（材料加工工程专业论文）半轴齿轮温（热）精锻成形技术研究.pdf

重庆人学硕十学位论文 中文摘要 摘要 闭塞式精锻工艺属于金属塑性加工的先进工艺，齿轮精锻就是通过精密锻造 直接获得完整齿形，且齿面不需或仅需少许精加工即可使用的齿轮制造技术。它 有效地改善了齿轮的组织和性能。精锻使金属三向受压，晶粒及组织变细，致密 度提高，微观缺陷减少；精锻还使金属流线沿齿形连续均匀分布，提高了齿轮的 机械性能。精锻齿轮的齿形精度能达到精密级公差、余量标准，工件只需少量精 加工就可进行热处理，提高了生产效率及材料利用率，降低了生产成本，大大提 高了齿轮制造的市场竞争能力。 近年来，随着计算机技术的飞速发展，闭塞式精锻技术也取得了巨大的进步。 本课题以半轴齿轮为例，先利用模具c a d 技术对半轴齿轮进行三维实体建模，然 后应用f e m 模拟技术等对半轴齿轮的成形过程进行数值模拟仿真。分析了金属存 成形过程中各种场变量的变化，预测金属流动趋势，并就不同的凸、凹模结构及 形状尺、r 、连皮厚度、连皮相对于齿轮端面距离等对半轴齿轮的成形载荷、会属 流动情况( 或充填性) 以及模具寿命等的影响规律进行了研究，确定了最优的凸、 凹模结构、连皮厚度以及连皮相对于齿轮端面的距离等工艺参数。进而根据优化 出来的结果设计出了一套合理的温精锻工艺和基于8 0 0 吨双动液压机的模具。最 后利用优化结果进行了实验，并将数值模拟结果与实验结果进行比较，得出了以 下主要结论：改进凹模结构，在齿模大端尖顶处设置尖角，成形时该失角可以起 到容纳多余金属的作用，并确保齿廓面的完全成形：改进凸模结构，在凸模下端 与顶杆上端加一大小、形状适当的凸台， 分流，更有效的改善了齿形的充填条件； 可对毛坯产生一定的径向力，便于金属 合理的连皮厚度和连皮位置对齿形的充 填也起着重要的作用，当连皮厚度t = o 3 d ，h = o 5 1 - i 时，齿形的充满情况最好；锻 件上小于9 2 5 的孔，只要模具结构合理，锻出来更有利于齿形的充满。 通过本课题的研究，将精密锻造理论，数值模拟仿真技术以及模具c a d c a m 技术结合起来，达到了提高生产效率、缩短产品开发周期、提高模具寿命、降低 能耗和生产成本等目的。本课题的研究成果可以为其他锥齿轮的生产以及相关的 模具设计提供理论和实践依据。 关键词：半轴齿轮，闭塞式精锻，f e m 模拟，齿形，实验研究 重庆大学硕十学位论文英文摘要 a b s t r a c t e n c l o s e d d i ef o r g i n gp r o c e s si so n eo ft h ea d v a n c e dp r o c e s s e si nt h ef i e l do fm e t a l f o r m i n g f u l lt o o t ho fg e a rc a nb eo b t a i n e dt h r o u g hp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s s ，a n dt h e t o o t hn e e dn oo rl i t t l ep r e c i s i o nm a c h i n i n go n l y t h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fg e a r c a nb ei m p r o v e de f f e c t i v e l yt h r o u g ht h i sp r o c e s s t h ep r o c e s sc a l lm a k em a t e r i a l d e p r e s s e ds t r e s si nt h r e ed i r e c t i o n s s oi t c a l la u e n u a t ec r y s t a lg r a i n s ，i m p r o v et h e d e n s i t ya n dd e c r e a s em i c r o c o s m i cd e f e c t s i tc a l la l s om a k em e t a l l i cf i b r es t r e a m l i n eo f t e e t hm o r ec o n t i n u o u sa n ds y m m e t r i c a l ，a n dl c a dt ot h ei m p r o v e m e n to fm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo fg e a r t h ep r e c i s i o no fg e a rs h a p ec a nc o m et oav e r yh i g hl e v e l 。