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rc o n s t r u c t i n gt h ep r e c i s i o nf em o d e lo fc o l dr o t a r y f o r g i n go f2 0 c r m n t ia l l o yb e v e lg e a r s t h es o u n d3 dr i g i d - p l a s t i cf em o d e l so fc o l dr o t a r yf 0 哂n go fs p u rb e v e lg e a r s a n ds p i r a lb e v e lg e a r sa r ee s t a b l i s h e du n d e rt h ed e f o r m 一3 dp l a t f o r mb ys o l v i n g s e v e r a lk e ym o d e l i n gt e c h n i q u e ss u c ha sg e o m e t r i c a la n dm a t e r i a lm o d e l s ，m e s h i n g a n db o u n d a r yc o n d i t i o n s b a s e do nt h ep r e c i s i o nf em o d e l s ，t h ee n t i r ec o l dr o t a r y f o r g i n gs i m u l a t i o np r o c e s so f2 0 c r m n t ia l l o yb e v e lg e a r sa r ea c t u a l i z e d t h r o u g ha i i g r e a tq u a n t i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，t h eo p t i m i s e dw o r k p i e c eg e o m e t r i e sa ref i r s t r e c o m m e n d e da n dt h e nt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o l dr o t a r yf o r g i n go fb e v e l g e a r si n c l u d i n gt h el a w so fm e t a lf l o w ，t h ee v o l u t i o no ff o r m i n gl o a da n dt h e d i s t r i b u t i o nl a w so fd i f f e r e n tf i e l d v a r i a b l e sa r et h o r o u g h l yr e v e a l e d f u r t h e r m o r e , c r fi sa ne x t r e m e l yc o m p l e xm e t a lf o r m i n gp r o c e s su n d e rc o u p l e d e f f e c t so fm u l t i f a c t o r s ，s u c ha sc o n f i g u r a t i o n so fd i e sa n db l a n k ，m a t e r i a l sp r o p e r t i e s ， f o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，e t c a m o n gt h e s ef a c t o r s ，f o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s m a yb eo fp r i m a r ys i