（材料加工工程专业论文）圆柱直齿轮温精锻过程模拟及凹模工作应力计算的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 圆柱直齿轮温精锻过程模拟及凹模工作应力计算的研究 摘要 齿轮精锻成形较传统的切削加工具有材料利用率高、生产效率高、制 件力学性能好等优点，齿轮精锻已成为国内外学者的研究热点。本文借助 d e f o r m 一3 d 有限元模拟软件，结合传统凹模力学分析方法，对齿轮温精锻 的凹模受力分析和应力计算展开研究。 本文在论述温精锻+ 冷精整的齿轮精锻工艺和模具结构特点的基础上， 运用三维造型软件p r o e 4 0 对圆柱直齿轮进行参数化建模，并构建了齿轮 温精锻模具的主要零件实体模型。运用d e f o r m 3 d 软件建立了坯料外 径定位、浮动凹模结构的齿轮温精锻三维有限元模型，运用数值模拟方法 分析齿轮的成形过程和凹模齿腔的角隅充填状况，分析了不同成形时刻坯 料应力和应变分布规律和温度场的变化。 运用d e f o r m - 3 d 有限元模拟软件，对齿数为3 6 ，模数分别为2 、4 、 5 ( i 组) 和模数为2 ，齿数分别为1 8 、3 6 、7 2 ( i i 组) 二组圆柱直齿轮 的温精锻过程进行模拟分析，从得到的上模块载荷行程曲线中，计算出最 大单位成形力。论文假设坯料在塑变区，最大单位成形力即为凹模的最大 工作载荷，由此计算凹模工作载荷与坯料的流动应力的比值。结果表明： 对i 组齿轮，其比值分别为5 3 、5 7 、6 o ；对i i 组齿轮，其比值分别为 5 0 、5 3 、4 7 ；由此初步得出模数在2 5 间的大模数齿轮温精锻时，凹 模的工作载荷是坯料的流动应力的5 6 倍。 论文进一步对i 组、i i 组圆柱直齿轮温精锻凹模受力进行了有限元模 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 拟分析，得到了凹模在成形过程中受到的最大等效应力。同时，分别选取 凹模型腔齿形的齿根圆直径、分度圆直径、齿项圆直径作为凹模的内径， 运用厚壁筒强度理论计算了上述二组圆柱直齿轮温精锻凹模的最大相当应 力。分析比较其最大等效应力和最大相当应力的比值，发现：该比值均在 1 o 1 1 之间，其中取齿项圆作为凹模应力计算的内径时，该比值较大。由 此得出：取凹模型腔齿形的齿顶圆直径作为凹模内径，采用厚壁筒强度理 论来计算凹模的最大相当应力较为简捷，放大1 1 倍更为可靠。这对圆柱直 齿轮精锻成形凹模受力分析具有较大实用价值。 关键词：圆柱直齿轮，温精锻，凹模最大应力计算，有限元分析 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho ns i m 唧l a t l 0 no f 猃r mp r e c i s i o n f o r g i n gp r o c e s s e so fs p u rg e a r sa n d s t r e s s c a l c u l a r i o n0 fc o n c a v ed i e a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t a lc u t t i n gm e t h o d ，t h ep r e c i s i o n f o r g i n go fg e a r sh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha se f f i c i e n tu s eo fm a t e r i a l ，h i g h p r o d u c t i v i t ya n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fw o r kp i e c e s t h e r e f o r e ，t h e p r e c i s i o nf o 喀n go fg e a r sh a sb e c o m et h er e s e a r c h i n gf o c u sa th o m ea n d a b r o a d w i t ht h eh e l po ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e ，d e f o r m 一3 d f e m ，a n dc o m b i n e dw i t ht h et r a d i t i o n a lf o r c ea n a l y z i n gm e t h o d ，t h i st h e s i s f o c u s e so nas t u d ya b o u tt h ef o r c ea n a l y s i sa n dt h es t r e s sc a l c u l a t i o no ft h e w a r mp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s s b a s e do nt h ed i s c u s s i o na b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a