（材料加工工程专业论文）从动螺旋齿轮坯成形工艺优化.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学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 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签鼽名重锣导师( 签名) ：茄纷期砂州 摘要 螺旋锥齿轮是一种广泛应用于飞机、船舶、精密机床、工程机械和车辆传 动的空间齿轮，它具有传动平稳、承载能力高的优点。螺旋锥齿轮作为一种核 心零部件，对提高一个国家的机械装备技术水平起到至关重要的作用，螺旋锥 齿轮的先进制造技术与装备一直是企业生产以及占领市场的制高点。 随着汽车等现代制造业的迅猛发展，螺旋锥齿轮的精度要求和需求量进一 步提高，那么如何提高螺旋锥齿轮的生产效率、缩短制造周期同时降低生产成 本成为了一个迫切需要解决的问题，而齿轮坯成形工艺的优化可以提高齿轮坯 的精度减d , 力n i 余量，在节省材料的同时提高了机加工的效率，刚好可以满足 了这种需求，本文的研究方向也正是基于了这种需求。 本文研究的从动螺旋齿轮坯内径为1 0 5 ，外径为庐1 7 0 ，重约4 k g ，先采用 辗扩方式成形，再采用双锥辊摆辗工艺精整形，使锻件单边余量控制在l m m 以 内，在保证成品率的基础上大大提高了机加工的效率，有很好的经济效益。 本文利用d e f o r m 3 d 软件分析了从动螺旋齿轮坯摆辗整形工艺，通过设各 运动参数对成形结果的影响确定了最佳的运动参数为锥辊转速为1 0 0 r m i n 下模 进给速度为3 m m s ，通过对摆辗整形过程中金属流动规律的分析确定了整形毛坯 与下模间隙在i m m 以内，毛坯上下端面倾角均为1 3 。，并介绍了摆辗整形过程 中毛坯有效应力与应变的分布。 在确定了整形毛坯的基础上，利用d e f o r m - 3 d 软件r i n gr o l l i n g 模块分析了 该整形坯的辗扩工艺，通过对锻压工艺和毛坯尺寸的控制可以得到下端面无飞 边上端面少飞边且内外径符合要求的环件，为从动螺旋齿轮坯成形工艺试验打 下了基础。 通过从动螺旋齿轮坯摆辗整形试验得到了符合要求的终锻件，证明了该摆 辗整形工艺的合理性和可行性，并进行了小批量试生产，试验结果良好。 关键词：摆辗；从动螺旋齿轮坯；工艺优化 a b s t r a c t s p i r a lb e v e lg e a ri sw i d e l yu s e di na i r c r a f t ，s h i p s ，p r e c i s i o nm a c h i n e ，c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r ya n dv e h i c l e sd r i v i n g ，i t st r a n s m i s s i o ni ss m o o t h ，a n dt h el o a dc a p a c i t yi s v e r yh i g h a sac o r ec o m p o n e n t ，i tp l a y sac r u c i a lr o l e i ni m p r o v i n gt h el e v e lo f m e c h a n i c a le q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g i c ，i th a sb e e nt h ec o m m a n d i n gh e i g h t so ft h e m a r k e ti nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n da d v a n c e dp r o d u c t i o ne q u i p m e n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n g ，t h ed e m a n do fa c c u r a c yi s f u r t h e ri m p r o v e d ，t h e nh o wt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n ds