g n i f i c a n c eb e c a u s ei tn o to n l yd e t e r m i n e st h es t a b l ef o r m i n go f c r fb u ta l s om a r k e d l yi n f l u e n c et h ef o r m a b i l i t y , m e t a lf l o w ，a n df o r m i n gq u a l i t y i n d i v i d u a l l ya n ds y n e r g i s t i c a l l y c o n s e q u e n t l y , i nt h i sp a p e r , a i m e da tr e v e a l i n gt h e e f f e c tl a w so fv a r i o u si n t e r r e l a t e dp r o c e s sp a r a m e t e r so nc r fo fc o m p l i c a t e db e v e l g e a r s ，t h ee f f e c tl a w so ff o u ri m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ，n a m e l yr o t a t i o n a ls p e e d o ft h eu p p e rd i e ，z ，f e e dr a t eo ft h el o w e rd i ev ，i n c l i n a t i o na n g l eo ft h eu p p e rd i eya n d f r i c t i o nf a c t o rb e t w e e nt h ew o r k p i e e ea n dd i e sm ，o nt h ef o r c ea n dp o w e r p a r a m e t e r s ， d i ef i l l i n ga n dd a m a g ef a c t o r , a l lo f w h i c ha lea b l et ow e l lr e p r e s e n tt h ef o r m a b i l i t y , m e t a lf l o w ，a n df o r m i n gq u a l i t yr e s p e c t i v e l y , h a v eb e e nc o m p r e h e n s i v e l ye x p l o r e db y e m p l o y i n gt h ef o r e g o i n g3 df em o d e l s t h er e s e a r c hr e s u l t sn o to n l ys h o wt h e i m p o r t a n c eo fc o n t r o l l i n ga n dc h o o s i n gk e yp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n s ， b u ta l s op r o v i d eu s e f u lg u i d a n c eo nt h es e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o no fp r o c e s s p a r a m e t e r si nc r f o f b e v e lg e a r s k e y w o r d s ：c o l dr o t a r yf o r g i n g ( c r f ) ；b e v e lg e a r s ；f i n i t ee l e m e n t ( f e ) m o d e l s ； d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ；o p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s i i i 口罩 日刊k 摘要i a b s t r a c t 一i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题相关研究进展。