（材料加工工程专业论文）基于fem技术的齿轮轴温挤压成形研究.pdf

基于f e m 技术的齿轮轴温挤压成形研究 摘要 直齿轮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。传统的 生产齿轮的切削加工方法，材料利用率低，生产率低，产品成本高，难以满足社 会生产的需求。齿轮的塑性成形工艺因其节约原材料及后续机加工而降低生产成 本，同时由于金属的流线未被切断而改善了成形零件的机械性能，因而能够提高 工业企业产品的竞争力，目前正越来越受到人们的重视。 本文以直齿轮的温挤压成形为研究对象，对齿轮轴的温挤压工艺过程及模具 的磨损规律进行数值模拟研究，这对提升直齿轮件的温挤压成形工艺的技术水 平，保证成形件的质量及提高模具使用寿命均具有积极的意义。 影响直齿轮的温挤压成形的主要工艺参数有挤压温度、凹模半锥角、模具预 热温度、挤压速度、润滑及摩擦条件等。本文采用刚粘塑性有限元法( f e m ) ，通 过商业化工程分析软件d e f o r m3 d 实现了直齿轮温挤压成形过程的模拟，分析 这些工艺参数对成形载荷的影响规律，得到以下结论：挤压温度、凹模预热温度 的越高，温挤压成形载荷越小；凹模半锥角、摩擦系数越小，成形载荷越大：齿 轮参数如高度、模数、齿数越大，成形载荷越大；而挤压速度对成形载荷的影响 不明显。从而为合理选择温挤压工艺参数提供依据。 通过模拟发现，在齿轮件端部与杆部交接处倒一圆角，能够有效避免内缩缺 陷的产生；合理选择齿根过渡曲线，有利于齿腔的充填，降低成形力。 基于a r c h a r d 磨损模型，对直齿轮温挤压模具的磨损规律进行分析，并利用 一元线性回归法，找出模具表面磨损深度与服役次数之间的关系，以磨损值为判 据，预测模具的使用寿命。 关键词：直齿轮、温挤压、数值模拟、磨损、模具寿命 r e s e a r c ho nw a r me x t r u s i o no fg e a rs h a f tb a s eo hf e m t e c h n o l o g y a b s t r a c t s p u rg e a r sa r ei m p o r t a n tm e c h a n i c a l d r i v e np a r t s ，w h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h e a 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 l o wa v a i l a b i l i t yo fm a t e r i a la n dp r o d u c t i v i t y a n dh i g hc o s to fp r o d u c t i o n ，c u t t i n gw h i c hi st h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s i n go fg e a r s p r o d u c t i o n i sh a r dt om e e tt h ed e m a n do fm a n u f a c t u r i n g c o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a lm e t h o d ，t h ep l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s g r e a tr e d u c t i o no fr a wm a t e r i a la n ds u b s e q u e n tm a c h i n i n g ，c o n s i d e r a b l ei m p r o v et h e c o m p e t i t i v ep o w e ro fi n d u s t r i a lo r g a n i z a t i o n , a n dm a r k e di n c r e a s et h em e c h a n i c a l p r o p e r t yb e c a u s et h ef i b r e so fm e t a la r en o tb e e nc u to 最n o w a d a y s p r o d u c i n gg e a r t h r o u g ht h i st e c h n o l o g ya r em o r ea n dm o r eb e i n gp a i da t t e n t i o n st o t a k et h ew a r l ne x t r u s i o no fs p u rg e a ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ff o r m i n gp r