t h e w o r k p i e c en e e d so n l ya l i t t l eo f m a c h i n i n gb e f o r eh e a tt r e a t m e n t t h ep r o c e s si n c r e a s e s p r o d u c t i v i t yr a t ea n du s er a t i oo fm a t e r i a l s ，d e c r e a s e st h ec o s to fp r o d u c t i o n t h e r e f o r e t h ec o m p e t i n ga b i l i t yo fg e a r si si m p r o v e dg r e a t l y d u r i n gr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h e t e c h n o l o g yo fe n c l o s e d d i ef o r g i n gh a sa c h i e v e dg r e a tp r o g r e s s e s ，【nt h i sr e s e a r c ha k i n do fh a l fa x l eg e a rw a si n t r o d u c e d w h o s em o d e lw a sm a d eb yt h ec a d t e c h n o l o g y t h ef o r m i n gp r o c e s so ft h eh a l fa x l eg e a rw a ss i m u l a t e db yf e ms o f t w a r e t h e t r a n s f o r m a t i o n so ft h ef i e l d sd u r i n gt h ep r o c e s so fm e t a lf o r m i n gw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h e t e n d e n c yo fm e t a l l i cf l o ww a sf o r e c a s t e d ，a n dt h er u l e sh o wv a r i o u si t e m sa f f e c tt h e f o r m i n gl o a d ，m e t a l l i cf l o w , t h el i f eo fd i e sw e r ed i s c o v e r e d t h ef a c t o r si n c l u d et h e d i f f e r e n ts t r u c t u r e so fm a l ea n df e m a l ed i e ，w e bt i f f c k n e s s ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nw e b a n db i g - e n df a c eo fg e a r , e t c a n dt h em o s ts u i t a b l ed i es t r u c t u r e ，w e bt h i c k n e s sa n d d i s t a n c ew e r em a d ec e r t a i n ap r o p e rw a r mf o r g i n gp r o c e s sa n dad i e s e tb a s e do n 8 0 0 一t o nd o u b l ea c t i o nh y d r a u l i cp r e s sw e r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e s u l to ff e m s i m u l a t i o n f i n a l l ys o m ee x p e r i m e n t sw e r em a d e c o n t r a s t i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t h t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts o m ec o n c l u s i o n sw e r em a d e ：m o d i l y i n gd i es t r u c t u r e ( s e t t i n ga t i pa tt h eb i g e n do fg e a rt oh o l du n w a n t e dm a t e r i a l ) c a ne n s u r et h ec o m p l e t ef o r m i n go f t h et o o t h ；m o d i l y i n gm a l ed i es t r u c t u r e ( a d d i n gad u m m yo nt h eb o t t o mo fm a l ed i et o p r o d u c ear a d i a lf o r c eh e l p i n gt od i v i d em a t e r i a