r m f o r g i n ga n d c o l df i n i s h i n go fg e a rp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s sa n dd i es t r u c t u r e ，t h i st h e s i s b u i l d sm o d a l so ft h em a i nd i ep a r t si nt h ew a r mp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s so f g e a r sb yu s i n g3 dm o d e l i n gs o f t w a r ep r o e 4 0o ns p u rg e a rp a r a m e t r i c m o d e l i n g w t l lt h eh e l p o fd e f o r m 一3 d ，t h i st h e s i s a l s ob u i l d st h e t h r e e d i m e n s i o n a lf m i t ee l e m e n tm o d e lo fb l a n kd i a m e t e rp o s i t i o n i n ga n d f l o a t i n gd i es t r u c t u r ei nw a r mp r e c i s i o nf o r g i n go fg e a r sa n dn u m e r i c a l l y s i m u l a t e st h ef o r m i n gp r o c e s so fg e a r sa n dd i ec a v i t yc o m e rf i l l i n gc o n d i t i o n i i i i n a d d i t i o n ，t h er u l e s o fb i l l e ts t r e s sa n ds t r a i n d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n t m o m e n t sa n dc h a n g e so ft e m p e r a t u r ef i e l da r ea n a l y z e d w a r mp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s s e so ft w og r o u p s o fs p u rg e a r sa r e s i m u l a t e da n da n a l y z e db yu s i n gd e f o r m 一3 df i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n s o f f w a r e t h et e e t ho fg e a r si ng r o u pi a r e36a n dn u m b e r so fm o d e l sa r e r e s p e c t i v e l y2 ，4 ，a n d5 t h et e e t ho fg e a r s i ng r o u pi ia r er e s p e c t i v e l y18 ，3 6 a i l d7 2a n dt h en u m b e ro fm o d e l si s2 t h e nm a x i m u mf o r m i n gf o r c ei s c a l c u l a t e du s i n gt h eo b t a i n e dp u n c hl o a dc u r v e b a s e do nt h eh y p o t h e s i st h a t t h em a x i m u mf o r m i n gs t r e s so fu n i tb l a n ki st h ew o r k i n gl o a do fd i e s ，t h e r a t i o o ft h ef l o w i n gs t r e s so fb l a n ka n dw o r k i n gl o a do fd i e si s c a l c u l a t e d t h e r e s u i t ss h o wt h a t ：f o rt h eg e a r si ng r o u pi ，t h er a t i oi sr e s p e c t i v e l y5 3 ，5 7 ，6 o ； f o rt h eg e a r si ng r o u pi i ，r a t i oi sr e s p e c t i v e l y5 0 ，5 3 ，4 7 ；t h er e s u l t sa l s os h o w t h a ti nt h ew a r mp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s so fg e a r sw i