o c e s sa n dd i ew e a ra r es t u d i e d ，w h i c hi si nf a v o ro f i m p r o v i n gt h el e v e lo fp r o c e s sd e s i g n i n g ，i n c r e a s i n gt h eq u a l i t yo ft h ep a r ta n dt h e s e r v i c el i f eo fd i e ， t h e r ea r es o m em a j o ri n f l u e n c i n gf a c t o r si nt h ew a r me x t r u s i o no fs p u rg e a r , s u c ha st h et e m p e r a t u r eo fe x t r u s i o na n dd i ep r e h e a t i n g ，t h eh a l fc o n ea n g l eo ff e m a l e d i e ，t h es p e e do fe x t r u s i o n ，l u b r i c a t i n ga n df r i c t i o nc o n d i t i o na n ds oo n t h ei n f l u e n c e c o n d i t i o n so ft h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r s m e n t i o n e da b o v ea r e i n v e s t i g a t e db y d e f o r m 一3 dw i t ht h r e e - d i m e n s i o n a lr 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 o d e l t h e n t h ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ：w i t ht h et e m p e r a t u r eo fe x t r u s i o na n dd i e p r e h e a t i n gi n c r e a s i n g ，t h ew m r l - ne x t r u s i o nf o r c ei sf a l l i n gd o w n ；w i t ht h eh a l fc o n e a n g l eo ff e m a l ed i ea n df r i c t i o nf a c t o rr e d u c i n g ，t h ef o r c ei sa r i s i n g ；a n dw i t ht h e p a r a m e t e ro fs p u rg e a rs u c ha sh e i g h t ，m o d u l u sa n dt h en u m b e ro ft e e t hi n c r e a s i n g ， t h ef o r c ei sa l s oa r i s i n g ；w h i l et h es p e e do fe x t r u s i o nh a v en o to b v i o u se f f e c to nt h e f o r c e s o m er e g u l a r i t i e sa r ef o u n db ys i m u l a t i o n ，s u c ha st h es h r i n kf l a wc a l lb e a v o i d e db yt h er o u n d i n ga tt h ei n t e r s e c t i o no f d i f f e r e n td i a m e t e ro f t h es p u rg e a rs h a f t ； t h ea p p r o p r i a t es h a p eo ft h et r a n s i t i o nc u r v ef r o mi n v o l u t et or o o tc i r c l ei si nf a v o ro f i m p r o v i n gt h ef i l l i n gc o n d i t i o no fd i ec a v i t ya n dd e c r e a s i n gt h ef o r m i n gf o r c e b a s i n go na r c h a r dw e a rm o d e l ，t h er u l eo fd i ew e a ri ss t u d i e db ys i m u l a t i o n ，a n d t h er