lf l o 、) c a ni m p r o v et h ef i l l i n ga b i l i t yi n t h ea r e ao ft e e t h ；p r o p e rw e bt h i c k n e s sa n dw e d p o s i t i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h e f o r m i n go fg e a r ( t h ep r o p e rv a l u e sa r et = 0 3 da n dh = 0 5 h ) ；i fah o l e 、v i md i a m e t e rl e s s t h a n2 5 m mo nt h eg e a rs h o u l db ef o r g e db yp r o p e rd i es t r u c t u r e ，i te v e nh e l p st o m e t a l l i cf l o wi nt h ea r e ao f t e e t h i i 重庆人学硕十学位论文 英文摘要 t h et h e o r yo fp r e c i s i o nf o r g i n g ，t e c h n o l o g yo ff e ms i m u l a t i o na n dm o u l d c a d c a ma r ei n t e g r a t e dt h r o u g ht h i sr e s e a r c h ，w h i c hh e l p st o s h o r t e nd e v e l o p i n g p e r i o d ，p r o l o n gl i f e s p a no fd i e ，a n dc u td o w nt h ec o s t ，e t c t h ep r o g e n y o ft h er e s e a r c h c a l lp r o v i d ea c c o r d a n c ef o ro t h e rb e v e lg e a r s p r o d u c i n g k e y w o r d s ：h a l fa x l eg e a r , e n c l o s e d d i ef o r g i n g ，f e ms i m u l a t i o n ，s h a p eo fg e a r e x p e r i m e n t i i l 重庆大学硕十学化论文 l引言 1 引言 1 1 课题背景 本课题所研究的对象是半轴齿轮的闭塞式精锻成形工艺。浚产品是长安汽车卜 的行星半轴齿轮，现行生产工艺采用先进行粗锻制坯，再利用切削加工精加工齿形、 背锥、半轴以及内孔花键的方法进行生产。但切削加工使得金属纤维组织被切断， 降低了齿轮强度，且材料利用率、加工效率很低，能源和工时消耗较大。为此拟采 用闭塞式精密锻造成形工艺加工半轴齿轮，齿形无需再进行机加工。采用该l 岂生 产半轴齿轮可以大大提高齿轮的综合机械性能，而且加工效率和材料利用率很高， 经济效益十分显著。 深入研究半轴齿轮的精锻成形过程，可以了解直伞齿轮成形时金属在模具鹫 腔内的流动状况及各种缺陷产生的原因和影响因素，从而掌握直伞齿轮的成形规 律，为直伞齿轮的模具设计和优化提供理论依据，同时对直伞齿轮的闭塞式糟锻 成形技术的发展具有推动作用。 2 1 世纪是信息的时代，计算机及网络技术将渗透到社会生活的各个方面，包括 产品的设计、制造过程。在这个背景下，利用计算机来模拟现实世界的技术将得到 充分的发展。随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对塑性成形规律的深入研 究，塑性加工过程的有限元模拟技术近年来取得了很大的进展j 。通过模拟，不仅 能获得塑性加工过程中工件和模具的位移场、速度场、应变场、应力场和温度场， 还能预测丁= 件细观组织和性能的变化。利用计算机图形技术将这些分析结果直观 地呈现在研究设计人员面前，使他# l f l t 通过研究虚拟的塑性成形过程来检验 件 的最终形状、尺寸是否符合设计要求，是否会产生折叠、裂纹和充不满等缺陷，根 据金属细观组织的变化预测产品的使用性能：还能根据模具的受力状况校核其强 度、刚度，预测模具的磨损，确定压力机压下量的补偿值等。 通过对塑性加工过程的模拟，可以在塑性加工工艺设计和模具设计初步方案 完成后立即对其可行性进行检验，并提供修改方案所需的详尽资料。经模拟检验后 再完成详细设计并进行模具制造弘j 。这样，就能从根本上改变以往由于缺乏对塑性 加工过程的科学分析手段而只能凭经验设计模具，通过反复的工艺试验修改模具和 ：艺参数的状况，极大地降低了生产成本、提高产品质量、缩短产品交货期。塑性 加工过程模拟与人工智能技术相结合，将成为塑性加工中设计和制造智能化的有力 工具。塑性加工过程模拟在工业发达国家已进入实用阶段，如美国三大汽车公司在 汽车覆盖件模具设计制造中，都要求在设计完成后必须经过计算机模拟检验，才能 投入试验软模的制造【j j 。这样可以大大节省制造试验软模的昂贵费用和试验周期， 重庆夫学硕+ 学位论文 l 引言 其经济效益非常明显。 