h o r t e nt h em a n u f a c t u r i n g c y c l ei nd u et or e d u c i n gt h ec o s t sh a sb e c o m ea nu r g e n tn e e d t h eo p t i m i z a t i o no f g e a rb l a n k sf o r m i n gp r o c e s sc a ni m p r o v et h ea c c u r a c ya n ds a v em a t e r i a l s ，t h e r e b y i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c y , t h i sa r t i c l ei sj u s tb a s e do nt h i sd e m a n d i n t h i sp a p e r , t h ei n n e rd i a m e t e ro ft h eg e a rb l a n k si s 驴10 5 ，o u t s i d ed i a m e t e r i s 咖l7 0 ，t h ew e i g h ti sa b o u t4 k g ，i ti sf o r m e db yr i n gr o l l i n gf i r s t l y , a n dt h e n p r o c e s s e db yt w i ns y m m e t r yr o l la x i a lr o l l i n gi nd u et om a k es u r et h em a r g i ni sl e s s t h a nlm m ，s ot h em a c h i n i n ge f f i c i e n c yi sg r e a t l yi m p r o v e da n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t i s g o o d b a s e do nd e f o r m - 3 ds o f t w a r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef o r m i n gt e c h n o l o g yo fg e a r b l a n kb yt w i ns y m m e t r yr o l la x i a lr o l l i n g ，a n di d e n t i f yt h eo p t i m u ms p e e di s 10 0 r m i na n d3 m m s b ya n a l y s i st h ef l o wl a wd u r i n gt h ef o r g i n gp r o c e s s ，w e d e t e r m i n e dt h es p a c eb e t w e e nt h em o l da n dt h eb l a n km u s tb el e s st h a nim m ，t h e r o u g ha n g l eo f t h eu p p e ra n dl o w e rf a c ea r e13o w h e nt h ep l a s t i cb l a n ki sd e t e r m i n e d ，w ea n a l y z et h er i l lr o l l i n gp r o c e s sb a s e do n r i n gr o l l i n gm o d u l eo fd e f o r m 3 ds o f t w a r e ，t h e r ei sas m a l lf l a s ha n dp r e c i s e d i m e n s i o nb yc o n t r o l l i n gt h es i z eo ft h eb l a n ka n dt h ef o r g i n gp r o c e s s ，s oi tl a i dt h e f o u n d a t i o nf o r t h ef o r m i n gp r o c e s se x p e r i m e n t t h ef