e l a t i o nb e t w e e nw e a r i n gd e p t ha n dt h et i m e so fd i es e r v i c ei sf o u n db ym e a n so f u n i t a r yl i n e a r l yr e g r e s s i o n ，t h e nt h es e r v i c el i f eo f d i ei sp r e v i e w e d k e yw o r d s ：s p u rg e a r ；w a r me x t r u s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w e a r , d i el i f e 插图清单 图2 1 正挤压7 图2 2 反挤压7 图2 3 复合挤压7 图2 - 4 减径挤压7 图2 5 径向挤压8 图2 - 6 支撑杆镦挤成形8 图2 7 挤压变形区的应力应变状态8 图2 8 碳钢的加工温度与压缩变形抗力的关系曲线l o 图2 9 温度对含c o 1 钢力学性能变化的影响1 0 图4 1 齿轮参数输入2 1 图4 2 添加尺寸关系2 1 图4 3 齿轮轴零件图2 2 图4 - 4 齿轮轴挤压件图2 2 图4 5 有限元分析模型2 2 图4 - 6 网格的局部细化2 2 图5 1 设定坯料的局部温度2 7 图5 2 坯料出炉时的温度场2 7 图5 3 坯料装入模具中时的温度场2 8 图5 - 4 临挤压前时的温度场2 8 图5 5 挤压时工件最高温度变化曲线2 8 图5 6 压下量为4 m m 时工件温度场2 9 图5 7 挤压终了时工件温度场2 9 图5 _ 8 压下量为2 m m 时凹模温度场2 9 图5 - 9 压下量为4 m m 时凹模温度场2 9 图5 1 0 压下量为6 姗时凹模温度场3 0 图5 1 1 挤压终了时凹模温度场3 0 图5 1 2 加热温度与挤压力关系曲线3 0 图5 1 3 凹模半锥角与挤压力关系曲线3 1 图5 - 1 4 模具预热温度与挤压力关系曲线3 2 图5 1 5 挤压速度与挤压力关系曲线“3 2 图5 1 6 摩擦系数与挤压力关系曲线3 3 图5 - 1 7 挤压缺陷3 3 图5 1 8 毛坯( 倒圆角) 3 4 图5 1 9 成形效果图3 4 图5 2 0 直齿轮齿数与挤压力关系曲线3 4 图5 2 1 直齿轮模数与挤压力关系曲线3 5 图5 2 2 直齿轮高度与挤压力关系曲线3 5 图5 2 3 过渡圆角与挤压力关系曲线3 6 图5 2 4 齿轮轴温挤压成形效果图3 7 图5 2 5 齿轮轴温挤压成形过程中等效应变分布3 8 图5 2 6 齿轮轴温挤压成形过程中等效应力分布3 9 图5 2 7 齿轮轴温挤压成形过程中速度场4 0 图5 2 8 组合凹模实物图4 1 图5 2 9 齿轮轴挤压件实物图4 1 图6 - l 挤压终了时凹模磨损状况4 3 图6 - 2 凹模当前磨损深度变化曲线4 3 图6 3 磨损深度与服役次数关系4 4 图6 4 回归曲线及散点图4 5 表格清单 娩躬钙 表 照 一 一 府 表值度拟剂深模 滑损表与 润磨据值压的数算 挤应算计温对计的 的数归度 用次回深常役性损中服线磨 产模元模 生凹凹 1 l 2 3二岳岳、占 表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得金世王些盍堂 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 谢意。 学位论文作者签字：孙歹旃签字日期：2 耐年乡月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥罂王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒起王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编八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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：动，歹农 导师签名： 签字日期：弼年；月纠日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：。b 年弓月 电话 邮编 致谢 本文是在我的导师刘全坤教授悉心指导下完成的。硕士研究生学习的三年 时间里，导师渊博的知识、严谨的工作作风及非凡的敬业精神时时激励着我， 使我受益匪浅，也对我以后的学习和工作有很大的帮助：不仅如此，导师也在 生活上给予了我热情的关怀和帮助。在本文即将完成之际，谨对导师的辛勤培 养与无私的关怀表示衷心的感谢! 在此感谢薛克敏教授、董定福副教授、陈文琳副教授、李薄副教授和陈忠 家副教授等在我三年的学习期间给予学业上的指导、帮助和教诲。 