2 1 2 1 锥齿轮塑性成形技术研究进展2 1 2 2 冷摆辗成形技术研究进展5 1 3 课题的来源、目的和意义9 1 3 1 课题的来源9 1 3 2 课题的研究目的及意义9 1 4 本文的主要研究内容和技术路线1o 1 4 1 本文的主要研究内容1 0 1 4 2 本文研究的技术路线1 1 1 5 本章小结1 2 第2 章锥齿轮冷摆辗有限元模拟基本理论1 3 2 1 引言。：13 2 2 锥齿轮冷摆辗有限元模拟的难点1 3 2 3 弹塑性有限元法1 4 2 4 刚塑性有限元法1 6 2 4 1 刚塑性材料的边值问题一1 6 2 4 2 刚塑性有限元变分原理1 7 2 4 3 模拟分析关键问题的处理2 1 2 4 4d e f o r m 3 d 有限元分析软件简介2 3 2 5 本章小结2 4 第3 章常温下2 0 c r m n t i 钢材料模型及摩擦模型测定2 5 3 1 引言：一2 5 3 2 材料模型2 5 3 3 摩擦模型2 8 3 3 1 摩擦系数( 或摩擦因子) 理论标定曲线2 8 i v 3 - 3 2 圆环压缩有限元模型2 8 3 3 3 圆环压缩有限元模拟结果3 0 3 3 4 圆环压缩试验31 3 4 本章小结3 4 第4 章直齿锥齿轮冷摆辗三维有限元模拟3 5 4 1 引言3 5 4 2 直齿锥齿轮冷摆辗工艺原理3 6 4 3 直齿锥齿轮冷摆辗工艺设计3 7 4 3 1 齿轮模型的建立3 7 4 3 2 冷锻件的设计一3 8 4 3 3 工艺路线的选择3 9 4 4 直齿锥齿轮冷摆辗有限元模型4 0 4 4 1 网格划分4 1 4 4 2 材料模型。4 1 4 4 3 摩擦条件4 2 4 4 4 其他工艺参数4 2 4 5 模拟结果与讨论4 3 4 5 1 直齿锥齿轮锻造毛坯优化4 3 4 5 2 直齿锥齿轮冷摆辗成形机制4 8 4 5 3 工艺参数对直齿锥齿轮冷摆辗的影响规律5 2 4 6 本章小结6 4 第5 章从动螺旋锥齿轮冷摆辗三维有限元模拟6 6 5 1 引言6 6 5 2 螺旋锥齿轮冷摆辗工艺原理- 6 7 5 ；3 螺旋锥齿轮冷摆辗工艺设计6 8 5 3 1 齿轮模型的建立6 9 5 3 2 冷锻件的设计7 0 5 3 3 工艺路线的选择7 0 5 4 螺旋锥齿轮冷摆辗有限元模型7 2 5 5 模拟结果与讨论7 4 5 5 1 螺旋锥齿轮锻造毛坯优化一7 4 v 一 5 5 2 螺旋锥齿轮冷摆辗成形机制8 0 5 6 本章小结8 9 第6 章总结与展望9 0 6 1 研究总结9 0 6 2 研究展望9 0 参考文献9 2 致谢9 7 攻读硕士期间发表的论文9 8 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 锥齿轮按齿形可分为直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮( 又称弧齿锥齿轮) 。作为传递 相交轴之间运动和动力的基础传动元件，锥齿轮具有传动平稳、承载能力高、 噪音低等特点，因此在航空、航天、汽车、机械、船舶、化工等众多领域得到 广泛应用。锥齿轮是传动系统中最重要的关键零件之一，但它同时也是传动系 统中最薄弱的环节之一，许多传动系统的失效都发生在锥齿轮上，所以锥齿轮 质量的好坏会直接影响到相关产品的性能水平。目前，齿轮加工技术的高低已 经成为了衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。 目前，虽然齿轮切削加工的工艺已经相当成熟，而且生产稳定。但对于汽 车使用的主、从动螺旋锥齿轮，从动轮齿数是主动轮齿数的3 5 倍，尽管从动 轮螺旋铣齿机的单机加工效率高于主动轮，但构成生产线时至少需要五台螺旋 铣齿机床，设备成本高。