（材料加工工程专业论文）齿轮轴热锻成形工艺数值模拟及实验研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：装聋监 e l 期：2 2 f q ：生垫 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 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 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：黼帜师签名髟膨日期：沪坩刀 目录 目录 摘要i a b s l 王乙c t i 第1 章绪论1 1 1 精密锻造概述一1 1 2 齿轮轴精密锻造一2 1 2 1 齿轮轴精密锻造介绍一2 1 2 2 齿轮轴精密锻造工艺3 1 2 3 齿轮及齿轮轴精密锻造研究进展6 1 2 4 齿轮轴精密锻造存在问题9 1 2 5齿轮轴精密锻造发展方向1o 1 3课题的提出l l 1 3 1问题提出1 1 1 3 2研究内容1 2 1 3 3研究方法与技术路线13 第2 章齿轮轴精密热锻成形数值模拟基本理论15 2 1 引言15 2 2 塑性成形过程研究方法16 2 3刚塑性有限元基本理论18 2 3 1刚( 粘) 塑性材料的基本假设1 8 2 3 2塑性力学基本方程及边值条件l9 2 3 3刚( 粘) 塑性材料的变分原理1 9 2 3 4摩擦边界条件2 1 2 3 5动态接触边界条件的处理2 2 2 3 6网格重新划分2 3 2 3 7温度场有限元模型2 3 山东大学硕+ 学位论文 2 4相关软件介绍2 4 2 4 1造型软件2 4 2 4 2数值模拟软件2 5 2 4 3绘图软件2 8 第3 章齿轮轴单工步精密成形数值模拟分析2 9 3 1研究模型确定及三维建模2 9 3 1 1确定模拟与实验研究模型2 9 3 1 2锻件及终锻模具三维模型建立3l 3 2单工步成形仞始坯料规格选择及数值分析建模3 l 3 2 1单工步成形初始坯料规格3 2 3 2 2数值分析建模3 2 3 3齿轮轴单工步等温成形过程分析3 3 3 3 1等温成形数值模拟参数设置3 3 3 3 2材料流动分析3 3 3 3 3成形力分析3 5 3 4齿轮轴单工步非等温成形过程分析3 5 3 4 1非等温成形数值模拟参数设置3 5 3 4 2材料流动分析3 6 3 4 3成形力分析3 7 3 5方案i i 等温成形与非等温成形对比3 7 3 5 1材料流动分析3 7 3 5 2成形力分析3 9 3 6齿轮轴非等温成形温度场分析3 9 3 6 1锻件温度场分析3 9 3 6 2模具温度场分析4 6 3 7 小结4 7 第4 章齿轮轴多工步精密成形数值模拟分析4 9 目录 4 1齿轮轴预成形件设计4 9 4 2 预成形件终锻成形性分析5 0 4 3齿轮轴多工步成形温度场分析5 2 4 3 1成形阶段温度场分析5 2 4 3 2 锻造结束时温度场分析5 4 4 4单工步与多工步成形对比分析5 9 4 4 1 材料流动对比5 9 4 4 2温度场分布对比5 9 4 4 3 成形力对比一6 0 4 5 小结6 1 第5 章热锻成形工艺参数对齿轮轴成形的影响6 3 5 1坯料初始温度6 3 5 1 1成形力分析6 4 5 1 2材料流动状况6 4 5 1 3最终温度分布6 5 5 2模具预热温度6 7 5 2 1成形力分析6 7 5 2 2材料流动状况6 8 5 2 3最终温度分布6 8 5 3凸模压下速度6 9 5 3 1成形力分析6 9 5 3 2材料流动状况7 0 5 3 3 最终温度分布7 1 5 4摩擦与润滑7 2 5 4 1 成形力分析7 2 5 4 2材料流动状况7 3 5 4 3最终温度分布7 3 5 5 小结7 4 山东大学硕士学位论文 第6 章齿轮轴成形实验研究7 5 6 1齿轮轴成形实验模具设计7 5 6 2铅质试样成形实验研究7 7 6 2 1铅试样实验条件7 7 6 2 2铅试样实验结果7 8 6 3钢质试样热锻成形实验研究8 0 6 3 1钢试样实验条件8 0 6 3 2钢试样实验结果8 0 6 4小结8 4 结论与展望8 5 结论一8 5 展望8 6 参考文献8 9 致谢9 5 i v c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i c h a p t e ri i n s t r u c t i o n 1 1 1p r e c i s i o nf o 哂n go v e r v i e w 1 1 2p r e c i s i o nf o r g l n go f g e a rs h a r 2 1 2 1i n t r o d u c t i o no f g e a rs h a f tp r e c i s i o nf o r g i n g 2 1 2 2p r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s s e so fg e a rs h a f t 3 1 2 3r e s e a r c ha c t u a l i t yo fg e a ra n dg e a rs h a f tp r e c i s i o nf o r g i n g 6 1 2 4p r o b l e m so f g e a rs h a f tp r e c i s i o nf o r g i n g 9 1 2 5 d e v e l o p m e n td i r e c t i o no f g e a rs h a f tp r e c i s i o nf o r g i n g 1 0 1 3 s u b j e c ts o u r c e s 11 1 3 1i s s u e sr a i s e d 11 1 3 2 t h er e s e a r c hc o n t e n t s 12 1 3 3r e s e a r c hm e t h o d sa n dt e c h n i c a ll i n e 13 c h a p t e r 1 it h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s i ct h e o r yf o rg e a rs h a f tp r e c i s i o nh o tf o r g i n g 15 2 1f