特别感谢胡成亮师兄对本课题的悉心指导。同时感谢王强、王成勇、胡龙 飞等师兄对本课题的关心和帮助。 感谢同届的任凤梅、苗量、孙云泽、周林、冯秋红、刘琼、桂鑫平、金耿、 徐轶、文j j d , 旦、陆佳平、李桂兰、晏建军、朱晓勇、张青等同学在学习期间团 结互助、热情交流，给我以很大的帮助。同时感谢实验室里的程伟、来亚敏、 邓陶勇、祝慧、舒洁、汪泽波、郑超、肖福成等师弟妹们对我的关心和鞭策! 三年的研究生生活，我得到了许多人的帮助，在此向所有给予我帮助和支 持的表示我最诚挚的谢意! 作者：孙正茂 2 0 0 6 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 齿轮是汽车、船舶及各类机械中应用广泛的传递运动和动力的零件。传统 的齿轮加工方法是采用切削加工，材料利用率低，生产效率低，产品成本高， 难以满足社会生产的需求和增加工业企业产品的竞争力。这就要求人们进行齿 轮加工技术的变革，齿轮加工的精锻成形是以净成形( n e t s h a p e ) 和近净成形 ( n e a r - n e t s h a p e ) 为目标的加工技术，已经在工业发达国家得到迅速发展并发挥 重要作用。 用精锻工艺生产齿轮，不仅具有节材、节能、低成本、高效率等显著优势， 而且在齿轮内部形成致密、均匀的材料组织，沿齿形轮廓具有连续合理的金属 流线、形成表面加工硬化层及圆角圆滑过渡的齿根，从而大大提高齿轮的耐磨 损、抗腐蚀能力及根部的弯曲强度，明显改善齿轮的疲劳性能。然而，就齿轮 精锻而言，特别是直齿圆柱齿轮，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，成形规律的研究比较薄弱，技术缺乏理论支持，因 此直齿圆柱齿轮精锻技术正日益受到各国研究人员的重视，已成为当今塑性加 工领域广泛关注的研究课题【1 l 。 l 。2 直齿圆柱齿轮精锻成形国内外研究现状 齿轮精锻技术研究始于2 0 世纪5 0 年代，当时德国人开始用闭式热模锻的 方法试制锥齿轮。6 0 年代开始圆柱齿轮的锻造研究，7 0 年代有较大的发展。经 过国内外学者多年的研究，有关伞齿轮精锻成形理论及工艺已较成熟，并已成 功应用于实际生产【2 j 。与伞齿轮精锻技术相比，直齿圆柱齿轮精锻成形技术尚 未完全成熟，目前的研究主要集中在变形规律分析、工艺和模具设计以及质量 和精度控制等方面。 1 2 1 变形规律分析 多年来，国内外学者对直齿圆柱齿轮精锻变形规律的研究主要集中在经典 理论分析以及实验研究两个方面。d o h a m a r mf f 3 l 等用数值逼近法和主应力法分 析了冷精锻齿轮时的金属流动和模具应力的情况，给出了沿齿面轮廓的法向应 力分布图。 随着研究的不断深入，上限元法逐渐被证明是用于齿轮精锻力能分析预测 的一种好方法。1 9 8 4 g g r o v e r 4 1 利用上限元法对齿轮类零件的模锻成形进行了研 究，研究了模数、齿数等参数对锻压力的影响。1 9 8 6 年英n b i r m i n g h a m 大学的 a b d u l n a 【5 】等用上限法进行了直齿圆柱齿轮精锻的分析计算，论述了齿根圆直 径、齿数以及工件与型腔之间的摩擦状况对金属流动和锻造成形力的影响。1 9 9 6 年c h i t k a r a nr 6 1 等利用主应力法和上限法对直齿圆柱齿轮锻造进行了研究，并 进行了不同齿形、不同初始高径比的直齿圆柱齿轮锻造实验，得到了有关变形 力、齿形充填的一些结论。c h o jjc 【7 】等根据物理模拟实验，提出了一种新型的 动可容速度场，并运用上限法对圆柱坯料锻造渐开线直齿轮进行了分析，针对不 同的模数、齿数、变形系数和摩擦条件对变形力的影响进行了计算，得到了高 度压缩量与变形载荷等的关系曲线。燕山大学李洪波悼j 采用上限元法对圆柱齿 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。林治平、谭险峰【9 。2 】用上限( 元) 法对用空心和实心坯 料冲、镦挤精锻( 带毂) 直齿圆柱齿轮等各种工艺方案进行了理论分析和计算 机模拟。1 9 9 7 年江雄心【i 叫利用上限( 元) 法建立了带毂直齿圆柱齿轮精锻过程 的数学模型，并利用该模型对带毂直齿圆柱齿轮精锻过程中坯料外形尺寸和力 一行程曲线进行了计算机模拟。1 9 9 9 年杨慎华、傅沛福等 1 4 j 采用上限法对直齿 圆柱齿轮冷精锻成形进行力能参数的求解，给出了基于分流理论的糟锻工艺的 上限分析模型，同时利用最优化理论分析了各工艺参数的影响规律。2 0 0 1 年田 福祥等【1 5 】利用上限法，对带有幅板的直齿内齿轮精锻过程的金属流动规律进行 了研究，建立了求解带有幅板内齿轮锻压变形力的数学模型，为锻压设备选择 和锻坯形状设计提供了依据。2 0 0 3 年薛松等i l6 】采用上限元法，在分析金属流动 规律的基础上，将齿轮正挤压时变形区划分为9 个区域，并根据各区域的金属流 动特点给出了金属流动规律的表达式，并通过试验进行了验证。 