基于有限元法的数值模拟仿真技术已有几十年的历史，数值模拟仿真技术已 经成为塑性加工领域的一项重要技术，它将对金属塑性成形技术的进步产生巨大 的推动作用。 闭塞式精锻工艺属于金属塑性加工的先进工艺，具有生产率高、节约原材料、 提高产品质量和降低生产成本等优点h 。近年来，随着计算机技术的飞速发展，闭 塞式精锻技术也取得了巨大的进步。本文中先利用模具c a d 技术对半轴齿轮进行 三维实体建模，然后应用精锻理论、数值模拟仿真技术等对半轴齿轮的成形工艺 过程进行了数值模拟仿真分析。研究了金属在成形过程中各种场变量的变化，预 测金属流动趋势，优化其成形工艺及设计参数，利用模拟优化结果进行生产实验， 并将数值模拟结果与生产试验结果进行比较，提出了改进措施。通过本课题的研 究，将精密锻造理论，数值模拟仿真技术及模具c a d c a m 技术结合起来，以达 到缩短产品开发周期、提高模具寿命、降低成本等目的。 对于制造业来说，2 l 世纪的竞争核心将是新产品的竞争。如何实现高质量、 低成本、短周期的新产品的开发，正是赢得这一竞争的关键i ) l 。为此，为了提高半 轴齿轮的综合机械性能和使用寿命，达到节能降耗、降低成本的目的，拟采用基 于刚粘塑性有限元法的数值模拟仿真技术对其成形过程进行研究。 1 2 国内外研究现状 在重庆：目前，中国兵器工业第五九研究所，重庆万友康达精密冷锻有限公 司在摩托车零件冷精锻成形技术方面取得了相当大的成绩；綦江齿轮厂在汽车热 精锻工艺技术方面已取得重要进展。但在齿形精度、模具寿命、滚齿对刀等方面 还碰到一些问题，在模具设计与生产中尚主要依靠经验设计与多次调试模具的手 段。如何进一步延长模其寿命、提高齿形精度还有待在理论和试验方面进行深入 研究。长安集团公司多年来一直采用热锻件作为齿轮毛坯，然后进行传统的齿轮 切削加工，尚未涉及齿轮热精锻技术的研究与开发。重庆大学在精锻工艺过程数 值模拟与仿真等理论研究分析方面已取得显著成绩。 奎冒内处! 对精锻齿轮的研究主要涉及以下三个方面： ( 1 ) 变形规律分析 在9 0 年代初期，人们主要采用一些传统理论方法研究齿轮精锻，k o n d ok 等 提出了精锻齿轮的分流减压原理，o h g a k 等论述了其适用范围。d o h a m a n nf 等用 数值逼近法和主压力法分析了冷精锻齿轮时金属流动和模具应力情况，给出了沿 齿面轮廓的法向应力分布图。c h i t k a r a nr 等用基于主应力法的自由体平衡法模拟 了各种轴对称坯料增量锻造直齿轮的过程。王洪义设计了用带减压孔的坯料精锻 2 重庆人学硕十1 学位论文 圆柱齿轮的压力计算模型。随着研究的深入，上限法被证明是一种用于齿轮精锻 力能分析预测的好方法。a b d u lna 等早在1 9 8 6 年就用上限法分析了直齿圆柱齿 轮精锻过程中齿数，齿根圆直径，摩擦等因素对金属流动和锻造变形力的影响。 随后，c h o ijc 等悔1 用上限法对实心圆柱坯料精锻直齿圆柱齿轮进行了较为精确的 分析。c h i t k a r a nr 等用上限法分析了镦锻直齿轮的变形规律，在此基础上用计 算机模拟了增量锻造直齿轮时的变形力和应力应变规律。林治平等卜1 用e 限法对卒 实一t l , 坯料精锻( 带毂) 直齿圆柱齿轮等各种工艺方案进行了理论分析理论分析和 计算机模拟。刘庆斌等p 1 用上限法正反向模拟了直齿圆柱齿轮挤压成形。李洪波等 ”叫用上限法模拟了直齿圆柱齿轮挤压成形。近年来，可以较全面分析锻件整体变 形规律的有限元法和实验解析法也被用来研究齿轮精锻这类三维非稳态大变形过 程。程军1 采用光塑性法测定了直齿圆柱齿轮精锻的塑性应变场，陈泽中”刮应用 密栅云纹法分析了直齿圆柱齿轮冲挤精锻终锻时的变形规律。a l t a nti l 刮采用三维 刚粘塑性有限元法( d e f o r m 软件) 对连杆、曲轴、伞齿轮等锻造成形过程进行 了数值模拟，用以消除缺陷、预测和优化工艺参数、预测模具中的应力从而达到 避免模具过早失效等目的。 ( 2 ) 工艺和模具设计 国内外学者在进行理论研究的同时，也设计了各种齿轮精锻工艺方案和模具， 并进行了实验研究。早在1 9 8 7 年，t u n c e rc 等就提出了浮动凹模精锻空心件思想， 归纳了无飞边锻模制造和使用的各种工艺要点段计了数种模具。1 9 9 1 年d r e c u mv m 等开发了一套参数化的直齿圆柱齿轮精锻模c a d 软件。1 9 9 3 年，n a g a iy 研究 了用预制杯形件通过拉延、整形、变薄拉延和压缩4 个工步冷锻具有较大沉孔的 直齿圆柱齿轮的成形方案。近年来，林治平t 1 4 1 设计了专用组合模具，其特点是分 别利用浮动凹模和上模环行飞边槽保证齿底和齿顶角部充满。刘庆斌等p 1 针对直 齿圆柱齿轮塑性挤压成形时齿顶角部充满困难提出了几种解决方案。阳福祥l 【工”1 提出了首先用热精锻初步成形轮齿，然后用冷推挤精整齿面精度的联合成形工艺， 其特点是对热锻模的精度要求不高，并研究了齿轮精锻模具齿形参数的计算方法。 李洪波等1 设计了一套浮动精锻模。 ( 3 ) 质量和精度控制 齿轮精锻成形技术的成功关键在于质量和精度的控制。