o r e w o r d 15 2 2r e s e a r c hm e t h o d si nm e t a lf o r m i n gp r o c e s s 16 2 3t h eb a s i ct h e o r yo fr i g i d - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t 18 2 3 1t h eb a s i ca s s u m p t i o n so f r i g i d ( v i s c o ) - p l a s t i cm a t e r i a l s 18 2 3 2t h ef u n d a m e n t a le q u a t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o n so f p l a s t i cm e c h a n i c s1 9 2 3 3t h ev a r i a t i o np r i n c i p l eo f r i g i d ( v i s c o ) 一p l a s t i cm a t e r i a l s 1 9 2 3 4f r i c t i o nb o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 1 2 3 5 d y n a m i c c o n t a c tb o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 2 2 3 6g r i d s r e d i v i s i o n 2 3 2 3 7 f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t e m p e r a t u r ef i e l d 2 3 2 4i n t r o d u c t i o no f r e l a t e ds o f t w a r e 2 4 山东大学硕士学位论文 2 4 i m o d e l i n gs o f t w a r e 2 4 2 4 2s i m u l a t i o ns o f t w a r e 2 5 2 4 3 d r a w i n gs o f t w a r e 2 8 c h a p t e ri i in u m e r i c a ls i m u l a t i o no f g e a rs h a f ts i n g l e s t e pp r e c i s i o nf o r m i n g 2 9 3 1t h ea f f i r m e dr e s e a r c hm o d e la n dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g 2 9 3 1 1m o d e lf o rs 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 2 9 3 1 2t h ee s t a b l i s h m e n to f t h ef i n a lf o 晒n gd i e s t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l 31 3 2t h ei n i t i a lb i l l e ts i z es e l e c t i o na n dn u m e r i c a la n a l y s i sm o d e l i n gf o rs i n g l e s t e p f o r m i n gp r o c e s s e s 31 3 2 1t h ei n i t i a lb i l l e ts i z ef o rs i n g l e s t e pf o r m i n g p r o c e s s e s 3 2 3 2 2 n u m e r i c a la n a l y s i sa n dm o d e l i n g 3 2 3 3 s i n g l e s t e pi s o t h e r m a lf o r m i n gp r o c e s s e so f g e a rs h a f t 3 3 3 3 1t h e p a r a m e t e rs e t t i n g so fi s o t h e r m a lf o r m i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。3 3 3 3 2 a n a l y s i so f m a t e r i a lf l o w 3 3 3 3 3 a n a l y s i so ff o r m i n gf o r c e 3 5 3 4 s i n g l e - s t e pn o n i s o t h e r m a lf o r m i n gp r o c e s s e so f g e a rs h a f t 3 5 3 4 1t h ep a r a m e t e rs e t t i n g so f n o n - i s o t h e r m a lf o r m i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 5 3 4 2 a n a l y s i so f m a t e r i a lf l o w 3 6 3 4 3 a n a l y s i so ff o r m i n gf o r c e 3 7 3 5t h e c o m p a r i s o nb e t w e e ni s o t h e r m a lf o r m i n ga n dn o n i s o t h e r m a lf o r m i n go f p r o g r a mi i 3 7 3 5 1 a n a l y s i so f m a t e r i a lf l o w 3 7 3 5 2 a n a l y s i so f f o r m i n gf o r c e 3 9 3 6t h et e m p e r a t u r ef i e l dr e s e a