近年来，随着有限元理论及其技术的日益成熟，商品化有限元模拟软件不 断涌现，有限元数值模拟方法在齿轮精锻成形分析中得到越来越广泛的应用。 1 9 9 1 年y a n g dy f l 7 j8 j 采用刚、粘塑性有限元法对直齿圆柱齿轮精锻成形进行了 数值模拟，获得了变形过程中的坯料外形变化、力一行程曲线、变形体内的等 效应变分布和平均应力分布等规律。南昌大学江雄心等【l9 】对空心直齿圆柱齿轮 的精锻成形过程进行三维刚塑性有限元模拟，揭示了直齿圆柱齿轮精锻过程的 金属流动规律和变形力学特征。燕山大学李洪波【2 0 1 等通过对内齿轮缩挤成形工 艺的有限元模拟，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。 1 2 2 工艺和模具设计 早在2 0 世纪6 0 年代，我国就有人尝试用高速锤精锻直齿圆柱齿轮2 ”，但由 于锻件精度低、模具寿命短等原因，该工艺未能在实际生产中得到应用。1 9 8 4 年，日本的k o n d ok t 2 2 捌将分流减压的思想引入齿轮精锻中，提出孔分流与轴分 流的概念。通过增大锻件自由表面以减小锻造的减缩比，在保证充填主要轮廓 的同时，非齿形主要轮廓位置始终存在分流层，以调节和防止齿轮闭式模锻最 终阶段变形力的陡增现象，使以“n e t - s h a p e ”为宗旨的齿轮精锻成形有可能实 现。1 9 9 3 年o h g q ak 2 4 1 进一步论述了分流减压原理的适用范围，从而使直齿圆柱 齿轮分流精锻技术更加完善。1 9 9 7 年吉林工业大学付沛福等 2 5 , 2 6 考虑到分流减 压法虽然降低了工作载荷，但在工作压力相对较低的条件下难以保证良好的充 填性，提出了改进的分流措施一约束分流法，并利用组合试验模具对诸多工艺 方案及充填规律进行了试验研究。结果表明，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。1 9 8 7 年，英国伯明翰大学t u n c e rc 等【2 7 。3 0 】提出了用空心锻坯精锻直齿圆柱齿轮的浮动凹模原理，归纳了无飞边锻 模制造和使用的各种工艺要点，并设计了多种模具。1 9 9 9 年，林治平等1 1 2 , 3 1 总 结了直齿圆柱齿轮冷、热精锻的各种工艺方案，设计了专用的组合模，科学地 利用浮动凹模解决齿形下角部的充满问题和在上模开环形槽解决齿形上角部的 充满问题。此外，1 9 9 0 年美国b a t t l e 公司的d a v i dj 等【3 2 j 利用“推着穿过”原理进 行了圆柱齿轮挤压成形的研究。1 9 9 3 年，n a g a iy 3 3 1 提出将预制杯形件作为某些 圆柱齿轮冷锻的制坯措施，即通过拉延、整形、变薄拉延和压缩这四个工步实 现具有较大沉孔的圆柱齿轮冷锻成形。1 9 9 8 年，张宝红等 3 4 j 通过对直齿轮温成 形的实验研究，提出径向导流成形新工艺。该工艺有利于齿轮成形，可明显降 低成形力，获得齿形不需切削加工就可满足产品要求的零件，为直齿圆柱齿轮 的塑性成形提供了一种新的成形工艺。1 9 9 9 年，霍艳军等【3 5 j 提出摆辗成形直齿 圆柱齿轮代替热处理前齿形的切削加工的精锻成形工艺方案，并指出此方案的 关键在于工艺设计和模具设计。另外，热锻、温锻和冷锻的相结合的工艺方案 也在2 0 世纪8 0 年代出现，它充分利用了热锻和冷锻各自的优点( 热锻、温锻可 实现高效能和材料的高利用率，冷锻过程则修正热、温锻过程的误差和提高表 面质量) ，因此9 0 年代以来取得了越来越广泛的应用。1 9 9 3 年，青岛建筑工程 学院田福祥等1 3 6 , 3 7 】提出直齿圆柱齿轮热精锻和冷推挤联合成形工艺，该工艺是 通过热精锻使轮齿成形，此时齿面留有一定量的推挤加工余量，再通过冷推挤 精整齿面使齿轮的精度提高。该工艺的特点是针对热精锻直齿圆柱齿轮模具寿 命低的缺点，大大放宽热锻模尺寸精度，从而提高锻模寿命。 1 2 3 质量和精度控制 质量和精度的控制是直齿圆柱齿轮精锻技术研究的重点之一，也是直齿圆 柱齿轮精锻技术能否应用于生产实际的关键。然而，到目前为止，国内外对直 齿圆柱齿轮质量和精度控制方面的研究还比较少【3 8 1 。英国伯明翰大学的 a b d e l - r a h m a n 等p r 4 w 讨论了锻前加热和锻后冷却方式对锻件性能的影响，分析 了常规气体、非氧化性气体、坯料表面的渗碳、冷却速度等对齿轮锻件硬度的 影响，以及锻后热收缩对齿形轮廓的影响，并讨论了齿轮的齿数、模数以及锻 造温度对齿形误差的影响。南昌大学谭险峰 4 1 1 对直齿圆柱齿轮精锻件进行了精 度分析，分析了直齿圆柱齿轮精锻工艺中齿轮锻件在锻后冷缩、模具加工方法、 锻模的磨损以及弹性变形等因素对齿形的影响。林治平等【3 l j 对直齿圆柱齿轮热 精锻的研究证明模具设计、坯料尺寸、温度控制等因素是保证齿轮锻件精度的 关键，影响着齿形精度的还有模具的加工方法、磨损和弹性变形、润滑与冷却、 能否充分排气排污等；计算坯料尺寸时要充分考虑自身膨胀和模具应力胀形的 影响，加热的温度要保持在一定的范围内，防止过热过烧；为防止氧化，加热 时应有保护气氛，冷却时宜用砂冷。 