i n a lf o r g i n gh a sm e tt h er e q u i r e m e n t sb yt h et w i ns y m m e t r yr o l la x i a lr o l l i n g ， i ts h o w st h a tt h er o t a r yf o r g i n gp r o c e s si sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e k e y w o r d ：r o t a r yf o r g i n g ；d r i v e nh e l i c a lg e a rb l a n k ；p r o c e s so p t i m i z a t i o n i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论。l 1 1 引言1 1 2 从动螺旋齿轮坯成形相关研究进展1 1 3 双锥辊轴向轧制工艺原理及特点4 1 3 1 双锥辊轴向辗压工艺原理4 1 3 2 双锥辊轴向辗压工艺特点6 1 4 研究内容和技术路线6 1 4 1 研究内容6 1 4 2 技术路线7 1 5 课题来源及意义8 1 5 1 课题来源8 1 5 2 课题意义8 1 6 本章小结8 第2 章从动螺旋齿轮坯摆辗整形工艺设计与优化9 3 1 模具设计及虚拟装配。10 3 2 有限元模型的建立。” 2 3 模拟参数的设置及远动参数的选择1 2 2 。3 1 模拟参数的设置12 3 3 2 下模进给速度与上模转速的选择1 4 3 4 金属流动规律分析18 3 4 1 金属径向流动规律2 2 3 4 2 金属周向流动规律3 1 3 5 毛坯的设计与优化3 6 3 5 1 毛坯形状初步设计。3 6 3 5 3 毛坯各尺寸参数的相互影响4 0 3 5 4 毛坯最优尺寸的确定4 5 3 6 双锥辊摆辗整形模拟结果分析一4 7 3 6 1 摆辗整形过程中毛坯有效应力分布4 7 i i i 3 6 2 摆辗整形过程中毛坯有效应变分布4 9 3 6 3 锥辊辗压力分析5 0 3 7 本章小结一5 1 第3 章双锥辊摆辗整形坯辗扩工艺设计与优化5 3 3 1 辗扩工艺及模拟分析5 3 4 1 1 毛坯锻压工艺及尺寸参数控制5 4 4 1 2 辗扩模拟及结果分析。5 6 4 1 3 辗扩过程中金属流动规律5 8 4 2 双锥辊整形有限元模拟验证6 2 4 3 本章小结。6 3 第4 章从动螺旋齿轮坯成形工艺优化试验6 4 4 1 从动螺旋齿轮坯摆辗整形工艺试验一“ 4 2 本章小结。6 8 第5 章结论与展望6 9 5 1 结论6 9 5 2 展望6 9 参考文献7 l 致谢。7 3 攻读硕士期间发表的论文7 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 螺旋锥齿轮是一种广泛应用于飞机、船舶、精密机床、工程机械和车辆传动 的空间齿轮，它具有传动平稳、承载能力高的优点。螺旋锥齿轮作为一种核心 零部件，对提高一个国家的机械装备技术水平起到至关重要的作用，螺旋锥齿 轮的先进制造技术与装备一直是企业生产以及占领市场的制高点。 我国在2 0 世纪7 0 年代开始研究螺旋锥齿轮，过去螺旋锥齿轮一直依赖进口 螺旋锥齿轮的生产工艺通常为锻造工艺制坯，然后采用切齿机等设备进行机加 工。 在8 0 年代，我国螺旋从动锥齿轮坯的制造工艺主要为整体锻压成形，该工 艺设备吨位大，材料消耗大。在9 0 年代发展出了辗环工艺生产从动螺旋齿轮坯， 并一直沿用至今。辗环工艺局部辗压成形的特点决定了生产过程中设备吨位小， 生产效率高，工作噪音小，非常适合中小企业生产需要。 随着汽车等现代制造业的迅猛发展，螺旋锥齿轮的精度要求和需求量进一 步提高，那么如何提高螺旋锥齿轮的生产效率、缩短制造周期同时降低生产成 本成为了一个迫切需要解决的问题，而齿轮坯成形工艺的优化可以提高齿轮坯 的精度减小加工余量，在节省材料的同时提高了机加工的效率，刚好可以满足 了这种需求，本文的研究方向也正是基于了这种需求。 1 2 从动螺旋齿轮坯成形相关研究进展 汽车后桥齿轮是汽车驱动系统中一个重要典型零件，在8 0 年代，这一零件 的锻件生产，国内大多数企业都采用以下三种方法成形：一是空气锤制坯，摩 擦压力机锻造成形；二是用模锻锤锻造成形；三是用热模锻压力机成形。但这 些方法均存在设备投资大、材料消耗大等缺点。 