r c ho f g e a rs h a f tn o n - i s o t h e r m a lf o r m i n g 3 9 3 6 1 a n a l y s i so ff o r g i n g st e m p e r a t u r ef i e l d 3 9 3 6 2 a n a l y s i so f m o l d s t e m p e r a t u r ef i e l d 4 6 3 7 c o n c l u s i o n 4 7 c h a p t e ri vn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f g e a rs h a f tm u l t i - s t e pp r e c i s i o nf o r m i n g 4 9 c o n t e n t s 4 1 d e s i g no ft h eg e a rs h a f tp r e f o r m e dp a r t s 4 9 4 2t h ef i n a lf o r g i n ga n a l y s i so f p r e f o r m e dp a n s 。5 0 4 3t h e t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i so fg e a rs h a f tm u l t i s t e pf o r m i n g 5 2 4 3 1t h et e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i si nt h ef o r m i n gs t a g e 5 2 4 3 2t h et e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i sa f t e rf o 哂n g 5 4 4 4 c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs i n g l e s t e pa n dm u l t i s t e pf o r m i n gp r o c e s s e s 一5 9 4 4 1 c o m p a r i s o no fm a t e r i a lf l o w 5 9 4 4 2 c o m p a r i s o no f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 5 9 4 4 3 c o m p a r i s o no f f o r m i n gf o r c e 6 0 4 5c o n c l u s i o n 6 1 c h a p t e rvt h ee f f e c t so f h o tf o 画n gp r o c e s sp a r a m e t e r so ng e a rs h a f tf o r m i n g 6 3 5 1t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo f b l a n k s 6 3 5 1 1 a n a l y s i so f f o r m i n gf o r c e 6 4 5 1 2m a t e r i a lf l o wc o n d i t i o n s 6 4 5 1 3f i n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 6 5 5 2m o l d p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e 6 7 5 2 1 a n a l y s i so f f o r m i n gf o r c e 6 7 5 2 2m a t e r i a lf l o wc o n d i t i o n s 6 8 5 2 3f i n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 6 8 5 3t h ep u n c hs p e e d 6 9 5 3 1 a n a l y s i so f f o r m i n gf o r c e 一6 9 5 3 2m a t e r i a lf l o wc o n d i t i o n s 7 0 5 3 3f i n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 7 1 1 ；4f r i c t i o na n dl u b r i c a t i o n 7 2 5 4 1 a n a l y s i so f f o r m i n gf o r c e 7 2 5 4 2m a t e r i a lf l o wc o n d i t i o n s 7 3 5 4 3f i n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 7 3 5 5c o n c l u s i o n 7 4 山东大学硕+ 学位论文 c h a p t e rv ie x p e r i m e n t a ls t u d y o fg e a rs h a f tf o r m i n g 7 5 6 1t h em o l dd e s i g no f g e a rs h a f tf o r m i n ge x p e r i m e n t 7 5 6 2t h ee x p e r i m e n ts t u d yo fl e a ds p e c i m e n sf o r m i n g 7 7 6 2 1 e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so f l e a ds p e c i m e n s ”7 7 6 2 2 e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f l e a ds p e c i m e n s 一7 8 6 3t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fs