对于有高运转速度、低运转噪声要求的齿轮，还需要 采用价格昂贵的数控螺旋磨齿机床进行加工。另外一方面，与塑性加工相比， 切削加工不仅生产效率低、材料利用率低、材料损耗大、不利于建立节约型环 保和谐社会，而且锻坯经机加工齿形后，切断了金属纤维，齿轮的齿根弯曲疲 劳强度、齿面接触疲劳强度和齿面耐磨性都比较低，因而齿轮的使用寿命短。 作为车辆运动动力的传递者，工况复杂，负荷又重，缩短了车辆大修周期，不 仅经济损失大，而且涉及到车辆运行的安全问题。相反，齿轮塑性成形工艺改 善了齿轮的组织和性能，使齿轮的弯曲强度、接触疲劳强度和耐冲击性高于切 削加工的齿轮零件，提高了齿轮的机械性能和使用寿命【l 】。 随着汽车等制造业的迅猛发展，锥齿轮的需求和精度要求进一步提高，上 述传统的加工方法己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己成为一个迫切需要解决的问题，所以研究 锥齿轮塑性成形技术具有重要的意义。因此，研究用塑性成形方法进行车辆等 行走机械用锥齿轮齿形的近净成形是近年来金属成形加工领域和齿轮传动领域 的重点研究课题之一1 2 】。 近年来，随着计算机软硬件技术、金属塑性流动理论和计算机图形学等交 武汉理工大学硕士学位论文 叉学科的迅猛发展，有限元数值模拟技术得到了快速发展，采用数值模拟等先 进方法解决工业生产中的实际问题已成为金属成形技术的发展方向。采用有限 元数值模拟方法，可实现齿轮精锻成形过程的模拟分析，获得齿轮精锻成形规 律、以较小的代价，在较短的时间内找到最优的和可行的设计方案，为齿轮精 锻成形工艺的研究和应用提供技术依据和理论指导。 1 2 课题相关研究进展 1 2 1 锥齿轮塑性成形技术研究进展 锥齿轮是一种典型的传动零件，被广泛地应用于航空、航天、汽车、仪表 等众多的行业领域。锥齿轮加工方法主要包括传统切削加工和精密锻造成形两 大类。采用传统切削加工工艺，材料的利用率低、能耗大、生产率低，尤其是 在加工过程中金属纤维被切断从而造成轮齿的强度与疲劳寿命降低。同切削加 工方法相比，锥齿轮采用精密锻造工艺生产具有如下优点 1 - 2 1 ： 材料利用率平均提高3 0 以上； 抗拉强度与抗弯疲劳强度分别提高2 0 2 5 和4 0 以上； 当采用精锻液压机生产且手工操作时，生产率提高8 1 0 倍，当采用机械 式精锻压力机自动化生产时，生产效率提高1 5 2 0 倍以上； 减少了设备投资，当采用格里森刨削加工，按相同产量计算，一条精密 模锻生产线可相当于8 2 0 台刨齿机，国产精锻设备投资仅为刨削加工设 备的2 0 3 5 ； 精锻尤其是冷精锻锥齿轮生产地干净，无切削和油污，减少了污染，保 护了环境，亦称绿色制造。 由于满足齿轮净成形优点，精密锻造已渐渐取代传统切削加工成为锥齿轮 先进加工技术的主要方法。锥齿轮主要包括直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮两大类， 它们也是应用最为广泛的两种锥齿轮。 1 2 1 1 直齿锥齿轮精锻工艺现状分析 目前，国内外很多学者对直齿锥齿轮精锻技术进行了深入的研究，并取得 了显著的效果，研究重点主要集中在工艺设计与优化、模具结构改进等方面。 2 武汉理工大学硕士学位论文 文献【3 卅针对行星齿轮和半轴齿轮原精锻工艺和模具结构存在的问题，提出 了“一火两锻”新工艺和新型模具结构，其工艺流程如下：下料一无心磨磨外圆少 无氧化加热粗锻一精锻切飞边表面清理一冷压整形，实现了直齿锥齿轮无飞边粗 锻，新型模具结构保证了坯料的准确定位。文献【5 】对闭式冷精锻圆锥齿轮的齿形 凹模进行研究，设计了两种凹模结构。研究结果表明分模面与齿顶平齐，齿顶 完全埋没在下凹模内的模具结构在进行小模数或较小模数的圆锥齿轮闭式冷精 锻时，可以有效改善齿形模具的应力状态，提高模具寿命。文献【6 】通过对锥齿轮 精密成形工艺进行数值模拟，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。文献【| 7 】运用有限元软件对比分析了两种凸模及 凹模结构形状对齿轮成形的影响，并设计了锥齿轮完全闭塞式锻造的模架。