后来发展出了一种新的工艺方法空气锤制坯、辗环机成形，该方法节材 效果比较突出。辗扩是采用局部加压变形积累，实现整体成形的连续变形技术， 在辗扩过程中施加到工件上的变形力小，与后桥从动锥齿轮的原锻造工艺相比。 辗扩消除了振动与噪音，工人的劳动环境得到了很大改善。某汽车齿轮厂采用 胎膜锻生产后桥从动锥齿轮时每件用时6 分钟左右，改用辗扩后每件只需3 0 秒 武汉理工大学硕士学位论文 左右，生产率大为提高。辗扩成形工艺生产汽车后桥从动锥齿轮齿坯的工艺为： 棒料下料力口热镦粗冲连皮毛坯校形辗扩成形o 】。 文献【1 1 1 3 】提出采用辗扩工艺生产汽车后桥从动伞齿轮坯，论述了汽车后桥盆 齿坯辗扩成形中的变形特性，对阶梯孔形件辗扩变形特点进行了深入的研究和 分析，得到了辗扩预制坯设计计算、辗扩模具设计计算的基本依据，分析研究 了辗扩锻件的缺陷，提出了消除这些缺陷的对策，采用封闭式孔型可以有效地 限制周向金属流动，防止端面凹坑、毛刺等缺陷并保证锻件的轴向尺寸。文献【1 4 】 阐述了汽车后桥从动锥齿轮毛坯扩孔辗压工艺的经济性，通过对锻件质量，材 料利用率，设备重量，基础深度，厂房高度，面积，造价，模具重量，价格， 寿命，机组生产能力，动力消耗，单间成本核算等项目与热模锻压力机上模锻、 模锻锤工艺进行了对比。文献【l5 】采用上限原理用内力平衡分析法求得了主辊轧 制力合力、作用点、方向及轧制力矩等主要轧环工艺参数，为设备、工艺的设 计提供了理论依据。文献 1 6 - 1 s 】阐述了闭式孔型辗扩大型齿轮坯狰形锻件的先进工 艺，给出了闭式孔型辗环的模具设计、工装尺寸及力能参数计算公式，建立了 火车后桥从动锥齿轮毛坯辗扩成形过程的数学模型，实现了在线预测智能型控 制，提高了尺寸精度，从而保证了毛坯质量。文献【1 9 1 提出了汽车后桥盆齿轮毛 坯辗扩成形尺寸控制的新方法，在建立数学模型的基础上研究了数学模型在辗 扩机测控系统中进行尺寸数字控制的方法。文献1 2 0 】对汽车后桥从动齿轮毛坯镦 粗进行了模拟与优化，分析了不同温度、润滑条件以及上模锥度对圆柱体坯料 镦粗成形过程的影响规律。文献1 2 1 - 2 2 1 分析了盆齿毛坯辗环成形飞边形成的原因， 提出增加扩孔工步扩大内孔和辗环后精整毛坯来提高毛坯精度，减少了后续机 加工工序和工作量，提高了生产效率。 在辗环工艺发展的同时模锻工艺也有了一定的发展，出现了齿轮坯的闭式模 锻和冷精锻。文献【2 3 】介绍了齿轮坯液态模锻工艺，阐述了液态模锻工艺成形齿 轮坯与铸造、锻造工艺相比所具有的特点。文献【2 4 】利用自由锻锤分步成形从动 锥齿轮，达到小设备干大活的目的。文献【2 5 介绍了一种模锻大齿轮坯时套锻小 齿轮坯的新方法，该方法改善了大齿轮坯冲连皮的金属流动状态，而且节约金 属，减小模锻力，提高了模具寿命和生产效率。文献1 2 6 - 2 7 】设计了新型从动锥齿轮 坯闭式精锻模，采用浮动模芯、浮动凹模及镶块结构使锻件在一个封闭环形模 腔中成形，成形后的锻件无飞边，减少了外圆拔模斜度敷料。文献【2 8 】设计了齿 轮坯多工步闭式模锻，将多工步数值模拟技术应用于齿轮坯的模具设计，预测 缺陷的位置，给出带盲孔的轴对称锻件的闭式模锻工艺设计的一般性指针。文 2 武汉理工大学硕士学位论文 献1 2 9 - 3 0 1 阐述了精密锻造冷镦挤压成形齿轮坯，在封闭凹模内通过一个或两个凹模 单向或双向温挤压金属一次成形，获得无飞边的精密锻件，采用精密锻造加工 可以使金属材料的纤维组织沿齿形均匀连续分布，晶粒及组织细密，减少了热 处理时的变形，提高了生产效率和材料利用率。 本文研究的从动螺旋齿轮坯内径为妒1 0 5 ，外径为1 9 b 1 7 0 ，重约4 k g ，如果采 用闭式模锻和冷精锻设备吨位将在1 0 0 0 吨以上，设备吨位大，成本高，因此采 用辗扩成形。从动锥齿轮齿坯是径向断面不对称的阶梯孔件，在辗扩变形中， 金属流动不对称，工件承受的压力也不对称而形成扭矩，因此在辗扩过程中容 易造成翘曲和刮伤。采用开始辗环，由于芯辊和辗压轮之间存在间隙，在辗扩 过程中容易产生飞边，需通过控制下料重量和毛坯形状来抑制飞边。而闭式辗 环的辗压轮型槽比较深，型槽侧壁与工件端面大面积接触，阻碍工件轴向变形， 因而工件端面形状与孔型轮廓线相符，既无端面凹陷又无蝶形翘曲，但闭式辗 环时芯辊的最小直径较开式辗环时小，芯辊的强度不够时易折断而影响生产。 如若增大闭式辗环时芯辊的最小直径，需增大辗环毛坯的冲孔直径，这将造成 更多的材料损耗。