t e e ls p e c i m e n sh o tf o r g i n gf o r m i n g 8 0 6 3 1 e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so f s t e e ls p e c i m e n s 8 0 6 3 2 e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs t e e ls p e c i m e n s 8 0 6 4c o n c l u s i o n 8 4 c o n c l u s i o n sa n do u t l o o k s 8 5 c o n c l u s i o n s 8 5 o u t l o o k s ，8 6 r e f e r e n c e s 8 9 a c k n o w l e d g m e n t s 一9 5 i v 摘要 摘要 齿轮轴是通用机械特别是工程机械传动中的重要零件之一，其主要作用是支 撑回转零件，实现回转运动并传递转矩和动力，具备传动效率高，结构紧凑和使 用寿命长等一系列优点。传统的齿轮轴生产方式是先锻出阶梯轴，再利用切削加 工的方法得到齿形，浪费了大量材料和机加工工时，切削加工也降低了齿形部分 的力学性能。现在齿轮轴的生产方式已逐步由精密成形工艺取代切削加工，直接 锻出齿形，不仅节省了材料，还改善了齿轮轴的力学性能。 应用三维有限元数值模拟技术研究齿轮轴的精锻成形，可以获得变形全过程 的材料塑性变形行为、流动规律、温度变化、几何尺寸变化及成形件几何质量和 缺陷、模具载倚等，为工艺参数的选择和模具设计乃至在生产中应用此项工艺提 供详尽的技术资料和理论指导；应用数值模拟，可以缩短模具设计制造周期，提 高模具可靠性。 本文在u g 上实现齿轮轴锻件及热成形模具的三维造型；设计齿轮轴热锻成 形工艺方案，采用d e f o r m 软件对单工步成形及多工步成形进行模拟分析，单 工步成形时针对三种规格的初始坯料进行模拟，根据模拟结果所显示的成形状况 选择最佳坯料规格。根据锻件形状提出四种预成形形状，进行多工步成形模拟分 析。综合分析，选择最佳成形：【艺方案。 分别进行等温成形与非等温成形的有限元模拟，分析温度因素对成形情况的 影响，总结出非等温成形时锻件及模具温度场分布规律。改变坯料初始温度、模 具预热温度、压下速度及摩擦因子等，分析这些工艺因素对齿形填充情况、成形 力及模具受力状况的影响，给出满足齿轮轴热锻成形要求的工艺方案及模具结构。 根据数值分析结果，设计并n - r 齿轮轴热锻成形实验模具，在液压机上进行 铅质试样等温锻造及钢质试样非等温锻造实验。实验结果与数值模拟对比分析表 明数值模拟与实验结果吻合较好，验证了数值模拟结果的可靠性。在数值模拟和 实验研究的基础上，对实用化工艺提出了具有指导意义的建议。 关键词：齿轮轴；精密锻造；有限元数值模拟；实验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t g e a rs h a f t ，w h o s em a i nr o l ei st os u p p o r tt h er o t a t i n gp a r t st oa c h i e v er o t a r y m o t i o na n dt r a n s f e rt o r q u ea n dp o w e rw i t hh i g ht r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y , c o m p a c t s t r u c t u r ea n dl o n gl i f e ，i so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t si n g e n e r a l p u r p o s em a c h i n e r y , e s p e c i a l l yi nt h ee n g i n e e r i n gm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n t h et r a d i t i o n a l p r o d u c t i o n m o d eo f g e a rs h a f ti st of o r g eas t e p p e ds h a f tf i r s t ，a n dt h e nu s et h ec u t t i n ga p p r o a c ht o f o r mt e e t h ，w a s t i n gal o to fm a t e r i a l sa n dm a c h i n i n g m a l l h o u r s ，a l s oc u r i n gr e d u c e s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et o o t hp a r t n o wg e a rs h a f t m a c h i n i n gp r o d u c t i o n m o d eh a sb e e ng r a d u a l l yr e p l a c e db yt h ep r e c i s i o nf o r m i n gt e c h n o l o g yw i t ht e e t h f o r g e dd i r e c t l y , s om a t e r i a l sa r es a v e d ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg e a rs h a f ta r e i m p r o v e d u s i n gt h r e e 。