文 献【8 - 1 0 对轿车锥齿轮的冷闭塞工艺进行了系统研究，通过数值模拟分析得到了成 形过程中的金属流动规律和力学场量分布情况，并对数值模拟中的一些关键技 术问题进行分析处理，设计了专用模架结构对锥齿轮的冷闭塞工艺进行实验研 究。研究结果表明工艺设计合理，数值模拟分析准确。文献【l l 】建立了锥齿轮精 锻成形工艺的有限元模型，研究了锥齿轮成形过程中的材料变形行为、几何形 状变化、载荷、应力和应变分布等。文献【1 2 】以通用分析软件a n s y s 为工具，以 直齿锥齿轮温锻成形为例，研究了复杂锻件净成形过程热力学因素对锻件精度 的影响，重点探讨了终锻过程，从而有可能预测锻件尺寸变动和为模具制造提 供补偿数据。文献【1 3 】采用数值模拟研究了锥齿轮冷闭式锻造成形工艺中模具表 面的弹性大变形和齿轮出模后的弹性回复情况，得到了模腔弹性变形后与出模 回复后的齿形曲线，对模具进行了修正，并设计了齿模电极。文献【1 4 j 采用刚粘 塑性有限元软件建立了直齿锥齿轮闭式精锻的有限元模型，分析了不同工艺设 计对金属流动及成形载荷的影响；通过比较实验与模拟中齿形轮廓及载荷变化 曲线，验证了有限元模型的准确性。文献【1 5 】通过对模具应力、应变的分析，提 出了可用于行星齿轮冷锻成形过程的模具设计新方法。文献l l6 】基于刚塑性材料 模型，利用有限元软件对直齿锥齿轮的精锻成形过程进行数值模拟。 从以上分析可看出，直齿锥齿轮精锻技术在实际应用中总体上比较成熟， 但是仍存在以下几方面问题：( 1 ) 精锻工艺设计和模具设计主要依赖经验数据和 经验公式，加上设计人员的估计和判断，而不是以金属在成形中的真实流动规 律和流动状态为依据；( 2 ) 精锻模具结构设计存在一些缺陷，使得锻件车削余量 相对较大，钢材利用率和生产效率较低，未能充分显示精密模锻的优越性；( 3 ) 精 3 武汉理工大学硕士学位论文 锻模具易发生磨损和变形，模具寿命较低；( 4 ) 直径 5 0 0 m m 的锥齿轮需采用昂 贵的大吨位精锻装备，生产成本过高，综合经济效益变差。 1 2 1 2 螺旋锥齿轮精锻工艺现状分析 相对直齿锥齿轮，螺旋锥齿轮传动更加平稳，噪音更低，冲击更小，承载 能力更大，因此广泛应用于车辆、工程机械、航天航空等领域，是各类机械中 技术含量高，量大面广的基础零件。目前螺旋锥齿轮生产工艺方式仍是采用切 削加工，其加工难度大、成本高、效率低。因此这类齿轮的精密成形技术也受 到国内外越来越多人的关注。 文献【1 7 】对汽车差速器主动螺旋锥齿轮的塑性成形方法进行了试验研究，设 计并制造出了试验用模具，在万能拉伸试验机上进行了塑性成形实验，用网格 实验研究了塑性成形齿轮截面上的金属流动情况及齿形充满过程，揭示了金属 纤维的走向与分布。文献【1 8 - 2 0 】对螺旋锥齿轮齿轮的精锻成形过程进行了三维刚 塑性有限元模拟和实验研究，得出了螺旋锥齿轮精锻过程的金属流动规律和变 形力参数特征，获得了螺旋锥齿轮精锻工艺方法和成形力的计算公式。此外还 分析了主动螺旋锥齿轮闭塞挤压的金属流动路线，设计了预制坯的形状成形试 验获得了金属充填齿形腔的流动模式，提出采用专用双动压力机或在通用压力 机上采用特殊模具实现坯料双向挤压的成形方法。文献【2 1 】以解放汽车后桥从动 螺旋锥齿轮的精锻工艺为例，介绍了精锻生产的主要流程，并对精锻模的电极 齿轮设计、预制坯设计、分模位置设计及精锻件的后续加工、热处理等环节进 行了分析。实践表明，精锻螺旋锥齿轮的精度与原切齿工艺加工的相当，材料 消耗和生产成本明显降低。文献【2 2 】通过工艺方法对比、实际数据对比、同类产 品加工实际应用对比等，充分证明了精密锻压螺旋锥齿轮工艺代替复杂而繁琐 的传统铣削螺旋锥齿轮的工艺的极大优越性和先进性。文献【2 3 】在螺旋锥齿轮无 飞边精锻新工艺和两浮动无飞边精锻新型模具的基础上，研究了螺旋锥齿轮精 锻成形的金属流动规律；根据最小功原理，用编制的约束优化程序对求解螺旋 锥齿轮无飞边精锻变形力的上限法模型进行优化，求出了锻压变形力的最小上 限解。