通过对比开式辗环和闭式辗环的经济性、生产效率、技术要 求等因素，某锻造厂选择开式辗环工艺生产从动螺旋齿轮坯。由于下料存在误 差，加热过程中材料有消耗，轧制出的环件通常存在飞边、端面凹陷、翘曲等 缺陷，如图1 1 所示： ( a ) 缺陷实例l( b ) 缺陷实例2 图1 1 缺陷 为了加工出合格的零件，环件各端面放的余量较大，如图l 一2 所示： 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 余量实例l( b ) 余量实例2 图l - 2 加工余量 为了提高从动螺旋齿轮坯的尺寸精度，降低加工余量，需对辗扩后的毛坯 进行精密整形。目前己知的整形工艺有压力机整形和摆辗整形，其中摆辗整形 有单辊摆辗整形和双辊摆辗整形两种。采用压力机整形可有效的消除凹坑和翘 曲，但要求设备吨位较大，成本高。而采用摆辗整形可有效的降低设备吨位， 同时消除凹陷、翘曲等缺陷。单锥辊摆辗轧机相对于双锥辊摆辗轧机结构复杂， 成本高，在现有条件下我们采用双锥辊摆辗轧机进行辗压整形。 文献 3 1 - 3 2 1 对几种类型齿轮坯的闭式摆辗成形进行了探索，进行了一些试验研 究，取得了初步的成果。提出在制定摆辗工艺时应注意几个问题：分模面的选 择；模锻斜度和圆角半径的选择；开式模锻与闭式模锻的选择；预锻毛坯的要 求；齿轮轴孔部位上下模间隙：模具强度问题等。文献【3 3 】对某型号从动螺旋齿 轮坯的开式摆辗成形进行了数值模拟和初步的分析，设计出了摆辗预制坯，其 工艺流程为镦粗、冲孔、冲连皮、扩孔、胎膜涨型、扩孔、双锥辊摆辗。该工 艺流程较长，锥辊形状复杂，毛坯上端内孔和外径处均有较大的飞边，不利于 尺寸精度的控制，且齿面设计于毛坯上端，无法进行下一步的齿形摆辗。如果 采用闭式摆辗成形，虽可以避免飞边的形成，但闭式摆辗对模具的装配精度和 模具磨损提出了更高的要求。本文采用半封闭式双锥辊摆辗整形，采用浮动外 圈，摆辗后的环件外径无飞边，内径只有少量飞边，零件精度高。 1 3 双锥辊轴向轧制工艺原理及特点 1 3 1 双锥辊轴向辗压工艺原理 摆动辗压最早出现于2 0 世纪3 0 年代，7 0 年代初期才真正开始作为一种工 4 武汉理工大学硕士学位论文 艺技术投入到生产应用中。我国是摆辗技术应用的积极推广者，从7 0 年代就开 始了相关研究工作【3 4 】。 摆动辗压属于回转轧制，其特点为：在轧制过程中，轧辊对轧件局部加压， 其接触面积小；轧辊与轧件之间相对滚动，摩擦力比一般锻造的滑动摩擦力小， 单位面积平均变形抗力小，因此锻造变形工艺力也小很多，这不仅减少了设备 自重，同时提高了设备的相对刚度和锻件的加工精度。回转轧制具备省力、节 能、节材、制件精度高、生产效率高、模具寿命长、无振动冲击、生产成本低、 劳动条件好等诸多优点，因此发展回转轧制设备和工艺可促进锻造行业的技术 进步【3 5 】。 武汉理工大学的专利“锥辊辗压机( 专利号：z l 0 0 2 2 9 3 7 11 4 ) 有两个锥辊，分 别安装在机床主轴轴线的两侧，两轧辊自转轴线和机床的主轴轴线相交于一点 交角为a = 4 5 。，锥顶角为p = 9 0 。电动机通过减速箱驱动转头旋转，以实现两 锥辊公转。下模安装在机身滑块上，通过液压缸活塞的驱动，下模与轧辊的距 离逐渐接近直到接触到轧件，锥辊与轧件之间的接触摩擦力开始带动锥辊绕自 身轴线自转，即轧辊在轧件上滚动( 见图l 一3 ) ，轴向辗压轧件。当轧制完成后， 液压缸驱动顶杆可将工件顶出模具，整个工作流程完成。滑块的继续上升运动 可形成锥辊对轧件的连续轧制。锥辊接触面相对于机床的主轴轴线左、右对称， 因此轧制力合力的作用线与机床主轴的轴线重合，可大大改善机身的受力状态。 机床只有主转头为主动旋转，而两轧辊被动旋转，下模作上下平动，该机床的 传动系统和结构比较简单 3 6 - 3 8 1 。 图1 3 双锥辊轴向轧机原理 1 轧辊2 工件3 夕b 圈4 下模5 工作台 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 双锥辊轴向辗压工艺特点 双锥辊轴向辗压工艺有以下几个特点： ( 1 ) 双锥辊辗压模具有两部分：上模( 轧辊) 和下模。与其它压力加工方 法( 一般冲压、挤压、锻造、拉拔、旋压、轧制、斜轧，辊锻、旋转锻造、楔 横轧、轧环等) 相比，双锥辊辗压模具之间相对运动状况比较复杂。上模的运 动分解为：绕自身轴线的转动+ 绕设备主轴的转动；下模沿设备主轴向上进给 运动。 ( 2 ) 双锥辊辗压过程中，锥辊与毛坯之间保持局部接触。