国内外分析研究表明， 模具设计、加热方式、坯料尺寸等因素是保证齿轮锻件精度的关键，模具的加工 方法、磨损和弹性变形、润滑与冷却、能否充分排气排污都影响着齿形精度。 1 3 主要研究内容 本项日将对半轴齿轮温( 热) 精锻成形技术的几个技术关键：变形规律分析 露庆人学硕十学位论文1 引言 工艺及模具设计，质量与精度控制等方面进行深入的理论和试验研究。 1 3 1 变形规律分析 本项目拟采用当今世界上最先进，也是最有效的体积成形模拟软件d e f o r m 来全面分析半轴齿轮精锻成形过程的金属流动及应力应变分布规律。通过计算机 模拟仿真，达到预测和消除成形缺陷、优化工艺参数、预测模具中的应力分布并 防止模具过早失效等目的。具体内容是： ( 1 ) 确定最佳毛坯几何形状尺寸。通过选择不同形状尺寸毛坯进行模拟仿真 试验，确定出最佳毛坯几何形状尺寸，使齿形各部位易于充满，金属流线分布合 理。此法可大大节省试验用材料、减少工艺调整次数和缩短试验周期。 ( 2 ) 确定合理加热温度与热收缩率。通过分析不同温度对精锻成形的影响规 律，优化热收缩率和最佳加热温度。 ( 3 ) 确定合理的摩擦系数范围。通过分析不同摩擦系数对精锻成形的影响规 律，确定出有利于精锻成形的摩擦系数范围，以便选择更有利于成形的润滑方式。 1 3 2 工艺和模具设计 ( 1 ) 工艺及模具结构分析 齿轮温( 热) 精锻成形对工艺和模具要求很高，如何完善工艺和模具有待进 一步研究。目前存在较大的问题是模具的寿命较低，要提高模具寿命，必须首先 借助最有效的工具一d e f o r m 软件来分析精锻变形工艺及模具结构，根据精锻件的 应力应变分布进一步优化模具结构。 ( 2 ) 设计制造互换性良好的预紧凹模模具结构 为降低模具制造成本，延长模具使用寿命，提高模具成形精度，有必要设计 制造专用模芯和互换性良好的预紧凹模模具结构。目前德国已有专门企业设计制 造这种互换性良好的模具。由于是成批制造模具，从而提高了模具的制造、装配 精度，降低了模具的制造成本。 ( 3 ) 设计强制脱模机构。在直齿圆柱齿轮和圆锥齿轮模具中必须设置顶件装 置，在螺旋齿轮模具中还必须设置带有导向装置的强制脱模结构。 ( 4 ) 选用优质模具材料 通过性能对比和试验研究，确定适合齿轮温( 热) 精锻的模具材料。 1 3 3 质量和精度控制 质量和精度控制的核心是模具设计，模具的结构、模具的加工精度和装配精 度、互换性、模具组合凹模中预紧力的大小，模具受压后的弹性变形等都会影响 精密成形件的精度。为此， ( 1 ) 采用弹性有限元法柬分析和研究模具结构，以确定出影响模具刚度的主 要因素和影响规律。 4 重庆大学硕十学何论文1引素 ( 2 ) 采用计算机j 下确获得加工模具齿形的电极齿形数据、模具齿形数据和产 品齿形数据之i l 白j 冷热尺寸公差数据，以保证精锻齿轮达到国标精度要求。 ( 3 ) 必须有效控制齿轮齿形的变形问题，包括锻造过程中和热处理过程中齿 形的变形控制。 ( 4 ) 采用少、无氧化加热炉或可控硅中频感应加热炉加热。 1 4 研究目的和意义 汽车、摩托车业是重庆市的支柱产业之一，也是国家的支柱产业之一。齿轮 作为传递运动和动力的最基本的机械零件，在汽车、摩托车行业中应用量相当人。 传统的齿轮切削加工技术存在着金属纤维被切断而降低了齿轮强度，材料利片j 率 较低，能源和工时消耗较大等不足。因此国内外曾对轧制，挤压，粉末锻造，精 密冲裁齿轮等少无切削技术进行了研究开发。目前，齿轮精锻技术只益受到了困 内外的高度重视，德国、美国、目本等发达国家在这方面的研究已取得相当成助。 他们己成功精锻出齿轮、齿轮轴、同步环、等速万向节等，其尺寸精度已高到不 再需要机械加工的地步，而且生产率高【1 8 a 9 , 2 0 。如德国w z e l 冷锻技术公司n e h e r r 己成功制造出表面质量高、公差等级在7 1 0 级且强度高的精锻直齿圆柱齿轮1 2 “。 面对“入世”的挑战，我国的汽车，摩托车制造业要想在国际竞争中立稳脚 跟，与发达国家争高低，必须紧追国际先进水平，不断提高汽车、摩托车产品 质量，作为重要传动零件齿轮的加工在很大程度上影响了汽车、摩托车的质量和 价格。因而，齿轮糖锻技术的研究与开发具有相当重要的理论意义和应用价值。 同时本项目在其他行业( 如兵器、航空航天、船舶等) 也有着广泛的应用前景， 项目研究成果不但可以提高我国齿轮制造技术水平，提高国产汽车，摩托车在国 际市场上的竞争力，而且还可以以此作为个重要突破口，带动和促进相关设备 及辅助装置的发展和技术创新。 齿轮精锻就是通过精密锻造直接获得完整齿形，且齿面不需或仅需少许精加 工即可使用的齿轮制造技术。其特点是： ( 1 ) 改善了齿轮的组织和性能 精锻使金属三向受压，晶粒及组织变细，致密度提高，微观缺陷减少；精锻 还使金属流线沿齿形连续均匀分布，提高了齿轮的机械性能。一般束说，精锻可 使轮齿强度提高2 0 以上，抗冲击强度提高约1 5 ，抗弯曲疲劳强度提高约2 0 ， 齿轮的使用寿命延长l 倍以上。 ( 2 ) 精度能达到精密级公差、余量标准 工件不需或者只需少量精加工就可进行热处理或直接使用，提高了生产效率 及材料利用率，降低了生产成本。一般来说，精锻可使生产效率提高l 倍以上， 重庆人学硕士学位论文1 引言 材料利用率提高4 0 左右，批量生产成本降低3 0 上。因此大大提高了齿轮的 市场竞争能力。 