（车辆工程专业论文）汽车起动机减速轴精密成形过程仿真及应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 减速轴是汽车起动机的关键零件，在汽车启动时起传递转矩和动 力的作用。其一端为盲孔内渐开线齿轮，另一端为带有螺旋花键的传 动杆，加工过程非常复杂。传统的内齿轮加工工艺，要求有足够的空 间进行退刀，零件中会留有退刀槽，不适合减速轴的加工。目前国际 上先进的内齿轮加工工艺是挤压工艺，该工艺具有金属切削余量小， 生产效率高，制品质量稳定，机械性能好的特点，能适应汽车工业大 批量、高效优质、低成本生产的要求。将此挤压工艺引入到汽车起动 机减速轴内齿轮的生产中，将是一个非常高效的方法，也是消除盲孔 内退刀槽的首选方案。研究关于该工艺的现代设计方法，引入c a e 理 论，对金属成形过程进行模拟和仿真，能够有效降低产品的开发成本， 缩短研制周期，提高产品的质量和可靠性。 本文在全面理解精密成形的相关知识和冷挤压加工工艺后，针对 汽车起动机2 7 5 减速轴，进行如下研究和分析： 1 ) 对减速轴进行结构特征研究，据此进行模具结构设计与计算， 并确定工艺流程，制定减速轴内齿轮净成形的高效精密成形技术及工 艺方法； 2 ) 利用刚( 粘) 塑性有限元法基本原理，建立减速轴有限元模 型，并进行成形过程仿真，以装机试验来验证模型的正确性、模具结 构的实用性及成形工艺设计的合理性； 3 ) 对仿真结果进行分析，得到成形过程中金属的流动规律，应 江苏大学硕士学位论文 力、应变、金属流动速度的分布情况以及行程载荷曲线，确定成 形过程的稳定性；改变模具结构参数、齿轮结构参数及润滑条件并进 行多次仿真，考察各种参数对金属流动和挤压力的影响，以此确立影 响成形的主要参数； 4 ) 采用正交试验方法，对影响减速轴成形的主要因素进行组合 仿真，进一步优化模具结构和工艺步骤，并进行经济效益和社会效益 评价，批量生产； 5 ) 在模具结构优化的基础上，研究成形过程中模具的磨损情况， 计算模具寿命；针对试模中出现的缺陷，分析其影响因素，寻求解决 方案。 本文是江苏省苏北科技创新引导资金项目汽车起动机减速 轴精密锻件产业化开发( 编号：b n 2 0 0 8 0 1 6 ) 。开展汽车零部件冷温 锻件精密成形过程理论及应用研究，可大大提升企业精密锻件的设计 和制造水平，克服设计和制造中的盲目性，优化产品成形工艺和模具 结构。由于精密塑性成形较传统切削加工可降低制造成本3 0 ，节约 材料和能源2 0 3 5 。因此，在强调减少资源消耗、建设节约型社会的 今天，具有非常重要的意义。 关键词：渐开线内齿轮；冷挤压；刚( 粘) 塑性有限元法；模 具设计优化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p e e d - r e d u c e rs h a f ti st h ek e yp a r tt oa l la u t o m o t i v es t a r t e r i tt r a n s f e r st o r q u e a n dp o w e rw h e nt h ec a rs t a r t s o n ee n di sap r o p e l l e rs h a f t 丽t hs p i r a ls p l i n eo ni t ，a n d t h eo t h e re n di sa ni n n e ri n v o l u t eg e a ri nb l i n dh o l e ，w h i c hh a sav e r yc o m p l i c a t e d m a c h i n i n gt o o l i n g w i t h i nt h et r a d i t i o n a lg e a rm a c h i n i n gp r o c e s s ，a d e q u a t es p a c ei s r e q u i r e df o rr e t r e a tk n 疵t o o lw i t h d r a w a lg r o o v ew i l lb el e f ti nt h eb l i n dh o l e s oi ti s n o ts u i t a b l ef o rm a c h i n i n gt h es h a f t a st h ee x t r u s i o np r o c e s si st h ec u r r e n t i n t e r n a t i o n a la d v a n c e dg e a rm a c h i n i n gp r o c e s s ，i t sa d v a n t a g e sa r ea sf o l l o w s ：t h e m e t a lc u t t i n gm a r g i ns m a l l ，h i g he f f i c i e n c yi np r o d u c t i o n ，g o o dq u a l i t ya n dg o o d m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e