如图1 3 所示， 主轴旋转时，下模与轧辊之间的摩擦带动锥辊绕自身轴线自转。与此同时，在 油缸作用下下模上升，对毛坯施压，轧辊在毛坯上连续不断地局部辗压，最终 达到整体成形的目的。这相当于轧辊在工件上滚动和滑动，接触面积关于中轴 线对称，变形抗力的合力作用线与机床轴线重合。锥辊与毛坯之间的接触面积 为整体投影面积的1 n ，而变形力同样为原来的1 n 。这既减少了设各自重，降 低了成本，又提高了设备的相对刚度和锻件的加工精度。除此之外，模具的工 作环境与普通锻造相比也得到一定改善。 ( 3 ) 双锥辊轴向辗压工艺主要适用于圆盘圆环类零件 3 9 - 4 4 1 。 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 1 4 1 1 双锥辊摆辗整形工艺设计及优化 对从动螺旋齿轮坯双锥辊辗压整形工艺进行有限元模拟分析，设计出合理 的双锥辊轧机运动参数，得出辗压整形过程中的金属流动规律和变形特点，以 设计出合理的摆辗整形毛坯； 1 4 1 2 整形毛坯锻压、辗扩工艺设计及优化 对整形毛坯锻压、辗扩工艺进行有限元模拟分析，得出环件毛坯辗扩过程 中金属流动规律和变形特点，设计出合理的环件毛坯及锻压模具； 1 4 1 3 试验验证及对比 进行现场试验，验证对比模拟结果，并进行进一步的工艺优化。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 技术路线 技术路线如图l - 4 所示： 图l - 4 技术路线 7 武汉理工大学硕上学位论文 1 5 课题来源及意义 1 5 1 课题来源 本课题来源于导师与某锻造厂的合作项目从动螺旋齿轮坯成形工艺优 化。 1 5 2 课题意义 从动轮是汽车上的一个重要零件，与主动轮是配对齿轮。主动角齿轮是把传 动轴的扭力转递到后桥从动轮，减速传递，起减速器的作用。广泛应用在重卡 车、轻卡车、轿车、摩托车、微型车等领域，需求量较大。因此，必需选用先进 的锻造工艺生产汽车从动轮坯，以节材、节能，并提高产品质量。 在导师的带领下，我们对从动轮齿坯的轧环过程进行了分析，决定改进轧环 前毛坯的尺寸，以轧制出无飞边或飞边较小的环件，然后采用双锥辊整形工艺 对轧制后的环件尺寸进行调整，消除凹陷和材料分布不均，保证整形后的毛坯 内径外径达到规定值，便于后续的机加工。 采用双锥辊整形工艺，可使从动螺旋齿轮坯内外表面机加工余量降到lm m 以下，节约材料约1 0 。 1 6 本章小结 本章主要介绍了我国从动螺旋锥齿轮坯成形工艺的发展概况，阐述了提高 螺旋齿轮坯精度的必要性，提出在辗环工艺后增加双锥辊摆辗整形来提高毛坯 精度的方法，并简单介绍了双锥辊摆辗轴向轧制的原理及特点。同时也介绍了 本论文的研究内容，技术路线，课题来源及意义。 武汉理工大学硕i 上学位论文 第2 章从动螺旋齿轮坯摆辗整形工艺设计与优化 本文所研究的从动螺旋齿轮坯机加工图如图2 1 所示： 图2 1 从动螺旋齿轮坯机加工图 根据企业要求，机加工余量控制在l m m 左右，故对该机加工图纸各边放大 l m m ，对棱角处作倒圆角处理，得到冷态下的锻件图如图2 - 2 所示： 图2 2 冷态锻件图 由于双锥辊摆辗整形温度为1 0 0 0 。，故还需对该冷态锻件图作热缩放，缩放 系数设置为1 0 1 2 ，得到热态锻件图如图2 3 所示 图2 3 热态锻件图 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 模具设计及虚拟装配 根据图2 3 的热锻件图，设计双锥辊摆辗整形简化模具装配图如图3 4 所示 图2 4 双锥辊整形简化模具装配图 在有限元模拟过程中由于不需考虑下模顶料工序，因此可将下模和模芯合并 为一个整体，统称为下模，各部件的p r o e 三维造型如图2 5 所示： ( a ) 下模 辫 l “ ( b ) 外圈 ( c ) 锥辊( d ) 虚拟装配图 图2 5 各部件三维造型及虚拟装配图 l o 武汉理工人学硕士学位论文 在设计好虚拟装配图后需导入热态锻件图，检查干涉，防止双锥辊在辗压 过程中发生切料。导入的锻件和三维装配图如图2 - 6 所示： 彩锄缪缆缈彰孵”黟”啊9 猡嘲嬲 # ( a ) 热锻件( b ) 热锻件装配图 图2 - 6 热锻件及装配图 三维干涉检查如图2 7 所示 图2 7 全局干涉检查图 全局无干涉，装配设计合理，对各部件进行单独保存，保存方式为：在p r o e 三维装配组件中，将不保存的部件全部选择隐藏，然后点击保存副本，保存格 式为s t l 格式。