1 2 4 直齿轮精锻成形中的几个关键问题 经过国内外学者多年的努力，直齿圆柱齿轮的精锻技术已经取得了很大的 进展，但在实际生产过程中应用得还比较少，还需要在以下几个方面作进一步 的研究。 1 数值模拟 目前，有限元数值模拟技术因其自身的优越性而在直齿圆柱齿轮精锻研究 中得到越来越广泛的应用，但仍存在着一些问题。首先是当前关于直齿圆柱齿 轮精锻方面的理论研究仅能得出变形金属的部分特征，而不能准确得到在整个 塑性变形过程中金属的流动规律和所具有的变形力学特征，因而只能粗糙地分 析金属的整体流动状况和部分变形力学特征。其次是在建立分析模型时，输入 数据的准确性问题。再次是计算机的计算效率有待提高f 4 2 】。 2 坯料精化和加热问题 原始毛坯一般是按等体积原理来确定的，下料要求准确，同时要考虑火耗。 加热时，必须采取少、无氧化加热【3 引，以减少氧化皮，提高锻件质量保证产品 精度。目前，这两方面均需要改进。 3 润滑问题 润滑是直齿圆柱齿轮精锻( 特别是温、热成形时) 中一个关键技术。所选 润滑剂应具有良好的高温湿润性能和成膜性能，在模具型腔中均匀分布，形成 润滑膜，并且在锻完后在模具型腔中不应留有残渣，或者留有极少的残渣，容 易清除 3 8 , 4 3 。 4 模具c a d c a e c a m - - 体化 当前模具从设计到加工都是分离的，生产周期长，浪费人力和物力。模具 c a d c a e c a m - - 体化能显著提高直齿圆柱齿轮模具设计、制造及工艺设计过 程的效率，是直齿圆柱齿轮精锻研究的发展趋势之一。 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于安徽省自然科学基金项目直齿轮冷锻成形若干关键技 术的研究( 项目号：0 3 0 4 4 1 0 5 ) 。 1 3 2 研究内容 本文研究的主要内容有： 1 针对齿轮轴零件，在模拟的实旅过程中，对一些关键技术进行处理，从而 完成了齿轮轴温挤压成形的模拟； 2 通过对模拟结果的分析，探讨了直齿轮温挤压成形时的成形载荷、金属流 动、应力应变等规律； 3 对齿轮轴温挤压成形几个主要工艺参数进行三维有限元模拟，为工艺参数 的合理选择提供依据； 4 尉直齿轮温挤压成形模具的温度分布和磨损规律进行有限元模拟分析，为 合理选择模具材料，温挤压用润滑剂及其涂抹部位提供依据； 5 基于a r c h a r d 磨损模型，对直齿轮温挤压模具的磨损规律进行分析，并利 用一元线性回归法，找出模具表面磨损深度与服役次数之间的关系，以磨损值 为判据，预测模具的使用寿命。 第二章温挤压技术概述 温挤压是在冷挤压基础上发展起来的一种挤压工艺，2 0 世纪6 0 年代初，国 外开始用于工业生产。我国从2 0 世纪7 0 年代初开始对温挤压技术进行了实验 研究，并很快将这项技术应用于实际生产。目前温挤压件的原材料不但有碳素 钢、合金结构钢，而且还有不锈钢、耐热钢、合金工具钢和高速工具钢。生产 的温挤压件形状也是多种多样，有截面形状是圆形、多边形的零件；也有异形 的轴对称形和非轴对称形零件。 2 1 挤压种类及基本方法 2 1 1 挤压种类 1 按毛坯的成形温度的不同分类 1 ) 冷挤压在室温中对毛坯进行挤压。 2 ) 温挤压毛坯在室温以上、再结晶温度以下的某个适当的温度范围内进 行挤压。 3 ) 热挤压毛坯在再结晶温度以上的某个适当的温度范围内进行挤压。 2 按毛坯的材料种类的不同分类 1 ) 有色金属挤压被挤压毛坯材料为有色金属及其合金。 2 ) 黑色金属挤压被挤压毛坯材料为黑色金属及其合金。 2 1 2 挤压的基本方法 根据挤压时金属的流动方向与凸模运动方向之间的关系，挤压方法可分为 以下几种： 1 正挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向一致。正挤压的变形特点是：坯 料在进入凹模大径到小径之间的区域才发生变形，此区称为剧烈变形区。在进 入此区之前或离开此区之后，坯料仅作刚性平移，其本身几乎不发生塑性变形。 按坯料的形状的不同，正挤压又可分为实心件正挤压( 如图2 1a ) ) 和空心件 正挤压( 如图2 - lb ) ) 。正挤压件的断面形状可以是圆形、椭圆形、扇形和矩形， 也可以是不对称的等断面挤压件和型材。 2 反挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反，如图2 2 所示。反挤压的 剧烈变形区在凸模外径到凹模内径的一个环形区域，该区的轴向范围大约为 ( o 1 o 2 ) d ( d 为反挤压凸模直径) 。当凸模端部和凹模型腔底部之间的毛坯 残余厚度大于这个界限尺寸时，变形为稳定变形状态，紧贴凹模型腔底部的一 6 部分坯料保持原状，不产生塑性变形；而当凸模端部和凹模型腔底部之间的毛 坯残余厚度小于这个界限尺寸时，在此残余厚度内所有的坯料皆发生流动变形， 此时变形就为非稳定变形状态。