i tc a nb ep e r f e c t l ya d a p t e dt ot h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yw i t h b a t c hp r o d u c t i o n ，h i 曲- q u a l i t ya n dl o w - c o s tr e q u i r e m e n t s b a s e do nt h i s ，t h e t e x t r u s i o np r o c e s si si n t r o d u c e dt ot h es p e e d - r e d u c e rs h a f tp r o d u c t i o n n o to n l yi ti sa v e r ye f f i c i e n tw a y , b u ti s t h ef i r s tc h o i c et oe l i m i n a t et o o lw i t h d r a w a lg r o o v e r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fm o d e md e s i g nm e t h o d s ，i n t r o d u c t i o no fc a e t h e o r yo f m e t a lf o r m i n ga n dm e t a lf o r m i n g p r o c e s ss i m u l a t i o n ，c a ne f f e c t i v e l y r e d u c e p r o d u c t i n gc o s t sa n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t ya n d r e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , w i t l lac o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go fr e l e v a n tk n o w l e d g ea b o u t p r e c i s i o nf o r m i n ga n dc o l de x t r u s i o np r o c e s s ，s o m er e s e a r c h e sa n da n a l y s i sh a v eb e e n c a r r i e do u t t a k i n g2 7 5s p e e d - r e d u c e rs h a f ta sa ne x a m p l e ，t h er e s e a r c h e sa r ea s f o l l o w s ： 1 ) s t u d e dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es h a f t ，t h e nd i ds o m ec a l c u l a t i o nf o r t h em o l dd e s i g n e da n dd e t e r m i n e dt h en e t s h a p i n gf o r m i n gp r o c e s so ft h ei n n e r i n v o l u t eg e a r , a n dt h e nd e v e l o p p e dt h eg e a rh i g h - p e r f o r m a n c et e c h n o l o g ya n d m e t h o d s ； 2 ) u s i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e so fr i g i d ( v i s c o ) - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h e s h a f tf i n i t ee l e m e n tm o d e lw e r ee s t a b l i s h e da n dt h ef o r m i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nw a s c a r d e do u t t h e ni n s t a l l e dt h em o d e la n dd i ds o m et r a i l si no r d e rt ot e s tt h e c o r r e c t n e s so fm o d e l ，p r a c t i c a l i t yo fd i es t r u c t u r ea n dr a t i o n a l i t yo ft h ef o r m i n g m 江苏大学硕士学位论文 