在弹出的“输出s t l ”窗口中将弦高和角度控制都设置为0 ，这时 保存的模型精度最高，当然在有限元模拟运算中所需时间也更长，如果对模型 精度要求不高，可适当设置弦高和角度控制值。 3 2 有限元模型的建立 不同于d e r o r m 2 d ，d e f o r m 3 d 软件缺少实体造型功能，因此需将s t l 格式 的p r o e 三维造型导入d e f o r m 3 d 。在p r o e 中各部件己装配完好，故在 武汉理工大学硕士学位论文 d e f o r m 3 d 中只需少量调整即可满足成形工艺的位置要求，导入的有限元模型如 图2 8 所示： 粉。 图2 8 有限元模型 点击o b j e c tp o s i t i o n i n g ，调整位置关系后的有限元模型如图2 - 9 所示： 图2 - 9 位置调整 下模在下模座的向上推力作用下向上运动，外圈与下模座用弹簧连接，在下 模座推力作用下与锥辊紧密贴合，从而构成一个半封闭的型腔将工件包裹在其 中，构成浮动模。 2 3 模拟参数的设置及远动参数的选择 2 3 1 模拟参数的设置 在双锥辊摆辗整形过程中，下模、外圈和锥辊的变形量较小，可设置为刚 性体，工件设置为变形体，其材料设置为9 0 0 。- 1 2 0 0 。下的4 5 号钢，因为其在热 态下的流动性能与2 0 c r m n 7 7 j 常接近。d e f o r m 3 d 在锻造模块中无法自动划分 六面体网格，但对四面体网格的自适应划分能力较强，而摆辗整形过程中网格 1 2 武汉理工大学硕_ 上学位论文 经常需要重划分，因此选择四面体网格，通过对工件局部细化网格来提高模拟 精度。 工件单元网格的疏密决定和最小网格尺寸决定了网格的总数，过大的网格在 模拟运算过程中容易引起网格畸变，从而导致模拟中止，而过小的网格会导致 网格总数过大，虽然模拟精度较高，但模拟时间过长，效率过低，因此需要在 网格总数与模拟精度之间作出一个平衡的选择，既能保证模拟结果的精度达到 要求又能保证模拟时间不长。在d e f o r m 3 d 软件中划分网格的方式有两种， r e l a t i v e 和a b s o l u t e ，r e l a t i v e 需要输入网格总数及最大网格与最小网格尺寸之 比s i z er a t i o ，a b s o l u t e 需要输入s i z er a t i o 及最大网格尺寸或最小网格尺寸。本 文选择a b s o l u t e 方式划分网格，考虑到冷态锻件加工余量设计为l m m ，在热态 下余量约为1 0 1 2 m m ，故设置最小网格尺寸为o 5 m m ，s i z er a t i o 为1 2 ，细化网 格之前网格总数约为7 0 0 0 0 ，细化后约为9 0 0 0 0 ，如图2 - 1 0 所示： 图2 1 0 工件网格 网格细化区域通常为难填充区和形状较复杂的区域，该工件的网格细化区域 如图2 1 1 所示： 图2 1 1 网格细化区域 1 3 化区域 武汉理工大学硕士学位论文 在双锥辊摆辗整形过程中，工件在下模推动下向上运动，因此在细化网格时 只需选择需细化区域的最终坐标即可，这样可以减少前期模拟运算中的网格总 数，同时不影响最终的成形效果。在d e 丹o m - 3 d 软件中尺寸测量精度不高，可 考虑在三维造型装配时预估出需细化区域的具体坐标，使得细化区域不至于过 大或过小。 双锥辊摆辗成形是通过对工件的局部加压来实现整体的变形，在成形过程中 锥辊与工件频繁的接触与分离，比普通成形工艺复杂的多。锥辊与工件的接触 区也存在着前、后变形区；锥辊与工件之间的相对滑动区与相对速度为零的中 性区域同时存在的复杂情形，导致摩擦力经常发生变化。为了简化摩擦模型， 我们选择体积成形有限元模拟中经常使用的常系数剪切模型，即厂= 础。 d e f o r m 3 d 软件提供了6 种常见模型的摩擦系数，分别为c o l df o r m i n g ( c a r b i d e d i e s ) o 0 8 ，c o l df o r m i n g ( g e e ld i e s ) 0 12 ，w a r mf o r m i n go 2 5 ，h o tf o r g i n g ( 1 u b r i c a t e d ) o 3 ，h o tf o r g i n g ( d ) 0 7 ，a l u m i n u m0 4 。