d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o s t u d yt h e p r e c i s i o nf o r g i n go fg e a rs h a f t ，w ec a ng e tt h ew h o l ep r o c e s so fp l a s t i cm a t e r i a l s d e f o r m a t i o nb e h a v i o r , f l o wp a t t e r n ，t e m p e r a t u r e c h a n g e s ，g e o m e t r yc h a n g e s ，t h e g e o m e t r i cq u a l i t ya n dd e f e c t so ff o r m e dp a r t s ，m o l dl o a da n ds oo n ，p r o v i d i n gd e t a i l e d t e c h n i c a li n f o r m a t i o na n dt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o r t h ep r o c e s s p a r a m e t e r ss e l e c t i o n ，d i e d e s i g na sw e l la st h ep r o d u c t i o na p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g y n o to n l ym o l dd e s i g n a n dm a n u f a c t u r i n gc y c l ec a nb er e d u c e db u ta l s od i er e l i a b i l i t yc a nb ei m p r o v e dw i t h t h ea p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go f g e a rs h a f tf o r g i n ga n dh o tf o r m i n g m o l da rem a d ei nu g ；t h e nt h ep r o g r a m so fg e a rs h a f tf o r g i n gf o r m i n gp r o c e s sa r e d e s i g n e d a f t e rt h a t ，t h r e es i n g l e - s t e pf o r m i n gp r o g r a m sa n df o u rm u l t i s t e pf o r m i n g p r o g r a m sa les i m u l a t e di nd e f o r ms o f t w a r e ，s ot h eb e s tb i l l e ts p e c i f i c a t i o na n dt h e b e s tf o r m i n g p r o c e s sp r o g r a ma r ea v a i l a b l e t h r o u g has e r i e so fi s o t h e r m a la n dn o n - i s o t h e r m a lf o r m i n gf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n s ，t h ep a p e ra n a l y z e st h et e m p e r a t u r e si m p a c to nt h ef o r m i n gc o n d i t i o n s ， 山东大学硕十学位论文 s u m su pt h e t e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o nr u l e so ff o 晒n ga n dd i e sw h e n n o n i s o t h e r m a l f o r g i n g s a r ef i n i s h e d t h r o u g ha na l t e r a t i o no ft h ei n i t i a lb i l l e t t e m p e r a t u r e s ，d i ep r e h e a tt e m p e r a t u r e s ，p r e s s i n gs p e e d sa n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t s i n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，t h ei m p a c tr u l e so ft h e s ef a c t o r so nt h et o o t hf i l l i n gp r o c e s s c o n d i t i o n s ，f o r m i n gf o r c ea n dt h em o l df o r c ea r ea n a l y z e d ，t h e nt h eo p t i m a lp r o c e s s p r o g r a ma n d d i es t r u c t u r eo ft h eg e a rs h a f th o tf o r m i n ga r eg i v e n b a s e do nt h en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l t s ，g e a rs h a f th o tf o r g i n gm o l d sa r ed e s i g n e d a n dp r o c e s s e d ，t h e ni s o t h e r m a l f o 晒n ge x p e r i m e n t s o fl e a d s p e c i m e n s a n d n o n i s o t h e r m a lf o r g i n ge x p e r i m e n t so fs t e e ls a m p l e sa r ec a r r i e do u ti nt h eh y d r a u l i c p r e s s t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s h o w st h a tt h e ya g r e e