p r o c e s s ； 3 ) t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，s u c ha sm e t a lf l o wl a w , s t r e s s ，s t r a i na n dt h em e t a l f l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na sw e l la ss t r o k e - l o a dc u r v e ，w e r ea l lo b t a i n e di nt h em e t a l f o r m i n gp r o c e s s t h e yc o u l dd e t e r m i n et h es t a b i l i t yo ft h ef o r m i n gp r o c e s s b a s e do n s o m ec h a n g e si nm o l ds t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，g e a rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dl u b r i c a t i o n c o n d i t i o n s ，an u m b e ro fs i m u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e dt os t u d yv a r i o u sp a r a m e t e r so n m e t a lf l o wa n dl o a dp r e s s u r e ，t h e r e b yt h em a i np a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ef o r m i n g p r o c e s sw e r ee s t a b l i s h e d 4 ) u s i n go r t h o g o n a l t e s t m e t h o d ，s i m u l a t i o n s w e r ee s t i b i l i s h e dw i t ht h e c o m b i n a t i o no fm a i np a r a m e t e r s t h i ss u b j e c t e dt of u r t h e ro p t i m i z e dt h em o l d s t r u c t u r ea n dp r o c e s s ，t h e ne c o n o m i ca n ds o c i a le v a l u a t i o nw e r em a d ef o rm a s s p r o d u c t i o n 5 ) b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no ft h em o l ds t r u c t u r e ，d i ew e a rw a ss t u d i e da n dd i e w e r ea n a l i z e da n ds o l u t i o n sw e r ef o u n d t h i sa r t i c l ei sb a s e do no n ep r o j e c t ：j i a n g s up r o v i n c e ，n o r t h e r nj i a n g s us c i e n c e l i f ew a sc a l c u l a t e d a i m i n ga td e f e c t so c c u r r i n gi nt h et r i a l s ，t h ei m p a c t so ff a c t o r s a n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o nf u n da r o j e c t _ 坷】ei n d u s t r i a ld e v e l o p m e n to fp r e c i s i o n f o r m i n gf o rs p e e d - r e d u c e r s h a f ti ns t a r t e r s ( d ：b n 2 0 0 8 0 1 6 ) c a r r y i n go u tt h et h e o r y r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no na u t op a r t sp r e c i s i o nf o r m i n gp r o c e s sc a ng r e a t l ye n h a n c e t h ep r e c i s i o nf o r m i n gb u s i n e s so