t hm o d u l e s2 - 5 ，t h e w o r k i n g l o a do fd i ei s5 - 6t i m e so f t h ef l o w i n gs t r e s so fb l a n k f u r t h e r m o r e ，d i es t r e s so f t h et w og r o u p so fg e a r si nt h ew a r mp r e c i s i o n f o r g i n gp r o c e s si sa n a l y z e db a s e do nf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o d t h e m a x i m a le q u i v a l e n ts t r e s st h ec o n c a v ed i e i nt h ef o r m i n gp r o c e s so fi s o b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，t o o t hr o o tc i r c l ed i a m e t e r o fc o n c a v ec a v i t ym o d e l ， p i t c hd i a m e t e r , d i a m e t e ro f a d d e n d u mc i r c l ea st h ed i ed i a m e t e ra r es e l e c t e d a n dt h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s so ft h et y r og r o u p so fs p u rg e a r s i s c a l c u l a t e db yu s i n gt h i c kw a l lc y l i n d e rf o r m u l a t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n o ft h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s sa n dt h em a x i m u me q u i v a l e n t s t r e s sr a t i o i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 s h o wt h a t ：t h er a t i oi s o n l yi n1 0 1 1 a n di tw i l lb et h el a r g e s tw h e nt h e a d d e n d u mc i r c l ei st a k e na st h ei n n e rd i a m e t e ri nt h ed i es t r e s sc a l c u l a t i o n i ti s f o u n dt h a t ：w i t ha d d e n d u mc i r c l ea st h ei n n e rd i a m e t e r , i ti sc o n v e n i e n tt o c a l c u l a t em a x i m u m e q u i v a l e n ts t r e s so ft h ec o n c a v ed i eb yu s i n gt h et h i c kw a l l c y l i n d e rf o r m u l aa n di ti sm o r er e l i a b l ew h e ni ti sm a g n i f i e dt o1 1t i m e s a l l t h e s ea r eo fg r e a tv a l u ei na n a l y z i n gt h es t r e s so ff o r m i n gd i ei np r e c i s i o n f o r g i n go fg e a r s k e yw o r d s ：s p u rg e a r s ，w a r mp r e c i s i o n f o r g i n g ，t h e m a x i m u ms t r e s s c a l c u l a t i o no fc o n c a v ed i e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d v 太原理工大学硕士研究生学位论文 一 二一 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 齿轮是用来传递运动和动力的关键部件机构，它在机械行业中运用的特别广。早 在公元前四世纪的古代中国战国时期就开始使用。以蒸汽机为首的第一次工业革命中 开始大量运用于各类机械的传动。目前，齿轮大量运用在汽车、船舶、重工等各类机 械行业中，其需求量极大。国内，齿轮主要采用传统的切削加工方法，包括铣齿、插 齿、滚齿、磨齿等生产方法。