1 5 研究的可行性 采用当今世界上最先进，也是最有效的体积成形模拟软件d e f o r m 来全面分 析半轴齿轮热精密成形过程的金属流动及应力应变分布规律，以达到预测和消除 成形缺陷、优化工艺及模具参数、预测模具中的应力分布并防止模具过早失效， 从而大大减少工艺及模具试验次数，确保工艺及模具设计的正确性和试验的成功 等目的：结合国内外的先进技术资料，以及綦江齿轮厂多年在热精密塑性成形加 工的实际生产经验，研究和设计汽车用半轴齿轮的温( 热) 精锻成形工艺、具有 良好互换性的热精锻模具和精滚轮齿夹具等；然后利用华中科大的8 0 0 吨双动液 压机完成试验；最后在重庆大学机械传动国家重点实验室对精锻齿轮的组织、机 械性能和使用寿命进行检测和评估。以上的软件和硬件设施为本课题的顺利进行 提供了有力的保障。 6 重庆人学硕1 学何论文 2 1 艺分析 2 工艺分析 本节主要针对半轴齿轮的精锻工艺进行分析。按照坯料加热温度的不同，精 锻工艺又可以分为冷精锻、温精锻和热精锻【2 2 1 。下面就这三种不同的成形工艺分 别进行讨论。 2 1 冷精锻 冷精锻通常指的是在室温下对毛坯进行精密锻造。采用冷精锻工艺的优点是： 可以降低原材料消耗，材料利用率高；锻压后的金属材料晶粒组织更加细小而致 密：金属流线不被切断加上所产生的加工硬化特征，可使锻件的强度大为提赢： 可以获得较高的尺寸精度和较高的表面光洁度。但其缺点是：成形单位压力大， 模具易磨损，损坏，因此要求模具材料好；对成形设备要求较高，吨位要大除 了要求锻艇设备应有较大的强度以外，还要求较好的刚度；且通常要在锻压前对 坯料做磷化皂化处理，且处理的好坏直接关系到后序锻造的效果。 2 2 热精锻 热精锻工艺是将毛坯加热到金属再结晶温度上某个适当的热锻温度范围内锻 造。热精锻时坯料的加热温度高，变形抗力小，成形较为容易，但是由于加热温 度高，容易产生高温氧化，脱碳以及热膨胀等问题，降低了产品的尺寸精度和表 面质量，因而一般需要大量的切削加工，才能作为最终产品。 2 - 3 温精锻 温精锻是将毛坯加热到金属再结晶温度以下某个适当的温度进行锻造。由于 金属加热，毛坯的变形抗力减小，成形容易，压力机的吨位也可以减小，而且模 具的寿命延长。但与热精锻不同的是，因为在较低温度范围内加热，工件氧化， 脱碳的可能性小，而产品的机械性能与冷精锻的产品差别不大。特别是在室温下 难加工的材料，例如析出硬化相的不锈钢和中高碳钢、含铬量高的一些钢、高温 合金以及钛合金等，在温精锻时可能变成可以加工或者更容易加工。 温精锻不仅适用于变形抗力高的难加工材料，就是对于冷精锻适宜的低碳钢， 也适合作为温精锻的对象，因为温精锻有便于组织连续生产的优点。在冷精锻时， 包括冷精锻低碳钢在内，一般在加工前要进行预先软化退火，在各道冷锻工序之 问也要进行退火处理，而且冷精锻以前要进行磷化皂化处理，这就给组织连续生 产带来困难。温精锻时可以不进行预先的软化退火和各工序之削的退火，也可以 重庆大学硕十学忙论文 2 i 。艺分析 不进行表面处理，这就使得组织连续的生产成为可能，至少可以减小许多辅助工 序。温精锻可以采用大的变形量，这样可以减少工序数目。模具费用也大为减少， 而且不需要刚性极高的锻压设备，可以采用通用设备。虽然温精锻需要加热金属， 但总的费用还是比较便宜。 综上所述，温精锻工艺兼具冷精锻和热精锻工艺的优点，满足齿轮的成形要 求，故本课题采用温精锻工艺成形齿轮。 2 4 工艺方案制定 半轴齿轮原精锻工艺为：坯料加热一粗锻一切飞边一去氧化皮一加热一精锻一 切飞边一表面清理一冷压整形一切削内孔、半轴和大端面一拉削内孔花键一热处 理一喷丸怔”。 上述工艺存在能耗多，材料利用率低，加工效率低，模具寿命短等诸多问题。 为了解决这些问题，现通过模拟仿真，研制出了节能、省料、高效的无飞边温精 锻工艺。 新工艺流程为：坯料少无氧化加热一精锻一表面清理一切削内孔、半轴和大 端面一拉削内孔花键一热处理一喷丸。 图2 1 为半轴齿轮零件简图，图2 2 为精锻件三维实体模型。 图2 1 、r 轴齿轮零件图 f i g u r e 2 ，1p a nd r a w i n go f h a l f a x l eg e a r 图2 2 精锻件三维实体图 f i g u r e 2 23 d d r a w i n g o f h a l f a x l eg e a r 该工艺与原工艺相比，省去了粗锻、粗锻后的加热、去氧化皮、两次切边以 及精整等六道工序，大大降低了能源消耗和人力消耗。材料利用率提高1 5 ，达 到9 0 1 ，生产效率提高约一倍。本课题就主要针对该种新工艺方案进行成形模拟 与试验研究。 重庆大学侦十学位论文3 金属塑性成形过程的分析方法 3 金属塑性成形过程的分析方法 3 1 概述 金属塑性成彤过程的分析方法主要可分为两大类。一类是解析计算方法，其 中包括主应力法、滑移线法、界限法( 包括上限法和下限法) 、功平衡法等。这类 方法一般用来计算成形过程所需的力和能。其优点是简便易行并能得到问题的解 析解但只适于简单的成形问题。另一类是数值方法，其中包括有限差分法、有 限元法和边界元法。这类方法能用于获得金属塑性成形过程中应力、应变和温度 分布，成形缺陷等详尽的数值解，能用于分析十分复杂的成形过程。在会属成形 过程中。