fd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gl e v e l ，o v e r c o m et h e b l i n d n e s si nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，a n do p t i m i z et h ep r o d u c tf o r m i n gp r o c e s s a n dd i es t r u c t u r e a st h ep r e c i s i o nf o r m i n g , c o m p a r i n gw i t hc o n v e n t i o n a lm a c h i n i n g ， c a nr e d u c e3 0 o fm a n u f a c t u r i n gc o s t s ，a n ds a v em a t e r i a l sa n de n e r g y2 0 3 5 ，i th a s v e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et o d a yi nw h i c ht h er e d u c t i o no fr e s o u r c ec o n s u m p t i o ni s e m p h a s i z e da n dac o n s e r v a t i o n o r i e n t e ds o c i e t yi sb u i l t k e yw o r d s ：i n n e ri n v o l u t eg e a r ；c o l de x t r u s i o n ；r i g i d ( v i s c o ) 一p l a s t i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；m o l dd e s i g no p t i m i z a t i o n i v 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鲧酶呵 日期：b j 年il 月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密函 学位敝储虢糸挪舯教师硌羔易乃 d 1 年f 1 月9e t口7 年肛月f7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着科技发展，锻造成形工艺面临着巨大的挑战，各行业对锻件质量和精 度的要求越来越高，生产成本要求越来越低。这就要求设计人员在尽可能短的 时间内设计出可行的工艺方案和模具结构。但目前锻造工艺和模具设计，大多 仍然采用实验和类比的传统方法，不仅费时而且锻件的质量和精度很难提高。 随着有限元理论的成熟和计算机技术的飞速发展，运用有限元法数值模拟进行 锻压成形分析，在尽可能少或无需物理实验的情况下，得到成形中的金属流动 规律、应力场、应变场等信息，并据此设计工艺和模具，已成为一种行之有效 的手段。 目前，世界著名的汽车制造企业如：大众、宝马以及雷诺等公司都已将汽 车零部件成形过程的数值模拟作汽车零部件设计过程中的一个标准工具，数值 模拟分析技术在这些公司中已成为提高精密锻件质量、减少次品率及降低汽车 成本的重要手段。国内企业在汽车车身覆盖件冲压工艺c a d 和冲压件成形过程 的计算机模拟已开始普及，对缩短生产准备时间，提高冲压件质量有着明显的 作用。但与国外相比，具有较大的差距。 2 0 0 0 年、2 0 0 4 年、2 0 0 5 年及2 0 0 7 年国家发改委、科学技术部、商务部等 部门发布的优先发展的高技术产业化重点领域指南及国家中长期科学和 技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 中都明确了精密塑性成形技术在当今经济 发展中的重要地位和迫切需求。开展基于知识工程的汽车冷温锻件精密成形过 程理论及应用研究，不仅能充分利用企业的知识资产，进而实现对这些资产有 效继承和管理；同时还将大大提升企业精密锻件的设计和制造水平，克服设计 和制造中的盲目性，优化产品成形工艺和模具结构。由于精密塑性成形较传统 热锻切削加工可降低制造成本3 0 ，节约材料和能源2 0 - 3 5 。因此，在强调减 少资源消耗、建设节约型社会的今天，是提升国内汽车零件制造业国际竞争力 的重要途径。 江苏大学硕士学位论文 1 2 课题研究的意义 本课题针对目前该领域的研究热点，基于通用数值模拟软件，在完成单品 种、小批量生产试验的基础上，建立符合大批量、多品种生产实际需要并满足 不同型号汽车起动机减速轴精密成形计算机仿真分析模型；通过对材料成形流 动的分析，预测成形过程中可能发生的缺陷、通过对模具应力场的分析预测模 具寿命，并对成形工艺和模具结构的改进提供重要参考，最终达到节省试验成 本和缩短试验周期的目的。 由于国内企业缺少汽车起动机减速轴精密锻造配套能力，多数汽车制造企 业使用的汽车发动机行星减速起动电机中盲孔内齿轮工艺流程繁琐，操作复杂， 耗材多，生产成本较高，抗冲击能力低，品质远不及通过精密成形加工而成的 汽车起动机减速轴。