其生产周期长，对设备和工人的技术的依赖大，材料利 用率低，产品成本高。齿轮坯料的纤维组织被传统的切屑加工工艺沿齿形切断后，其 强度和寿命受到了严重的影响，导致社会生产和企业竞争力的需求得不到满足，这就 要求人们对齿轮加工技术进行改革，因此，改进齿轮的加工方法，提高其强度和疲劳 寿命，节约其成本和资源，提高其生产效率，具有重要的现实意义。 改革开放以来，国内净成形和近净成形加工技术有了巨大的发展，国民经济和社会 发展做出了重大贡献。由于精锻成形工艺技术净成形率特别高，它将逐步取代切削加 工，成为齿轮成形的主流加工方法。该工艺克服了传统切削加工中生产效率低、材料 利用率低、金属流线差、经济性差等缺点。而且精锻成形的齿面不需后续机加工，可 直接使用，金属内部沿齿形轮廓形成连续的金属流线，组织致密、均匀，齿轮表面在 锻造后形成加工硬化层等，从而明显地提高了齿轮的综合力学性能i l 5 。然而，齿轮几 何形状复杂，金属的流动特殊，成形力较大，导致凹模型腔角隅难以充满，凹模模腔 易磨损，凹模应力集中明显等缺点，制约着齿轮精锻成形技术的发展。国内外的学者 正致力于克服诸述成形缺点，完善上述工艺理论。 近年来，随着计算机软硬件技术的飞速发展，原先依赖于长期经验积累的理论分 析得到改善，运用有限元模拟技术解决工业中的实际问题，是新世纪金属塑性成型技 术的发展方向。通过计算机数值模拟技术对齿轮精锻过程进行模拟计算，可获得成形 规律和预测金属微观结构以及性能。包括工件的应力应变场，最终成形形状，成形过 程中是否发生折叠、裂纹、填充饱满度等缺陷。以较小代价，较短时间通过模拟来寻 找最优可行设计从而指导生产实践，为齿轮精锻工艺的研究和应用提供理论指导和技 术依据 6 - 7 1 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 国内外齿轮精锻技术发展概况 齿轮的用途广，批量大，精度要求高。它的加工能力和技术某种程度上代表了一 个国家的机械制造水平。一些欧美国家在上世纪六十年代开始运用锻造的方法研究齿 轮成形工艺。上世纪八十年代随着塑性加工技术的发展，日本等国家对齿轮的冷、温 精锻技术进行了积极探讨，并对伞齿轮的精锻工艺做了改进，开始大量运用精锻工艺 制造伞齿轮【8 】。在我国，尽管齿轮精锻技术起步比较晚，但是随着工业的发展，国内 学者也在该领域取得了一定的成就。目前大部分齿轮仍采用机加工方法下的传统工制 造。该工艺流程为：下料骂锻造一机加马渗碳马淬火马回 火 9 1 。这种传统工艺产晶性能差，工件周转环节多，生产周期长，材料利用率低( 大 量材料被机械切削加工消耗掉，毛坯只利用3 0 0 0 - - - 5 0 ) ，机加工工时消耗大，高温锻 造能耗高，造成了极大的浪费。该技术不符合可持续发展的“能源和原材料战略”，社 会迫切需要寻求新的制造技术对其进行改革。齿轮精锻工艺属少、无切削加工技术， 大概工艺流程为：下料一精密成形一表面处理一形变热处理。这种成形工艺在生产率、 材料利用率、抗疲劳性、成本等方面均优于传统切削加工，致使世界各国学者对其研 究高度重视。目前直齿锥齿轮精锻在工业发达的国家已具备批量生产能力，已获得明 显的经济和社会效益。 1 1 1 齿轮精锻的发展过程 金属塑性成形是一个十分复杂的过程，坯料形状、温度条件、材料特性、润滑情 况，摩擦条件、模具形状等因素对变形过程影响很大。金属塑性成形研究的主要任务 就是根据材料的特性，分析塑性成形过程中造成坯料形变的应力场、应变场和变形条 件等因素，进而掌握成形规律，为解决塑性加工中出现的各种实际问题提供解决方法。 从上世纪7 0 年代起，各种金属及其合金的精锻工艺和技术发展很快，精锻设备 和辅助设旌逐步向大型化、专业化方向发展迅速，技术日趋成熟。精锻材料主要包括： 低碳钢、中碳钢、低合金结构钢、不锈钢、轴承钢、有色金属等。精锻出的齿轮先后 运用在汽车、拖拉机、家用电器等领域。 上世纪6 0 年代，国内学者对圆柱直齿轮精锻工艺做了试探，由于模具寿命低、难 以充满型腔、齿轮产品精度低和锻件易出现飞边等原因，未获得量产。近年来，由于 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 经济的发展和能源的短缺，政府大力提倡建设资源节约型社会，国内重新开始对该领 域进行深入细致的试验和试制。 太原理工大学池成忠【l o 】等人，从上世纪九十年代开始研究和试制圆柱直齿轮的热 半精锻工艺，即在高温锻造时锻出接近齿形形状的三角形，齿形渐开线靠机械切削来 完成。这种工艺的优点是可节约材料，提高齿轮的力学性能，缺点是生产效率低，凹 模的强度和寿命低。故该工艺成形的齿轮没有获得批量生产。 吉林大学杨慎华、寇淑清【l l 】等人利用传统的上限法研究圆柱直齿轮冷精锻力能参 数的求解方法，构建了分析模型，接着运用数值模拟分析了预锻和约束分流终锻两步 成形的闭式模锻。得到了以下结论：采用约束分流技术精锻齿轮，可有明显降低成形 终了阶段载荷力，增加凹模型腔齿形角隅的填充能力；采用有限元模拟技术运用矩阵 变换理论来解决刚度矩阵的非对称问题，可以使模拟更加简单、有效、合理。 程军、林治平【1 2 j 等人对齿轮精锻过程作了物理试制，运用环氧树脂模型进行三维 光弹性试验，得到了凹模型腔受到的最大应力，分析得到了凹模模腔内应力的分布情 况。 青岛齿轮二厂与青岛建筑工程学院的田福祥【1 3 】合作，进行了圆柱直齿轮“热精 锻( 锻造温度1 0 0 0 ) 一冷推挤”的方法的塑性成型研究。