反挤压适合伟4 造断面形状是圆形、方形、长方 形、“山”形、多层圆形以及多格盒形的空心件。 口i a ) 实心件正挤压 图2 1 正挤压圈辔 3 复合挤压 挤压时毛坯的一部分金属的流动方向与凸模的运动方向一致，而另一部分 金属的流动方向与凸模的运动方向相反，如图2 - 3 所示。复合挤压时，坯料均 匀地向上和向下流动，其中正挤压部分变形情况与正挤压类似，反挤压部分变 形情况与反挤压类似，而在中间对称面上出现“分流面”。复合挤压适合制造断 面形状是圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形的双杯类、杯一杆类或杆一杆类挤 压件，也可以制造不对称的等断面挤压件。 4 减径挤压 减径挤压是一种变形程度较小的变态正挤压法，毛坯的断面仅有轻度的缩 减，如图2 4 所示。减径挤压主要用来制造直径差不大的阶梯轴类挤压件或作 为深孔薄壁杯形件的修整工序。 阍圈 a ) 双杯类挤压件b ) 杯一杆类挤压件 图2 - 3 复合挤压 图2 4 减径挤压 7 5 径向挤压 径向挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向垂直，如图2 - 5 所示。径向 挤压的大变形区在坯料主枝与分枝相交的区域。其它部分只作刚性平移】，本 身只发生很小的变形或不变形，径向挤压可以制造十字轴类挤压件，也可以制 造花键轴的齿形部分以及直齿轮和螺旋小模数齿轮的齿形部分等。 6 镦挤复合法 镦挤复合法是将局部镦粗和挤压结合在一起的加工方法，如图2 - 6 所示为支 撑杆镦挤成形过程。镦挤复合法主要用于制造带凸缘或粗腰形的杆类挤压件。 獭 a ) 正挤压b ) 反挤压 图2 7 挤压变形区的应力应变状态 2 3 挤压变形程度的表示方法 挤压变形程度的表示方法有三种： 1 断面缩减率一 s = a 0 4 - 。a 塑1 。 式中以、爿分别为挤压变形前后毛坯的横截面积( m m 2 ) 2 挤压比g g ：鱼 4 、 3 对数变形程度s 。 铲t n 鲁 三者之间的关系如下： 钆= 卜西1 s 。= l n g 铲t n 击 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) f 。、g 、s ，的值越大，表示挤压的变形程度就越大。 2 4 温挤压的特点及应用范围 温挤压就是在挤压前将毛坯加热到再结晶温度以下某个适当的温度下进行 的挤压。温挤压是介于冷挤压和热挤压之间的一种工艺。 温挤压是为了充分体现冷、热挤压的优点，改正它们的缺点而发展起来的 少无切削的压力加工工艺。温挤压与冷挤压相比，挤压力大为下降；与热挤压 相比，加热时的氧化、脱碳都大大减少，产品的尺寸精度较高，其力学性能也 较好，基本上接近冷挤压件。 温挤压是一种有效的毛坯精化加工工艺。它适用于对于常温成形时变形抗 力高、塑性差、加工硬化激烈而且又很难成形的高强度金属以及很容易产生沉 淀硬化型相的耐蚀耐热钢、不锈钢，含c r 量高的钢及钛合金钢等材料的加工， 更适用于那些形状复杂的非轴对称且尺寸较大的异形零件的成形。温挤压已在 汽车、拖拉机、轴承、电器、仪表、军工、航空等工业部门得到了广泛的应用【4 5 1 。 9 2 5 温挤压关键技术【4 6 。4 7 】 2 5 1 温挤压温度的选择 温挤压具有优越性的根本原因在于它不同于冷挤压和热锻挤压的成形温 度，因此，对于各种变形材料，要发挥温挤压成形的优势，必须选择最合适的 温挤压温度，既能充分发挥材料的变形能力，省去中间热处理工步，又能保证 零件的尺寸精度、良好的内部组织结构及机械性能。挤压温度是温挤压工艺成 败的关键，不同的材料根据含碳量及合金种类的不同都存在一个最佳变形温度 范围。在最佳温度下进行挤压成形，可使变形抗力最低，模具磨损小、寿命高， 毛坯不发生氧化、脱碳，挤压件的力学性能好。但这样的挤压温度在实际生产 中很难实现，只有根据零件的性能、尺寸精度和表面粗糙度的要求的不同，以 及所采用的设备条件和零件的变形程度等，尽可能地选择一个较为合理的挤压 温度区间。在选择温挤压温度时需要考虑以下几个问题： 1 温挤压温度对变形抗力的影响 在碳钢的加工温度区间中存在两个脆性区，一个大约是2 1 0 3 6 0 ，为蓝 脆性区；另一个大约为8 0 0 9 0 0 ，为热脆性区。在这两个加工温度区域中金 属材料的塑性很差，伸长率和断面缩减率极小，变形抗力极大。所以在温、热 加工碳钢金属时，必须要避开这两个区域。温挤压时的成形温度一般在8 0 0 以 下，所以在研究温挤成形时，只需考虑到蓝脆区的影响，而对热脆性区可以不 予考虑。 图2 8 所示的是碳钢的加工温度与压缩变形抗力的关系曲线。图中的压缩 率毛= ( h o h ) h o - - - - 0 3 ( 式中h 。、h 分别为压缩变形前后的坯料高度) ，应变速 率叠= o ，l s - 。由图2 - 8 可以看出，碳钢的变形抗力基本上是随着变形温度的上 升而下降的。但在变形温度约为3 0 0 c 时，变形抗力有所上升，这就是“蓝脆” 现象。