文献【2 4 】采用有限元数值模拟软件d e f o r m 一3 d 对螺旋齿轮的闭式模锻工 艺进行了数值模拟分析，选择了温度、摩擦因子、模数、螺旋角、锥角、不同 坯料等参数，进行了多次模拟，获得了它们对成形过程的影响规律；并针对螺 旋锥齿轮锻件不易脱模关键性问题，设计出向心轴承式结构凹模。文酬2 5 】研究 4 武汉理工大学硕士学位论文 了精锻螺旋锥齿轮参数( 螺旋角和锥角) 对脱模过程的影响，用a d a m s 软件进行 脱模分析，结果显示螺旋角、锥角越小越不容易脱模。 通过以上对螺旋锥齿轮的精密成形研究现状的分析，可以看出这类齿轮的 精密成形技术还没有投入到实际生产当中，尚处于理论与实验研究探索阶段。 究其原因，主要包括以下几个方面：( 1 ) 相对于直齿锥齿轮，螺旋锥齿轮由于具 有弯曲的节线，其成形难度大、充填过程复杂、材料流动性差、影响因素多、 成形载荷大、产品质量与模具寿命不易保证；( 2 ) 目前对于螺旋锥齿轮精密成形 的研究主要集中于实验和解析的方法，研究成本大、实验周期长，且获得信息 量有限；( 3 ) 现有研究已建立的螺旋锥齿轮精密成形有限元模型中对材料、边界 条件等都做了较大的假设与简化，所得模拟结果与实际存在较大偏差，因此不 能很好地用来指导生产实践。 综上所述，锥齿轮精锻成形技术在近几十年来有了很大的发展，然而由于 成形设备、模具加工、生产成本等诸多因素的约束，大尺寸、高精度锥齿轮的 精锻成形仍面临着众多难题。寻求一种高效、节能、环保的加工方法来成形锥 齿轮成为当务之急。采用冷摆辗精密成形工艺来成形直齿锥齿轮是近年来被采 用的先进的齿轮加工工艺。该工艺既可以避免热锻时加热所带来的种种缺陷及 加热所需的能量损耗，同时也克服了普通冷精锻时变形抗力过大、模具寿命低 等缺点；由于摆辗件金属纤维的合理分布，成形零件机械性能、加工精度、表 面光洁度大大提高。因此，冷摆辗特种成形工艺在齿轮加工领域有着广阔的应 用前景。下面着重介绍摆辗工艺的研究现状。 1 2 2 冷摆辗成形技术研究进展 摆辗技术虽然是2 0 世纪6 0 年代才出现的一种金属成形新技术，但是由于 它具有许多其它传统工艺无法比拟的优点，因此受到世界上许多国家的高度重 视。国内外许多学者在摆辗成形理论和应用方面做了大量工作，已形成了一定 的理论基础。目前，摆辗成形的主要研究方法有：实验研究方法，解析分析方 法和有限元数值模拟方法。 1 2 2 1 解析研究 ( 一) 接触面积率的计算 武汉理工大学硕士学位论文 接触面积率是摆辗工艺中的一个极其重要的工艺参数，摆辗中的许多问题 都与它有着密切的关系。其含义是指上模与工件上表面接触区域的水平投影面 积与工件上表面面积的比值，以九表示。到目前为止，世界上很多学者对它进行 了研究，但因为推导的算式比较复杂，为便于应用，一般都采用解析的方法给 出简化的近似公式。 波兰的z m a r c i n i a k 教授给出的简化公式【2 8 1 为： 肚0 4 5 志( 1 - 1 ) 式中s l 每转进给量( r a m r ) 肝一工件变形半径( n 蚰) 广上模倾角( 。) 日本的久保胜司给出的公式 2 8 1 为： 名= 0 6 3 q n 6 3 ( 1 - 2 ) 式中9 一当量每转进给量，p ：l 。 。 2 r t a ny 文酬2 9 1 给出的公式为： 五= 0 4 压+ o 1 4 q ( 1 - 3 ) 文献例给出的公式为： 、三 肚妻q 2 1 1 + 吉j 2 m 4 ， ( 二) 接触区域压力分布的理论计算 文献【3 1 】采用主应力法来近似求解摆辗接触区域压力分布，通过计算发现压 应力的大小及分布与工件的高径比、摩擦系数、每转进给量、摆角和变形程度 等都有关系，最大压应力作用在上模最低母线上，距工件中心约为( o 3 0 6 ) r ， 最大值可达流动应力的1 8 3 倍。 日本学者3 2 1 也采用主应力法计算了接触面上的应力分布，通过有限差分法 求解平衡微分方程，获得接触面上个节点应力的数值解。所得结果与采用压力 传感销测试所得结果吻合较好。 ( 三) 摆辗力能参数的计算 摆辗力是选取摆辗机的主要参数之一。文献 3 3 - 3 5 】采用上限法求解了摆辗力 6 武汉理工大学硕士学位论文 能参数。