采用成形力较大的闭式热 精锻。热精锻在加热前必须进行防氧化处理，辅助工序多，表面质量差。 山东大学张清萍、赵国群【1 4 】等人采用有限元计算方法分析圆柱直齿轮精锻过程， 分别设置齿轮精锻过程中不同的步长、模数、齿数、表面单元数等参数后多次采用有 限元模拟软件计算，对比分析不同参数对成形工艺的影响，最终确定了最优成形工艺 的参数选取。模拟结论为：只把模数和齿数作为单一变量的情况下，随着模数和齿数 的增加，成形载荷逐步增大，其中相比于齿数而言，齿轮模数的增加对成形载荷的影 响更为显著；把齿轮厚度作为单一变量的三维有限元模拟结果发现，成形开始时随着 齿轮厚度的增加，成形载荷增加明显，在成形终了阶段载荷只是稍有增加。 合肥工业大学邓陶勇、刘全坤【1 5 】等人对直齿轮冷精锻模具弹性变形规律做了深入 研究，采用有限元数值模拟作为研究手段，分析了冷精锻工艺中模具弹性变形和齿轮 的弹性回复。研究表明：模具在齿形填充过程中发生径向弹性扩展，在齿形、齿高和 齿形曲线的法向方向弹性变形均呈现有规律的变化。最后还提出反扩展修正系数法修 正齿形模腔来提高齿轮精度。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 欧美发达国家对齿轮精锻工艺研究起步早，在上世纪八十年代，英国研究人员 t u n c e rc 和d e a nt a 1 6 】运用浮动凹模结构精锻中心带孔的齿轮，把中空厚壁圆筒锯成 环形毛坯，锻造带中心孔的圆柱直齿轮，成形后齿面留有一定的切削余量。所以该工 艺仅适合生产带有大的中心孔的圆柱直齿轮，而且是半精锻，由于诸多局限所生产齿 轮的种类和效率很低。 伊朗研究人员m h s a d e g h i 1 7 】等人对圆柱直齿轮和斜齿轮的成形工艺做了深入研 究，运用传统上限圆法来预测成形载荷和坯料的流动情况，该结论和物理试制结果一 致。除此之外，还研究了模数、齿数、摩擦系数、坯料内孔大小对成形载荷的影响。 得出的结论为：随着模数、齿数、摩擦系数、坯料内孔直径的减小，成形载荷减小。 y q i n ，r b a l e n d r a 1 8 】等运用有限元计算软件a b a q u s 分析了凹模型腔的几何形状、 坯料的机械性能、摩擦系数等参数对齿轮的尺寸精度有显著的影响。该结论为：摩擦 系数、坯料流动应力的增大，会导致模具弹性变形量的增大。随着模具材料强度的增 大，成形过程中模具的弹性变形明显减小。成形后齿轮的精度和成形过程中摩擦系数、 坯料流动应力和模具材料强度有直接的关系。 t h e d 一1 9 j 等运用有限元分析软件a n s y s 分别设置齿轮精锻过程中不同的步长、 模数、齿数、表面单元数等参数后，多次采用有限元模拟软件计算，对比分析不同参 数对成形工艺的影响，最终确定了降低成形载荷和凹模应力的最优成形工艺的参数。 并通过有限元分析软a n s y s 模拟得到凹模受到的最大应力。 日本非常重视齿轮的塑性成型技术，研究起步早，整体塑性技术处于水平较高。 1 9 8 4 年日本名古屋大学的k k o n d o 和n u m a z u 【2 0 】等运用轴向和径向分流工艺对精锻圆 柱直齿轮的精密成形分析。制定了两次成形工艺，第一步为闭式模锻，齿轮填充到分 度圆；第二步让出中心孔，起到约束孔分流作用，通过轴向垂直载荷作用，坯料流向 向中心孑l 的同时逐步充满凹模齿腔。第二步为开式模锻成形，因此大大降低了成形载 荷，同时模具寿命得到了有效提高，但对于齿厚较大的直齿轮齿形中部极易出现折叠 问题。神奈县k o g y o 压力有限公司和东京大学y u k i h i k o u c h i d a 2 1 1 等人用拉伸厚壁筒 形件底部校核、两次拉深、冷压缩的方法试制圆柱直齿轮，其工艺顺序为：退火一涂 润滑剂一重复拉深一退火一涂润滑剂一压缩。该工艺运用三次润滑和两次退火处理， 工序繁冗，而且只适合于薄壁圆柱直齿轮。 上世纪九十年代，日本a i d 工程技术公司和y a m a n a k a 模具制造有限公司已 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 成功地运用冷成形法生产了圆柱直齿轮。这种方法是在室温下进行的，成形后的齿轮 精度达到0 0 2i 姗。该方法生产效率高，得到的成品件齿面精度等级高，但该方法 只局限于冷精锻。温或热成形时，与模具接触表面的坯料迅速冷却，导致成形终了阶 段齿形难以填充饱满，继续增加压力后只有降温小的心部金属流动，所以成形齿轮直 径小于5 0m m ，而且这种成形设备是该公司制造的专用压力机。再之，该精锻工艺属 于一般冷精锻范畴，具有一般冷精锻的绝大部分缺点，如：退火次数多，对原料要就 苛刻，否则成形后的齿轮容易出现裂纹。该精锻工艺在国内推广较为困难。 1 1 2 齿轮温精锻的优越性及发展现状 按照不同的锻造温度精锻可分为热精锻、冷精锻和温精锻三种类型。钢的热精锻 一般温度为9 0 0 。c 以上，它的优点是高温坯料的变形抗小，可提高填充性能，降低模 具应力，但是也存在诸多缺点，比如对模具材料有较高的耐热性要求，模具一般需要 设计冷却系统，且其寿命低，毛坯加热产生的氧化皮，热收缩等降低锻后零件的尺寸 精度。