因此该项目的实施将进一步缩短和国外的技术差距，具有 明显的经济和社会效益。 1 3 国内外研究现状 冷挤压加工属于金属塑性成形范畴，针对塑性成形问题，人们提出了多种 理论解法，如“主应力法 、“滑移线法、“上限法”、“下限法等。但由于这 些解法都有一定的适用范围，不能处理复杂的成形过程，因此应用受到一定的 限制。近年来，随着计算机技术的迅速发展，有限单元法在塑性成形领域得到 广泛应用，成为求解金属变形过程中应力、应变、温度等的分布规律，进行模 具受力分析及预测金属成形缺陷的重要工具之一。中外学者对应用有限元法分 析挤压过程做了大量的探索。如：孙曙宇、傅建和谢彬n3 做了锻造成形有限元数 值模拟技术研究。他们以某汽轮机叶片热塑性成形模拟实验为例，利用d e f o r m 3 d 软件，进行模具工作状态分析。采用多工步热模锻，重点分析了模具的应力、 应变场及温度场，由此得出了模具容易损伤的部位为：叶根部位的温度、应力 较高，而与叶冠、叶根过渡区接触的模腔部位温度最高，因而此处是模具最容 易受损的部位。并分析了有效的改进措施：在工艺允许的范围内，与叶根、叶 冠过渡区接触的模腔部位圆角半径取得较大值。杨春、盛志刚、王华昌瞳1 做了提 高自由镦粗成形质量的工艺方法与有限元模拟的研究。在文章中，讨论了各种 提高镦粗成形质量的工艺方法，分析不同扭压复合加载成形过程并比较这些方 2 江苏大学硕士学位论文 法的优缺点。并提出了比较新颖的观点：扭压复合加载通过把摩擦力转化成促 进金属流动的主动力，来提高金属流动性。在实践检验中，运用d e f o r m 3 d 软件 模拟了a 1 2 0 1 7 在室温下的扭压复合加载变形过程，证明此方法有利于减小镦粗 鼓形和变形力，提高变形均匀性。陈莹莹、冯文杰口1 也做了相关的研究，摩托车 发动机用花键冷挤压的有限元分析。采用金属成形有限元分析软件d e f o r m 3 d ， 模拟了在不同入模半角下，j h 7 0 摩托车发动机主轴的矩形花键冷挤压成形过程， 得出了在冷挤压过程中，金属的塑性流动主要位于形成花键齿的过渡区域及引 导区域；塑变区的最大等效应力只与材料的性质有关；入模半角随着角度的增 加，金属流动阻力加强，成形难度加大，成形力增加的结论。并且指出在入模 口处，由于引导区无法约束金属的径向流动，而形成金属堆积现象，导致成形 加工失败。赵茂俞、薛克敏、李萍、弭光宝、王清瑞等h 1 联合研究了形状相似 性法的圆柱斜齿轮冷锻数值模拟。用三维有限元仿真软件d e f o r m 3 d 数值模拟圆 柱斜齿轮的闭式冷锻过程，提出了锻件毛坯与齿轮形状相似性冷锻法，既可以 改善锻件的成形质量，同时锻坯中心孔分流，可降低成形力。王海平、张耀宗、 林雪等瞄1 等也做了相似研究，轿车差速器齿轮精密成形的有限元数值模拟。他们 采用冷摆辗方法来成形轿车差速器半轴齿轮毛坯，利用三维有限元软d e f o r m 3 d 对成形过程进行模拟，得到成形过程的金属流动、充填规律以及力学量场分布 情况，并通过实验来验证模拟结果，为模具设计和制造提供参考。李传彪、胡 建华、朱彦生、秦建军等阳1 做了锥齿轮挤压成形弹塑性有限元数值模拟。利用 p r o e 建立三维挤压有限元模型，采用三维大变形弹塑性有限元法对齿轮挤压的 塑性成形过程进行了模拟，分析了成形过程中齿轮齿形的填充情况、金属流动 速度场以及等效应变与等效应力分布，获得了直齿圆锥齿轮的挤压变形规律与 参数。王科、武金有口1 做了研究圆柱齿轮镦挤成形的模拟研究。应用大型非线性 有限元软件m s c m a r c 对齿轮镦挤成形过程进行数值模拟，并对计算结果进行简 单的分析，为设计人员提供设计参考。薛勇、张治民、王科徊1 做了类似研究，圆 柱齿轮镦挤成形约束分流的数值模拟。借助m s c s u p e r f o r m 软件对圆柱齿轮镦 挤成形中的约束孔分流、约束轴分流的成形过程进行了三维有限元模拟，分析 变形过程中一些有代表性的状态点的速度云图、应力云图以及载荷曲线，得到 成形过程中一些瞬间点的状态云图。仇明侠、张治民、张宝红呻1 研究了齿轮温挤 3 江苏大学硕士学位论文 精密成形工艺数值模拟。为了降低齿轮的成形力，在研究闭式镦挤成形齿轮法 的基础上，提出了一种新的直齿圆柱齿轮温挤径向导流约束分流两步成形 工艺方案。采，甘= 三维大变形弹塑性有限元法对以闭j 1 = 镦挤和以温挤径向导流一 约束分流两步成形方式的成形情况进行了数值模拟分析，得到了新工艺成形过 程的应力分布图以及载荷形成曲线。数值分析结果表明：约束分流成形与闭 式成形相比可明显降低成形力，有利于金属的流动，保证了齿形充填良好，改 善模具受力条件，提高成形工件的质量。李传民、束学道、胡正寰n 叫研究了楔 横轧多楔f l a u 铁路车轴可行性有限元分析。采用d e f o r m 3 d 有限元软件，建立楔 横轧多楔轧制铁路r d 2 车轴有限元模型，进行多楔轧制过程有限元仿真，通过 分析三楔同时楔入成形r d 2 轴的金属流动规律、轧件内部应力状态情况等，进 一步阐明楔横轧多楔轧制铁路车轴的可行性。他们的分析结果为实现铁路车轴 高效化、节能化、专业化生产提供了理论依据。