“蓝脆”简单来说是由于钢中固溶体中的元素c 或n 之类析出弥散强化 而引起的现象。 沮魔r c 图2 - 8 碳钢的加工温度与压缩变 形抗力的关系曲线 量 j 芒 变形疆度( c 1 图2 - 9 温度对含c o 1 钢力学 性能变化的影响 漾 鬟 i 一 芷罩哥r撼戳谳勰出 一般来说，在蓝脆温度区域内，是不宜进行温挤压成形的。原因就是在该 温度区域中挤压坯料的变形抗力较大，不仅需要更大的设备压力，模具寿命低， 而且挤压件的表面粗糙度也很高，在室温下的冲击值会急剧下降。 2 温度对金属塑性的影响 图2 - 9 是温度对含c0 1 钢力学性能的关系曲线。由图可见，金属的塑性 指标6 ( 伸长率) 和1 l f ( 断面收缩率) 随温度的升高而提高。由于蓝脆区的影 响，6 和1 l ，的最小值并不是出现在温度最低的地方。而是分别在1 5 0 2 0 0 。c 和 2 0 0 2 5 0 左右达到最小值。 3 温度对金属氧化的影响 随着金属材料加热温度的升高，由于氧化扩散速度加快，因此氧化过程也 就越剧烈，结果是形成的氧化皮也越厚。同时，加热时间越长，氧化扩散量就 越大，从而形成的氧化铁也越多。尤其是在温度较高时，加热时间的影响就越 显著。金属的氧化程度直接影响到温挤压件的表面质量、尺寸精度和模具寿命。 因此，为了使得温挤压件有较好的尺寸精度和较低的表面粗糙度，就必须在规 定的温度下，尽量地缩短加热时间，使毛坯在不产生氧化或产生极少氧化的条 件下进行挤压。所以应该尽量采用快速加热法和加热前在毛坯上涂固体润滑剂， 以利于防止毛坯加热时的氧化。 总的来说，对温挤压温度的选择可以按以下的原则来考虑： ( 1 ) 挤压温度应选在被挤压金属材料的变形抗力有显著下降的温度范围 内。 ( 2 ) 挤压温度应选在被挤压金属材料开始有较强烈氧化的温度之前，以保 证无氧化或极少氧化。 ( 3 ) 挤压温度应选在被挤压金属材料变形时与相应的润滑剂之间具有最小 摩擦系数的温度范围内。 目前，对于汽车工业中常用的碳钢和合金钢，温挤压温度大致范围为6 5 0 8 0 0 。 2 5 2 温挤压用润滑剂 4 8 】 温挤压能否顺利进行与模具及坯料的润滑有着直接的关系。温挤压时，坯 料处于相对高的温度下，模具的工作环境较恶劣。冷挤压所用的先磷化再皂化 处理的润滑方法己不能用于温挤压，因为较高的温度会将磷化层和皂化层烧坏， 从而失去润滑的作用。 目前对温挤压用润滑剂的研究尚不成熟，因此必须针对温挤压工艺的特点， 研究出与其相适应的润滑剂。温挤压成形时所用润滑荆应具备以下性能要求： 1 对摩擦表面具有最大的活性和足够的粘度，能够较好地粘附于摩擦表面， 不因接触应力大而被挤走，使坯料能顺利产生塑性变形。 2 润滑剂应具有一定的热稳定性、耐热性和绝热性，在温挤压时，要避免因 温度较高，润滑剂性能发生变化，降低润滑效果。良好的绝热性，可防止毛坯 与模具接触时温度急剧降低，而使模具温度不会升得过高，有利于模具寿命的 提高。 3 瑚习滑剂的化学稳定性要好，温挤压时不分解、不氧化变质，无毒、无公害， 且对挤压件及模具无腐蚀作用。 4 i c 可滑剂在温挤压成形条件具有良好的湿润性，能均匀地扩散到毛坯与模具 表面，形成均匀而牢固的润滑膜，并应具有一定的冷却性能。 5 温挤压成形过程中，润滑剂能有效地隔开模具和坯料，且可以覆盖温挤压 成形过程中所形成的新生表面，防止金属质点粘附到模具型腔上。 实践表明，润滑剂摩擦因数的变化最多影响挤压载荷的1 5 左右，而润滑 剂产生的粘附现象则会使挤压负荷大幅度地增加。因此，不能仅仅用润滑剂摩 擦因数的高低来预测润滑剂的润滑效果。在实际温挤压成形中，还要考虑到润 滑剂产生的粘附现象。 生产中常用的温挤压润滑剂如表2 ，l 所示。 表2 - i 生产中常用的温挤压润滑剂 名称成分及配比使用方法适用范围各注 8 0 0 以下。适用 石墨水剂或油 石墨：油= 1 ：2 ( 体积比) a 、b于碳钢、不锈钢 剂 和工具钢 石墨加二硫化石墨：m o s 2 ：油酸= 2 6 ：1 7 ： a 、b 适用于碳钢、非 钼加油酸5 7 ( 重量比) 不锈合金钢 4 0 0 以上不锈 氧化铅p b o ：油= 1 ：2 ( 体积比) a 、b有毒 钢 氧化铅加5 p b o 中加5 c r 0 3 ( 体积比) ， a 、b 碳钢和低合金钢有毒 c t 0 3 再用油调和 氧化硼加2 5 用于钢时，最 石墨或加3 3 氧化硼加2 5 【重量) 石墨碳钢、低合金钢 好在6 0 0 左 或加( 重量) 3 3 m o s 2 a 、b 和不锈钢 m o s 2右预热 需将涂有这 n a 2 8 4 0 t - b i 2 0 3硼砂( n a 2 8 4 0 7 ) 中混入1 0 a 、b适合于各种钢种粉末加热 系润滑剂 ( 重量) b g 0 3 粉末 到9 0 0 硅砂( s i 0 2 ) ：硼酸( h 3 8 0 3 ) ： 红丹( p b 2 0 4 ) ：氧化铝 喷涂、刷 适用于7 0 0 8 0 0 毛坯须先去 玻璃润滑剂 ( a k 0 3 ) ：硝酸钠( n a