冷精锻随着汽车工业的发展应用而生的一种净成形技术，该成形法与热精锻相 比不产生氧化皮，可获得理想的尺寸精度和良好的表面粗糙度，但变形抗力大，对模 具强度要求高，模具寿命低，不利于大模数大齿数齿轮的精锻生产。 温精锻一般温度范围为6 5 0 。c - - 9 0 0 。c ，是介于冷精锻和热精锻之间的一种精锻工 h ， 艺。兼有冷热精锻的优点，而且避免了二者各自的缺点。相比于冷精锻，不仅完全继 承了生产率高、改善了产品性能、节约原材料等优点，温度升高后坯料的流动应力明 显降低，比冷精锻成形需要的成形力小，设备的吨位要求低，而且一般模具寿命也会 提高，相比于热精锻过程，随着坯料温度的降低，加热后不易于出现如：过热、脱碳、 氧化等一般出现于热精锻的缺陷，产品的尺寸精度和表面光洁度得到保证，产品机械 性能也提高 2 2 - 2 3 1 。 国内外涉及温精锻成形研究的材料主要有碳素钢、合金结构钢、不锈钢、轴承钢， 并应用于家用电器、汽车等行业等。多名学者预测，在不久的将来温成形会有很大的 发展，鉴于其优越性明显，产量的比重将会超过冷成形，德国某公司多年致力于齿轮 温精锻成形的研究和试验，制造出的圆柱直齿轮精度可达到i t 9 级以上，材料利用率 达到8 5 以上，生产效率了达到1 3 0 件每小时，可谓该领域的佼佼者。鉴于温精锻优 越性及目前所取得的显著成就，各国越来越多的学者致力于该领域的研究。 但是，目前温精锻技术由于发展比较晚，其工艺技术领域还很年轻，在坯料变形 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 参数( 变形程度、力、温度，模具结构、材料，摩擦和润滑，产品的精度控制等) 还 缺少数据支持，为了把这种成型工艺逐步完善，我们需要综合研究变形过程中的基本 参数，而非把某个参数单独分析，找出变形过程中的各个因素问的配合关系和其主要 影响因素，从而可以更加直观地优化成形工艺。 1 1 3 有限元计算在齿轮精锻技术中的应用 金属精锻技术是一个微观上很复杂的变形过程，塑性成型研究的目的就是分析载 荷在成形过程中对坯料的应力、应变、流动方式等进行分析，找出成形规律，从而解 决各种成形问题，为确定最优设计提供理论依据。目前塑性成型分析主要包括三种方 法：1 依据经典塑性理论的解析法；2 基于实测数据的实验力学法；3 基于有限元的 数值模拟计算法。随着计算机软硬件的发展，采用数值模拟法分析塑性成型过程已显 现出其优越性2 4 之8 1 。 数值模拟法可以考虑到如： ( 1 ) 温度、摩擦润滑条件、变形速度、材料特性以及模具几何形状等多因素耦合对 成形过程的影响。 ( 2 ) 能够分析绝大部分本构关系下金属精锻过程。 ( 3 ) 能够获得为优化设计提供参考的数据如：应力、应变、成形力、温度场分布等 因素。 ( 4 ) 通过计算机对成形过程的模拟，可以直观的看到成形的全过程，反复计算和演 示，可以预测成形过程中可能出现的缺陷，并通过参数优化来避免可能出现的缺陷， 从而节约试模、修模的费用，提高了生产率和缩短了生产周期。 国内外许多学者采用有限元分析法对齿轮精锻过程进行分析，法国学者c h e n o t 2 9 运用有限元软件f o r g e 对螺旋齿轮的冷锻过程进行了模拟。丹麦学者j g r o e n b a e k 【3 0 j 运用有限元计算软件a n s y s 和m a r c 分析了多种斜齿轮在普通压力和高强压力下的 模具系统，这种方法使得分析和优化复杂冷锻模具成为可能，最后将分析结果用于工 业生产，得到以下结论：模具中小塑性变形是确定模具寿命的决定性因素，运用高强 硬度模具型腔系统可大大提高模具寿命。韩国学者d y y a n g 3 1 1 采用三维有限元数值模 拟软件分析圆柱直齿轮精锻过程，提出坯料网格区域化划分要结合形变流动规律和几 何特征，结果证实该网格划分法可获得满意的齿形并且能减低成形载荷。 采用数值模拟技术，能使模具设计、产品设计、调试至投产的周期缩短1 2 ，模 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 具制造成本降低1 3 。因此，运用有限元数值模拟技术参与金属成形过程分析和工艺 优化具有重要的意义。 1 2 齿轮精锻技术的缺点和待解决问题 近年来，国内外学者对圆柱直齿轮精锻工艺做了大量的模拟分析和试制实验，对 坯料成形规律的分析和模具结构的设计方面取得了重大突破。但是，仍然存在很多有 待于解决的问题和困难p 2 3 3 】，主要包括以下两点： ( 1 ) 凹模强度及寿命低。圆柱直齿轮温精锻模具的工作条件极其恶劣( 高温、高压、 高摩擦力) ，对模具综合力学性能提出了非常高的要求，要求模具材料在高温下具有较 高的硬度、强度、冲击韧性、热疲劳性、耐磨性和耐压性。而且，圆柱直齿轮温精锻相 比于开式模锻成形模具承受的作用力大。凹模在较高温度和较大载荷等恶劣环境下工作， 模具的内应力极易超过材料的强度极限，导致模具失效，尤其是承受冲击载荷和有应力 集中时，模具更容易破坏。该问题成为目前制约圆柱直齿轮精锻工艺应用于生产实践的 关键难题。 。 ( 2 ) 成形终了阶段成形力的激增。成形终了阶段为凹模型腔角隅部分的填充阶段，此 时型腔内绝大部分已经充满，坯料的自由流动面积很小，这就需要克服很大的静水压力 来完成型腔角隅部分的填充，导致载荷呈直线上升。很多学者提出了约束分流方法来增 大坯料自由流动面积，这样明显降低了成形力，但是带来的负面影响是齿形难以填充饱 满。 