王顺成、陈彦博、刘相华、温 景林n 妇研究了半固态挤压扩展成形过程金属流动规律的有限元分析。利用有限 元法对半固态连续挤压扩展成形过程中扩展腔内的金属流动规律进行模拟，得 到了不同模具设计参数下的金属流动规律。结果表明，高固相率半固态金属浆 料以层流方式填充模具，扩展腔内半固态金属浆料流动速度从扩展腔中心区域 向两边侧壁逐渐减小。在合理的模具设计条件下，可以实现半固态连续挤压扩 展成形。 国外的a g m a m a li s 采用隐式有限元软件m a r c 和显式有限元软件d y n a 3 d ， 分别计算了一个三维斜齿轮的精锻过程，并给出了对比结果；v o l k e r s z e n t m i h a li 和k 1 a n g e 用f o r g e 3 对斜齿轮的三维锻造过程进行了模拟计算。 t h i e e r yc o u p e z 用f o r g e 3 模拟了三叉轴的三维锻造过程。c h i n t a r nk w a n n 2 1 分析了用不锈钢管锻造球阀的成形过程。并对两种方法做了比较：t u b e h y d r o f o r m i n gm e t h o d ( t h f m ) 和t u b en o s i n gm e t h o d ( t n s m ) 。运用d e f o r m 3 d 仿真了在室温下两种成形的静水压力、t h m f 的轴向进刀、t n s m 的凸模速度以及 它们分别对工件的成形性能和壁厚及分布的影响，得出t n s m 是适合工业生产的 结论，并分析了原因。c o n o rm a c c o r m a c k ，o h nm o n a g h a n n 3 1 以航天器关进器的 花键轴为例，介绍了冷成形锻造过程。花键轴的几何形状比较复杂，工件材料 为t i 一6 a l 一4 v ，终成形是一个正挤压和反挤压一起进行的复杂几何过程。在坯 4 江苏大学硕士学位论文 料预制的前两个阶段，由于坯料是轴对称几何体，可以运用有限元的二维模型 来模拟。而在第二阶段到第三阶段的过程中，需要将二维模型中的压力场转化 为三维模型中的压力，才能进行第三阶段的模拟仿真。在后处理中，通过分析 三个阶段的压力，破坏和金属流的运动，更进一步了解金属成形的过程。 b t t a n g ，z z h a o ，y w a n g n 4 1 研究了冲裁一焊接件t a i l o r w e l d e db l a n k s ( t w b s ) 在汽车工业中的应用。在冲裁焊接件中，确定焊接缝的位置并预测其在成形过 程中的变形规律是非常重要的的。文章首先建立了t w b s 的一步有限元分析模型， 然后设定工件与模型的接触条件和成形力的控制，最后以成形极限图f o r m i n g l i m i td i a g r a m ( f l d ) 的形式确定描述了壁厚的减少规律和破坏情况，分析了壁 厚的增加和褶皱的产生。s w a d e s hk u m a rs i n g h ，a m r i td i x i t ，d r a v ik u m a r n 5 3 以金属板料拉深成形为例，描述了采用改进的模具使得限制拉深比与传统的模 具相比有了很大的提高，并且改进的模具，克服了坯料在成形过程中易于形成 褶皱的现象。作者运用l s d y n a 分别模拟了使用传统模具和改进模具的拉深件 的加工工艺，分析改进后的模具的优点和对加工件的影响，确定改进后的模具 是合适的，可以应用于实际生产中。z q s h e n g ，m s t r a z z a n t i n 刚研究了不同 要求的汽车车灯后罩的成形工艺过程，并运用有限元分析软件对其进行分析， 得出优化工艺过程。w 一f z h u ，z - q l i n ，x - m l a i ，a 一h l u o n 7 1 阐述了有限 元法在分析板材焊接工艺中的应用，并以汽车车门板材的凸焊为例，介绍了其 仿真分析过程，为板材成形的复杂性难以控制问题提供了简单的解决方法。 r u s h a b hjv o r a ，m o h a m m e das h e i k h n 町介绍了用于金属成形的有限元方程的建 立及其解法，叙述了d e f o r m 3 d 由二维模拟向三维建模模拟的发展，及其要求的 安装环境。以道钉成形为例，介绍了此软件的使用过程。在后处理过程中，作 者分析了挤压结束后的温度曲线图，和加载曲线，工件的有效应力场、模具的 应力分布。 综合以上研究，对盲孔内齿形净成形工艺和反挤压径向分流成形技术的研 究非常少，因此本课题具有非常重要的研究意义。 1 4 本文研究的主要内容 文章是江苏省苏北科技创新引导资金项目，以汽车起动机2 7 5 减速轴为例， 研究其成形过程和挤压工艺，内容主要包括： 5 江苏大学硕士学位论文 1 ) 对零件进行结构分析，确定材料的选择，据此进行相应的计算并设计模 具结构，确定合适的工艺流程，制定减速轴内齿轮高效的净成形技术及工艺方 法： 2 ) 利用刚( 粘) 塑性有限元法基本原理，建立减速轴有限元模型，设置成 形过程中的工艺参数，并进行成形过程仿真；实施装机试验，验证模型的正确 性、模具结构的实用性和成形工艺设计的合理性； 3 ) 对仿真结果进行分析，得到成形过程中金属的流动规律，应力、应变、 金属流动速度的分布情况以及行程载荷曲线，确定成形过程的稳定性；改 变模具结构参数、齿轮结构参数及润滑条件并进行多次仿真，考察各种参数对 金属流动和挤压力的影响，以此确立影响成形的主要参数； 4 ) 采用f 交试验方法，对影响减速轴成形的主要因素进行组合仿真，进一 步优化模具结构和工艺步骤，并进行经济效益和社会效益评价，批量生产； 5 ) 在模具结构优化的基础上，研究成形过程中模具的磨损情况，计算模具 寿命：针对试模中出现的缺陷，分析其影响因素，寻求解决方案。