工件发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存在几何非线性，在 材料的本构关系( 应力。应变) 中存在材料非线性，即物理非线性。不仅如此，模 具型面的几何形状往往比较复杂，工件与模具的接触状态不断改变，摩擦规律也 难以准确描述 2 。由于以上种种原因，金属塑性成形问题难于求得精确解。有限 元法是目前进行非线性分析的最强有力的工具，因此也成为金属塑性成形过程模 拟最流行的方法2 5j 。 采用有限元法模拟塑性成形的主要优点：首先，能求出变形体的成形速度、 位移、应变、应力和接触面上的压力分布等各种变量，为工艺分析提供科学依据； 其次，模拟分析软件可方便地用于分析同类型的各种零件的成形过程。 3 2 金属塑性成形过程的有限元仿真技术 3 2 1 金属塑性成形过程的有限元仿真技术概述 对于制造业来说，2 l 世纪的竞争核心将是新产品的竞争。如何实现高质量、 低成本、短周期的新产品的开发，正是赢得这一竞争的关键。金属塑性成形过程 的仿真技术也正是在这样的世界科技与经济发展形势下出现的多学科交叉技术。 金属塑性成形过程的仿真技术目前也成为模具c a d c a m c a e 技术的重要核心技 术之一| 3j 。基于塑性有限元法的仿真技术在工业生产中已经得到了广泛的成功应 用。它将盒属塑性成形工艺学、塑性力学、计算机图形学有机地结合起来，对金 属塑性成形过程进行时实跟踪描述，给出金属的流动模式、各种物理场的分布规 律、详尽的塑性变形过程的力学参数，而且还能预测塑性成形过程的缺陷，优化 塑性成形过程。 进入9 0 年代以来，计算机的运算速度和存储量得到了很大的提高。大量的高 性能超级计算机已投入了工程应用。随之而得到的计算机图形处理技术，使得 c a d c a m c a e 技术在各类工程问题的应用中得到了巨大的成功口1 。其中，模具 重庆人学硕十学1 1 i ) ：论文3 金属塑性成形过程的分析方法 c a d c a m c a e 技术已成为改造金属塑性成形传统工艺的重要工具。尤其是计算 机图形学与有限元法以及成形工艺学的有机结合，开创了金属塑性成形过程仿真 ( s i m u l a t i o no fm e t a lf o r m i n gp r o c e s s ) 的新途径1 2 6 】。所谓成形过程仿真就是：在 计算机上对盒属塑性成形过程进行时实跟踪描述，并通过计算机图形系统演示整 个成形过程，从而揭示金属的流动规律、 程中变形体和模具的各种力学场的分布。 各种因素对金属变形的影响以及成形过 目前成形过程仿真已成为虚拟现实制造 ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 技术的核心技术之一，也是实现新产品丌发短周期、高 质量、低成本目标的重要手段。有限元仿真技术将对金属塑性成形技术的进步产 生巨大的推动7 1 。 就金属塑性成形而言，有限元法大致可分为两类1 2 8 j ： 一类是固体型塑性有限元法( s o l i df o r m u l a t i o n ) ，包括小变形和大变形弹塑性 有限元法。弹塑性有限元最早是由m a r e a l 和k i n g 于1 9 6 7 年提出的。它同时考虑 弹性变形与塑性变形，弹性区采用h o o k 定律，塑性区采用p r a n d t l r e u s s 方程和 m i s e s 屈服准则。小变形弹塑性有限元法以小变形理论为基础，忽略微元的局部变 形并认为位移与应变呈线性关系，只适合分析金属塑性成形的初期。大变形弹塑 性有限元法以有限变形理论为基础，考虑到了大变形过程中由于大位移和大转动 对单元形状及有限元计算的影响。采用弹塑性有限元法分析金属塑性成形过程， 不仅能按照变形路径得到塑性区的变化，变形体的应力、应变分布规律和大小以 及几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载问题，计算残余应力和残余应变， 从而可以进行回弹计算及缺陷预测分析。但是，弹塑性有限元法由于考虑变形历 史的相关性，须采用增量加载，在每一增量加载步骤中，都须作弹性计算来判断 原来处于弹性区的单元是否己进入屈服，对进入屈服后的单元就要采用弹塑性本 构关系，从而改变了单元刚度矩阵。为了保证精度和解的收敛性，每次加载不能 使很多单元同时剧服，这就使得每次计算时的变形增量不能太大，所以对大变形 问题计算时蒯较长，效率较低。 另一类是流动型塑性有限元( f o l wf o r m u l a t i o n ) ，包括刚塑性有限元法和刚粘 塑性有限元法。这类有限元法不计弹性变形，采用l e v y m i s e s 方程作为本构方程， 满足体积不变条件，并采用率方程描述，变形后物体的形状通过在离散空间上对 速度积分而获得，从而避开了有限变形中的几何非线形问题。同时，可运用比弹 塑性有限元法大的增量步长来达到减少计算时间、提高计算效率的目的，并能保 证足够的工程精度。但是，由于忽略了弹性变形，这类有限元法不能处理卸载问 题和计算残余应力、残余应变以及回弹。 