近三十年来，精密成形技术因其优越性得到了国内外学者的高度重视，大量的工 作人员投入巨大的经历致力于该领域的研究，相信不久的将来会得到更加丰硕的成果。 1 3 本课题的研究目的、意义及内容 1 3 1 目的和意义 齿轮精锻成形工艺相比于传统的切削加工更符合时代对我们的要求，更符合当今 “可持续发展战略”，是落实“建设资源节约型，环境友好型”基本国策的有效途径。 该成形方法具有如下优点： ( 1 ) 低成本、高效率、节材、节能环保等。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 提高和改善了齿轮的耐磨、抗腐蚀、齿根部弯曲疲劳强度、抗疲劳等力学性能。 ( 3 ) 温精锻和冷精锻有效地结合，制品尺寸精度和表面质量得到了有效的保证。 鉴于以上优点国内外学者对齿轮精锻工艺做出了长期的不懈努力，开发了多种精 锻方法，但是成功地用于大批量生产的成熟技术却寥寥无几，导致现状的主要原因是： 成形力大、模具强度和模具寿命低、齿面精度差、凹模型腔角隅金属流动困难等。鉴 于目前圆柱直齿轮成形工艺现状，本人详细了解前人研究成果基础上，设计了温精锻 和冷精整成形工艺结合的成形方法，运用d e f o r m 3 d 有限元分析技术对不同模数、 不同齿数圆柱直齿轮温精锻过程进行模拟分析，并把得到的载荷行程曲线作凹模最大 相当应力计算的基础数据，分别选取凹模型腔齿形的齿根圆、分度圆、齿顶圆作为壁 厚内径，运用厚壁筒强度理论对凹模最大相当应力计算，并运用有限元模拟软件 d e f o r m 3 d 对凹模最大等效应力进行模拟。最后分析和比较了各组数据，找到了运 用厚壁筒强度理论对圆柱直齿轮精锻成形凹模最大相当应力计算的内径值，该结论对 圆柱直齿轮精锻成形凹模受力分析具有较大实用意义。 1 3 2 本课题主要内容 课题内容主要有以下几个部分： ( 1 ) 论述本文所采用“温精锻+ 冷精整”的齿轮精锻工艺，介绍两整套齿轮精锻 的模具结构和工艺参数。 ( 2 ) 运用绘图软件p r o e 4 0 中的参数化建模功能，分别生成圆柱直齿轮温精锻 过程中主要模具零件的实体模型，对模具装配并对装配好的零件逐个保存为s 格式模 型，为后续的有限元分析做准备。 ( 3 ) 运用三维有限元模拟软件d e f o r m 一3 d 建立圆柱直齿轮温精锻过程的模型， 并对其进行了成形过程模拟，来预测分析坯料外径定位和浮动凹模结构，成形齿轮的 凹模型腔角隅充填状况，不同时刻坯料应力和应变分布规律和温度场的变化。 ( 4 ) 运用有限元模拟软件d e f o r m - 3 d 对齿数为3 6 ，模数分别为2 、4 、5 和模 数为2 ，齿数分别为1 8 、3 6 、7 2 的圆柱直齿轮温精锻过程模拟分析，来探讨单位成形 力、凹模工作载荷和坯料流动应力之间关系。 ( 5 ) 运用有限元模拟软件d e f o r m 3 d 中的模具应力分析模块对齿数为3 6 ，模数分 别为2 、4 、5 ( i 组) 和模数为2 ，齿数分别为1 8 、3 6 、7 2 ( 组) 的圆柱直齿轮温精锻 凹模最大等效力进行模拟分析。运用厚壁筒强度理论计算这两组齿轮的凹模最大相当应 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 力，来探讨凹模最大相当应力和凹模最大等效应力之间关系。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 一一 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章圆柱直齿轮温精锻工艺和模具结构 齿轮精锻是通过精密锻造技术直接获得完整齿形，以生产尽量接近零件最终形状 的产品，不需后续进行齿面机加工，只需对齿端面进行切削加工。齿轮温精锻温度在 6 5 0 。c 9 0 0 。c 以内。齿轮温精锻常用于流动应力较高的中碳钢及部分合金钢的塑性成 形，相比冷锻而言，温精锻材料的流动应力低，成形载荷随之降低，从而凹模受力也 降低，最终坯料易于成形；相对于热锻而言，温精锻避免了成形温度高导致的坯料严 重氧化和精度低的缺点，如精锻后齿面氧化严重的话后续需要去氧化皮，该工艺繁琐， 而且去氧化皮后齿面精度低。由于，齿轮精锻成形工艺采用温精锻避免了冷热锻的缺 点并保留了各自的优点。因此，齿轮温精锻工艺具有先天的优越性。本文先采用齿轮 温精锻成形，然后在室温进行下冷精整。 温精锻预成形后，塑性变形过程基本完成， 齿形填充饱满，冷精整工艺进一步提高齿 轮的齿面精度和表面质量。 2 1 浮动凹模原理及运用 在闭式模锻过程中，坯料和模具型腔的 摩擦阻碍金属充满型腔，这就导致需要更大 模压力来抵消摩擦阻力促使金属成型。随着 成形力的增大，凹模受到的等效应力增大， & 、 留萋 s 冀 豸 y 蕊一萋引 图2 - 1 浮动凹模 f i g 2 1f l o a t i n gb o t t o md i e 浮动凹模 这样增大了凹模工作时的负荷，降低了凹模寿命。极端情况下，凹模直接断裂失效。齿 轮精锻时坯料主要流动方向为径向。在成形开始阶段，坯料主要是在克服轴向摩擦力的 阻力下流动的；成形终了阶段，除凹模型腔角隅部位外坯料基本完成填充，该部位需克 服径向摩擦力来完成在最后的填充过程。坯料的上下齿端面都要受到径向摩擦阻力的作 用，导致齿腔角隅部位难以充填。精锻成形时，上模块刚接触到坯料时，毛坯上表面受 到了接触正压力，进而坯料沿轴向开始流动。