文献【3 6 】采用上限法计算了环件冷摆辗成形力、成形力矩和变形环件的 几何形状，所得计算结果与实验结果具有较好的一致性。文献【3 7 】采用上限法求 解了圆柱件摆辗成形力，并研究了每转进给量和上模倾角对成形力的影响，计 算结果与实验结果吻合较好。文献【3 8 】应用上限法对圆柱体自由摆辗镦挤成形过 程的力能参数和变形规律进行了分析研究，变形区域由接触变形区、非接触变 形区和塑性铰组成，并建立了相应的动可容速度场。通过优化计算，获得了摆 辗徽挤变形力、反挤压高度随着坯件高度压下量、上模每转压下量、坯件与模 具接触面上的摩擦的变化而变化的关系。 1 2 2 2 实验研究 ( 一) 接触区域压力分布的测试 中国学者【3 9 】在1 9 8 1 年用电测法同时测定了上、下模接触面上的辗压力径向 分布，揭示出摆辗厚件时上模接触面压力分布的变化比下模接触面的激烈，而 且高于下模接触面压力，薄件时两者比较接近。 日本学者【3 2 】用电测法测量了上、下模接触面辗压力的径向分布和切向分布， 同时还实测研究了压力分布与压下率的关系。 ( 二) 摆辗变形机理的实验研究 由于摆辗变形特有的复杂性，对摆辗变形机理的实验研究难度较大，所获 得的成果也较少。文献【加】采用聚碳酸酯光塑性法对圆柱件摆辗进行了模拟实验， 从聚碳酸酯试件辗压后子午面上的等色线条纹，可以明显的看出变形过程中变 形区的扩散及分区情况。通过与普通镦粗相比较，发现摆辗镦粗圆柱件的变形 区较深，死区小。文献f 4 1 j 用光塑性法模拟了长杆带法兰的勾舌销的摆辗成形过 程，获得了工件上下表面的正应变和剪应变分布，以及主应变迹线图，直观地 表达了该工艺中的材料流动趋势。文献【4 2 舶】采用光塑性法对环形件摆辗变形机 理进行了实验研究，给出了接触区出入口端沿壁厚方向的应变分布。文献【4 纠6 】 采用光塑性法对端面凸轮摆辗成形进行了研究。文献【4 7 】也采用光塑性法对行星 锥齿轮摆辗变形机理进行了实验研究，获得了三维应变分布曲线，分析了上模 形状的不同对摆辗齿轮成形件变形程度的影响。 文献【18 4 8 】根据汽车后桥从动螺旋锥齿轮的锻件图设计并制造了预制坯和辗 压试验模具，铅试件辗压试验结果证明辗压成形工艺和模具设计的可行性。成 形试验和网格试验分别显示了齿形的充填过程和内部金属网格的变化趋势，揭 7 武汉理工大学硕士学位论文 示了从动螺旋锥齿轮辗压成形金属流动规律和应变分布状态，测试了螺旋锥齿 轮辗压力压下量曲线，提出了消除齿端充填不足的主要措施。 文献 4 9 - 5 0 1 利用实验的方法对铝、铜、钢等试件进行了摆辗挤压成形研究， 揭示了各种工艺参数对挤压高度和变形工件几何形状的影响规律，并提出了一 种简单的确定初始毛坯几何尺寸的方法。 1 2 2 3 有限元模拟研究 随着计算机技术和塑性理论的发展，有限元方法逐渐应用于金属塑性成形 领域研究。采用有限元法分析金属塑性成形过程比解析分析方法更精确和详细， 同时能避免实验方法所消耗的大量时间、人力和物力。目前有限元法在摆辗研 究领域已得到了的应用，成为摆辗研究的首选方法。 国内王广春【4 3 ，5 1 巧7 】用f o r t r a n 语言自行开发了套刚塑性有限元模拟软件对 环件冷摆辗成形过程进行了模拟，获得了变形环件速度场、等效应力和等效应 变等场量的分布规律，并提出了一种新的接触区金属流动模式。苑世剑 5 s - 5 9 和 刘钢 6 0 - 6 1 】利用刚塑性有限元模拟软件d e f o r m 3 d 模拟了法兰长杆件的摆辗成 形过程，并分析了其成形机理。刘钢 6 2 - 6 8 利用刚塑性有限元模拟软件 d e f o r m 3 d 模拟了圆柱件摆辗成形过程，并分析了“蘑菇”效应、“滑轮”效应和 盘类零件中心拉薄的形成机理。 文献 1 8 1 利用刚塑性有限元模拟软件d e f o r m 3 d 模拟了从动螺旋锥齿轮的 摆辗成形过程，得出了其成形过程的金属流动规律和变形力参数特征。此外， 文献 6 9 - 7 5 】也利用刚塑性有限元模拟软件d e f o r m 3 d 对其它零件的摆辗成形过 程进行了模拟。 武汉理工大学的华林和韩星会【7 6 - 8 1 】基于a b a q u s 通用有限元软件