自7 0 年代中期，o s i a s 和m c m e c k i n g 等采用e u l e r 描述法建立了大变形弹塑 性有限元列式后，大变形弹塑性有限元法不断完善，并在工程实际中得到成功的 1 0 重庆人学硕十学佩论文 3 金属塑性成形过程的分析方法 应用。1 9 8 2 年，l e e 等研制出了一套预测板料的成形缺陷的软件，包括材料参数 库和成形极限数据库。f o r d 汽车公司的s c t a n g 等从1 9 8 0 年开始在汽车车身覆盖 件成形分析的弹塑性有限元法研究中作出了不懈的努力，丌发出了m t l f r m 系 统，并在生产中投入运用。同时，国内外围绕大变形弹塑性有限元法进行的理论 研究也十分活跃，先后对板料成形时的各向异性、单元分析、回弹、起皱、拉延 筋模型方面进行了深入的研究，并取得了令人满意的成果。随之也出现了用于金 属板料成形过程模拟的通用系统，如美国的d y n a f o r m 、m a r c ，法国的 p a m - s t a m p 、o p t r j s ，和德国的i n d e e d 等。目前，这些系统已在汽车工业中 得到了广泛的应用。这些成功的应用也说明，弹塑性有限元法适用于分析板料成 形过程。 自从1 9 7 3 年l e e 和k o b a y a s h i 首次提出了刚塑性有限元法的矩阵列式后，极 大地推动了有限元数值模拟技术在金属体积成形过程中的应用1 2 。k o b a y a s h i 与他 的合作者先后成功地利用刚塑性有限元法分析了锻造、挤压、轧制、拉拔等体积 成形问题”。1 9 7 9 年，z i e n k i e w i e z 等提出了粘塑性材料的有限元列式并推导出了 刚粘塑性有限元的罚函数法，使得高温成形问题的分析得以解决。1 9 8 0 年，r e b e l o 等应用刚粘塑性有限元法对速率敏感材料的成形过程进行了热力耦合计算。m o r i 和o s a k a d a 提出了刚塑性有限元法的材料可压缩法并将其成功地用于粉末烧结体 金属的成形过程分析。基于这些理论研究成果，出现了美国的a l p i d 、d e f o r m 、 a u t o f o r g e 及法国的f o r g e 3 等通用体积成形刚( 粘) 塑性有限元数值分析系 统。 3 2 2 金属塑性成形过程的刚( 粘) 塑性有限元法概述 刚塑性有限元最初是将上限法用有限单元求极小值开始发展的，在7 0 年代初 期，l e e 和k o b a y a s h i 等人使用拉格朗曰未定乘子法所用的变分原理处理体积不iz j 压缩条件，使应力计算成为可能，并将这种方法命名为刚塑性分析的矩阵法。在 刚塑性有限元分析中，必须随时间向前携带的历史变量仅仅是与材料结构变化( 例 如加工硬化) 有关的变量；它通常采用率方程，即列式本身是根据小应变增量建 立的，这样，变形后的构形可通过在离散空间上对速度积分而获得，从而避 了 几何非线性问题。由于简单性和效率，使其可方便地分析稳态和非稳态大塑性变 形问题，得到了广泛应用，也成为一些软件( 如d e f o r m ) 的核心算法。刚塑性 有限元法也有明显的局限性。由于忽略了弹性变形，这种方法仅适合于塑性变形 区的分析，不能直接分析弹性区的变形和应力状态；它不能处理卸载问题和计算 由此带来的残余应力和残余应变。与大变形弹塑性有限元法相比，在变形量 bj j , 的场合，刚塑性有限元分析精度较差。但是，如果变形很大，弹性变形所占比重 就很小，采用刚塑性模型也是合理的。 重庆人学硕十学似论文3 金属塑性成形过程的分析方法 对速率敏感性材料的塑性加工，须采用粘塑性模型分析，刚粘塑性有限元法 仪是刚塑性有限7 亡法的扩展，在工程上，也得到了很好的应用。现在，刚塑性有 限元法已可以把材料的变形流动与热传导进行耦合分析 3 1 , 3 2 j 。 3 2 3 金属体积成形的有限元模拟概述 体积成形是金属塑性成形中一类应用广泛的工艺方法，对于体积成形过程， 其初始毛坯一般为方坯、圆棒或厚板，而且在成形过程中发生塑性变形部分材料 的表面与体积的比率显著增大。体积成形过程有两个显著特征：、工件发生了 大的塑性变形，并_ l l 伴随着显著的形状变化与截面的改变；二、工件发生永久性 塑性变形的变形量远大于弹性变形量，因此弹性回复可以忽略不计。 属于体积成形范畴的塑性成形工艺如镦粗、闭式模锻、开式模锻、自由锻、 径向锻造、萨挤压、反挤压、复合挤压、轧厚板、轧管、型轧、旋压、摆碾、拉 拔等。体积成形时，工件在模具的作用下产生塑性变形。通过金属体积的大量转 移获得机器( 零件) 的各种型材。体积成形的重要特征是金属材料产生较大塑性 变形，而弹性变形相对较小。在体积成形问题中，变形材料与模具间的接触问题 以及接触面间的摩擦问题对其成形过程有显著的影, f - j f 3 3 l 。 由于体积成形过程中塑性变形部分远大于弹性变形部分的变形量，即弹性变 形可忽略不记，因此，对于体积成形过程的分析通常采用刚( 粘) 塑性有限元法。 目前，刚( 粘) 塑性有限元法在体积成形方面的应用已由二维问题扩展到三维问 题，并且可以从成品的形状尺寸反向模拟出合理的毛坯尺寸。 目前，在二维体积成形问题的分析技术方面，已经比较成熟。除了能模拟普 通的平面应变、平面应力和轴对称成形过程外，还能够优化预成形过程，预测成 彤过程中的表面和内部缺陷，模拟像双金属和粉末烧结体金属这样的特殊塑性成 形