在凹模静止的情况下，坯料受到沿轴向向 上的摩擦力。随着坯料受到的正压力的持续增大，上部的坯料由于受到了摩擦动力， 首先发生形变，率先开始充填凹模型腔，所以相比于浮动凹模，非浮动凹模结构利于凹 太原理工大学硕士研究生学位论文 模型腔上部的金属流动；如果凹模和上模块同速度向下运动时，毛坯受到凹模施加的向 下的摩擦力，这中情况下离下模越近的坯料受到的正压力越大，下部的坯料更易满足屈 服条件，形变首先发生于该部位，率先完成该部位的填充。显而易见，浮动凹模结构 改变了坯料受到摩擦力的方向，改变了主作用力在坯料整个轴向的分布情况，采用浮动 凹模，相比普通结构齿项下角隅难以填充，浮动凹模变摩擦阻力为动力，更易填充该部 位，成形过程中坯料受到向下的摩擦力，齿顶下角隅更易于填充1 3 4 】。浮动凹模如图2 1 所示。 2 2 精锻温度的选择 成形温度的选取是齿轮温精 锻工艺参数的关键点之一，一般 温锻的温度范围在6 5 0 一9 0 0 之间，2 0 c r 在6 5 0 一7 5 0 之间 随着温度的升高屈服应力降低明 显，该温度范围是屈服应力急剧 下降区，而7 5 0 一9 0 0 之间随 温度的增加应变值减小变缓，温 度继续升高虽然坯料的应变值变 小，但是凹模温度也随着升高， 而且坯料氧化严重；温度过低使 得坯料应变值大，成形载荷大。 综合考虑2 0 c r 材料在7 5 0 成形 可兼顾二者优点，所以本文选取 7 5 0 c 为齿轮精锻温度，如图2 2 b 5 所示：7 5 0 。c 时该材料的应变 值大概为lo o m p a 。 图2 - 22 0 c t 钢高温拉伸力学性能 f i g 2 2g r a p ho fs t r a i n - s t r e s so f2 0 c rf o rw o r m d e f o r m i n g 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 成形工艺的确定 2 3 1 工艺方案的确定 根据齿轮温精锻特点，本文采用以下两步成形方案。 第一工步二温精锻 由于齿轮锻造初始阶段的坯料自由面积大所以载荷并不十分大。而在齿轮充填的终 了阶段，随着金属自由流动面积的急剧减小，载荷将会急剧升高。故齿轮锻造的最后打 靠阶段最为关键闪。为了降低该阶段的载荷和凹模受力，采用能降低坯料的流动应力温 锻的方法；为了使齿轮成形终了阶段凹模齿腔角隅易于成形，采用浮动凹模结构。 第二工步冷精整 经过温精锻后的齿轮已基本成形，但是毛坯加热引起的氧化物和热收缩降低了齿轮 齿面尺寸精度【3 ”9 1 ，致使齿面的精度达不到工作的要求，为了提高齿轮齿面的精度，采 用推挤模对温精锻后的齿轮进行冷精整。经过冷精整提高齿轮齿面精度后，不需要对齿 面进行后续加工即可达到工作要求 4 0 l 。通常，经冷精整后齿轮精度比凹模型腔的精度低 1 级 2 3 2 工艺参数的选择 ( 1 ) 组合凹模的选取 圆柱直齿轮温精锻模具的工作条件极其恶劣( 高温、高压、高摩擦力) ，对模具强 度、刚度、精度及寿命要求非常苛刻，凹模是整套模具中受力最复杂的零件，是服役过 程中最容易失效的零件，所以凹模是整套模具最关键的零件，要选用合适的材料和设计 合理的结构来保证凹模强度和寿命。 由模具的工作环境所限，要求模具材料在较温度下具有很好的硬度、强度、冲击韧 性、热疲劳性、耐磨性和耐压性。符合上述要求的模具材料首选热作模具钢。热作模具 钢可分为：韧性模具钢、强韧性模具钢、高强度钢三类。h 1 3 作为强韧性模具钢的代表， 具有较高的高温红硬性和刚热疲劳刚性，可以很好的满足齿轮温精锻工作过程中承受很 大的高温载荷，极冷极热等极端工作环境。 圆柱直齿轮温精锻相比于开式模锻成形模具承受的作用力大，这是由于在成形终 了阶段自由流动的金属面积相对小，需要很大的成形力来完成坯料的继续填充。凹模 在较高温度和较大载荷的恶劣环境作用下工作，凹模所受的最大应力极易超过材料的 13 太原理工大学硕士研究生学位论文 许用应力，凹模在冲击载荷的作用下和有应力集中时，模具容易沿径向开裂。为了提 高模具寿命就需要提高模具的强度和减少应力集中。 对于圆柱直齿轮的温精锻成形，凹模壁厚增大到一定量后强度将不随壁厚的增加 而加强。所以当凹模在恶劣的环境下工作时一般采用组合凹模来提高凹模强度。 凹模工作时，其所受应力是一个复杂的抗张、抗压、抗剪切的联合应力，仅依靠增 大凹模壁厚的方法提高凹模强度是及其有限的，为了提高凹模强度和充分利用模具材料， 本文采用双层组合凹模p h 3 1 。组合凹模是利用预应力圈和内层凹模过盈配合产生的预应 力来抵消工作时坯料施加给凹模的应力。本文选取预应力圈材料为3 0 c r m n s i ，采用热套 ( 加热到4 0 0 ) 压配合的方法对和凹模内层进行过盈配合。 ( 2 ) 润滑 润滑是精锻工艺的重要环节，有效的润滑措施可以降低金属在凹模型腔中的摩擦阻 力，从而利于坯料流动，可以起到改善金属流动条件以提高制品质量，减少模具的磨损 与损坏以提高模具寿命的目的。齿轮温精锻过程对于润滑剂有以下要求m ： ( a ) 在温精锻成形中能够形成牢固、连续的保护膜。 ( b ) 有良好的悬浮分散性和可喷射性，以便容易涂到毛坯表面并便于从工件表面上 清除。 ( c ) 能够保护毛坯、防止氧化和气体污染，并且有较高的化学稳定性不与毛坯和模 具的表面发生化学作用。 (