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题研究的意义和背景，之后对精密成形技术在国内外发 展的现状进行了分析，认识到盲孔内齿形净成形工艺和反挤压径向分流成形技 术的研究在国内几乎为空白，国外研究的也比较少，因此本课题具有重要的研 究意义和广阔的发展空间。项目的实施，对促进国内汽车零部件企业的发展， 减少与发达国家的差距，提升自身的竞争力，具有巨大的实用价值。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章金属塑性成形技术 2 1 金属塑性成形技术 2 1 1 金属塑性成形技术 金属塑性成形技术是指金属坯料在工模具的外力作用下发生塑性变形，并 被加工成棒材、板材、管材以及各种机器零件、构件或日用器具等技术。 金属塑性成形的种类很多，分类方法目前还不统一。按照成形的特点，一 般把塑性加工分为轧制、拉拔、挤压、锻造和冲压五大类。每类又包括多种多 种加工方法，形成各自的工艺领域。在轧制、拉拔和挤压的成形过程中，变形 区域是不变的，属稳定的塑性流动过程，适于连续的大量生产，提供型材、板 材、管材和线材。金属塑性成形技术在工业生产中分为：自由锻、模锻、板料 冲压、挤压、拉拔、s l n 等工艺方法。 塑性成形加工的作用、特点n 町主要有：( 1 ) 塑性成形可将金属坯料内的疏 松和空洞性缺陷压实，提高其性能和质量；( 2 ) 塑性成形引起再结晶，从而改 变金属坯料铸态晶粒和偏析状态，改善金属坯料组织结构；( 3 ) 在塑性成形过 程中，通常采用各种模具型腔，可制造各种形状的构件；( 4 ) 生产效率高、原 材料消耗少。 金属塑性加工作为金属加工的一种重要工艺方法，广泛地用于工业制造中， 全世界7 5 的钢材经过塑性加工，在汽车行业生产锻件和冲压件的数量约占零 件总数的6 0 以上，在冶金、航空、船舶和军工等工业生产行业也占有相当比 重。近几十年来，塑性加工工业得到了前所未有的新发展，新工艺、新技术、 新设备和新产品层出不穷。其中，以净成形( n e ts h a p e ) 和近似净成形( n e a r n e ts h a p e ) 加工为目标的精密塑性成形技术的发展较为迅速，各种冷锻、温锻、 精密锻造、精密冲裁等技术正在得到应用，例如国外精锻齿轮、齿轮轴、同步 环、等速万向节公差0 0 2 m m ，质量偏差_ - - - t - 3 9 ，生产效率为2 0 0 0 件h ，每副模 具的平均寿命达1 2 。1 3 万件，具有显著的市场竞争力啪3 。由于在经济上和技术 上的重要性，金属塑性加工技术己经成为衡量世界各国制造工业水平的一项重 要指标。因此，目前世界各国在金属塑性加工的工艺和理论两个方面都不断进 7 江苏大学硕士学位论文 行广泛而深入的研究。 金属精密成形技术是金属塑性成形技术中的主要组成部分，也是提高资源 利用率、降低消耗的有效工业生产途径。 2 1 2 金属精密成形技术 精密成形，是指采用锻压、流动成形、回转成形、闭塞锻造、挤压等各类 金属塑性成形技术，将坯料在模具中一次或多次成形为最终产品的过程。精密 成形方法制造出的零件可以尽量接近最终形状，可以最大限度的减少机械加工 量，提高生产效率，达到既节约原材料和能源，又提高产品品质和外观的目标。 传统机械零件的加工，首先要制造毛坯，再经切削、磨削等工序，才能得 到符合设计要求的产品。毛坯到产品的传统加工方法，材料、能源、时间的消 耗都很大，还会产生大量的废屑、废液及噪声污染。而精密成形技术可极大的 改变这种状况。 精密成形技术是现代技术( 计算机技术、新材料技术、精密加工与测量技 术) 与传统成形技术( 铸造、锻压、焊接、切割等) 相结合的产物。不仅可以 提高材料的利用率，减轻污染，还可使构件材料获得传统方法难以获得的化学 成分与组织结构，从而提高产品的质量与性能。精密成形技术是生产高技术产 品( 如计算机、电于、通讯、宇航、仪表等产品) 的关键技术。 精密成形技术包括：精密铸造、精密锻压、精密热塑性成形、精密焊接与 切割。这些技术广泛地应用于汽车、洗衣机、家电、电器等产品关键件的生产， 如进( 排) 气管、转向节、精密连杆及复杂轮廓件( 如汽车车身) 的制造。 精密成形的发展趋势是：产品的复杂化、精密化和质量优化；工艺设计的 模拟化、准确化；模具模样设计制造技术的c a d c a m 一体化。目前某些中小零 件的精密成形己达到不经切削加工或加工余量极小。国际机械加工技术协会预 测，下世纪初，精密成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加 工。 挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。 2 1 3 挤压 挤压乜妇是指对挤压模具中的金属坯料施加强大的压力作用，使其发生塑性 8 江苏大学硕士学位论文 变形从挤压模具的模口中流出，或充满凸凹模型腔，从而获得所需形状与尺寸 制品的塑性成形方法。 挤压具有如下的特点： ( 1 ) 三向压应力状态，能充分提高金属坯料塑性。 ( 2 ) 挤压法可以生产出断面及其复杂的或具有深孔、薄壁以及变断面的零 件。 ( 3 ) 可以实现少、无屑加工，一般尺寸精度为i t 8 一i t 9 ，表面粗糙度r a 为 3 2 - 0 4um 。 ( 4 ) 挤压变形后两件内部的纤维组织连续，基本沿零件外形分布而不被切 断，从而提高了零件的力学性能。 ( 5 ) 材料利用率、生产率高；生产方便灵活，易于实现生产过程的自动化。 挤压方法的分类： ( a ) 根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，常用的挤压方 法可以分为以下几类： 1 ) 正挤压。挤压时，金属的流动方向与凸横的运动方向相一致。正挤压又 分为实心件正挤压空心件正挤压两种。正挤压法可以制造各种形状的实心件和 空心件，如螺钉、心轴、管子和弹壳等。 2 ) 反挤压。挤压时，金屑的流动方向与凸模的运动方向相反，反挤压法可 以制造各种断面形状的杯形件，如仪表罩壳、万向节轴承套等。 3 ) 复合挤压。挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同， 而另一部分金屑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，也可以制造杯杆类零件和杆杆类零件。 4 ) 减径挤压。是变形程度较小的一种变态正挤压法，毛坯断面仅作轻度缩 减。主要用于制造直径相差不大的阶梯轴类零件以及作为深孔杯形件的修整工 序。 以上几种挤压的共同特点是：金屑流动方向都与凸模轴线平行，因此可统 称为轴向挤压法。此外还有径向挤压和镦挤法。 径向挤压。挤压时，金属流动方向与凸模运动方向相垂直。径向挤压又分 为离心和向心径向挤压两种，主要用于制造带凸肩的齿轮坯以及十字轴类零件。 9 江苏大学硕士学位论文 镦挤法。是冷镦和冷挤压相结合的一种加工方法。主要用于制造带凸缘或 局部加粗的零件。 ( b ) 按照挤j i i 时会属坯料所处的温度不同，分为热挤压、冷挤压、温挤压 三种方式。 1 ) 热挤压。变形温度高于金属材料的再结晶温度。热挤压时，金属变形抗 力较小，塑性较好，允许每次变形程度较大，但产品的尺寸精度较低，表面较 粗糙。热挤压成形法，虽然可以使材料变形抗力变小，但由于加热，产生氧化、 脱碳及热膨胀等问题，降低了产品的尺寸精度和表面质量，因而一般都需要经 过大量的切削加工，才能作为最后产品。目前，热挤压越来越多地应用于及其 零件和毛坯的生产。 2 ) 冷挤压。变形温度低于材料的再结晶温度( 通常是室温) 的挤压工艺。 冷挤压时，金属的变形抗力比热挤压大得多，但产品尺寸精度较高，可达 i t 8 。i t 9 ，表面粗糙度r a 为3 2 0 4l am 。而且产品内部组织为加工硬化组织， 提高了产品的强度。冷挤压虽有很多优点，但变形抗力大，就限制了零件的尺 寸，同时也限制了变形抗力大的材料采用冷挤压工艺。为了降低变形抗力，在 冷挤压前要对坯料进行退火处理和润滑。 3 ) 温挤压。将坯料加热到再结晶温度以下高于室温的某个合适温度下进行 挤压的方法，是介于热挤压和冷挤压之间的一种挤压方法。与热挤压相比，坯 料氧化脱碳少，表面粗糙度较小，产品尺寸精度较高；与冷挤压相比，降低了 变形抗力，增加了每个工序的变形程度，提高了模具的使用寿命。温挤压材料 一般不需要进行预先软化退火、表面处理和工序间退火。温挤压零件的精度和 力学性能略低于冷挤压零件，表面粗糙度r a 为6 5 - 3 2l am 。 本文是以2 7 5 减速轴为研究对象，运用精密成形冷挤压技术和刚塑性有限 元理论，对其成形过程进行仿真分析，并分析模具寿命。 2 2 冷挤压技术 冷挤压是指在冷态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。即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。 1 0 江苏大学硕士学位论文 冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于 中小型锻件规模化生产中。与热锻、温锻工艺相比，可以节材3 0 。5 0 ，节能 4 0 一8 0 而且能够提高锻件质量，改善作业环境。 与其他加工工艺相比，冷挤压【删有如下优点： 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。零件的精度可达肿。i t 8 级，表面粗糙度可达r a 0 2 一r 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用。 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 齿及表面看不见的内槽等。 6 ) 降低零