本文中从动螺旋齿轮坯整 形发生在热态下，故摩擦系数选择为润滑摩擦0 3 和干摩擦o 7 ，其中下模和外 圈与工件之间的摩擦为干摩擦，这是为了防止工件在整形过程中发生打滑，从 而导致下模向上进给时工件局部变形量过大，最终引起工件上表面金属折叠。 锥辊和工件之间摩擦系数设置为0 3 ，锥辊可通过润滑剂冷却，以防止长时间受 热受压导致模具热烧伤，使模具表面不平整，最终影响锻件的表面成形质量。 最终模拟参数设置如表2 - l 所示： 表2 1 参数表 模拟参数数值 材料 模拟温度 网格 摩擦系数 锥辊公转速度n 下模进给速度v 每步进给量 4 5 钢( 9 0 0 01 2 0 0 。) 1 0 0 0 0 最小尺寸0 5 m m ，s i z er a t i o 为1 2 0 7 、0 3 1 0 0 、7 5 、5 0 r m i i l 3 - 2 0 m m s 0 0 0 2 s 3 3 2 下模进给速度与上模转速的选择 本文所选用的双锥辊摆辗机下模进给速度v 为3 - 2 0 m m s ，下模通过液压驱 动，驱动速度可通过该设备自带的p l c 控制系统调节。上模转速n 为1 0 0 、7 5 、 5 0 r m i n ，即锥辊的公转速度为n ，锥辊的自转速度需计算得到。在双锥辊辗压过 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 程中，锥辊与外圈的接触点由于公转运动的距离与自转运动的距离一致，因此 设锥辊自转半径为r ，自转速度为，公转半径为r ，可得到2 z r r d = 2 7 r r n ， 张= r ”| r = 、6 no 在讨论下模进给速度与上模转速对整形结果的影响时，可将每秒下模进给量 与上模转动圈数的比值v n 作为变量，而非仅仅单方面的考虑下模进给速度与上 模转速。设置锥辊公转速度为1 0 0 r m i n ，下模进给速度分别为9 m m s ，6 m m s ， 4 m m s ，3 m m s ，通过比较不同进给速度下锻件的最终成型效果选取最优的转速 与进给速度比，整形毛坯如图2 - 1 2 所示： - - - - 1 7 2 6 一 图2 1 2 整形毛坯 设计出表2 2 中四组数据 表2 - 2 模具运动参数 组别 n ( r m i n )v ( m m s ) l 1 0 09 2 1 0 06 3l o o4 41 0 03 通过有限元模拟，得到4 组参数的整形结果如图2 - 1 3 所示： ( a ) 1 组 1 5 ( b ) 2 组 _毯 ，。，荔嚣名 v 武汉理工人学硕士学位论文 黔4 汤0 0 。 ( c ) 3 组( d ) 4 组 图2 1 3 模拟结果 上图中组1 模拟过程中发生了切料。由于下模进给量过大导致在锥辊内堆积 的坯料从旁边溢出，如图2 1 4 所示，从而引起锥辊切料，因此该方案不合理。 图3 - 1 4 锥辊切料 由于d e f o r m 3 d 软件尺寸测量模块误差较大，而通过对间隙的直接比较亦难 以准确判断出组2 、3 、4 哪种方案合理，因此需要通过其他方法来进行尺寸的 对比和测量，以确定是否锻件是否留有加工余量及加工余量的多少。 本文所采用的方法是将d e f o r m - 3 d 中的工件以s t l 格式导出，然后再导入 p r o e 中，通过模型缩放使工件恢复到冷态，再导入机加工模型，通过剖截面 的方法比较两种模型的非重叠部分及可确定是否留有加工余量及加工余量大 小。其具体操作步骤为：模拟在模拟前处理中，选取最后一步模拟状态打开模 口 拟的d b 文件，然后选取工件，点击图标! 竺! ! 三：，此时弹出对话框如图2 1 5 所示： 1 6 习一 o；簇哆j 一 o 一 一 、譬一 气 “ 貔： 一 ；一 蟹 “ 武汉理工大学硕- 上学位论文 图2 1 5 导出几何模型对话框 该对话框提示用户所选工件没有几何模型，但有网格模型，是否从网格模型 中导出几何模型，点击y e s ，然后点击。 1 胡_ s n v e c - e o 存几何模型，此时会弹出 对话框提示用户选择存储路径，存储路径中不能包含中文否则无法保存，选择 路径后软件会弹出对话框提示选择存储文件方式，选择默认的b i n a r y 方式，点 击o k ，该工件的几何模型即导出成功，导出格式为s t l 格式。 打开p r o e ，新建一个实体模型，点击藏k ，在弹出的下拉条中点击 菇翱嚆必，选取缓露戮荔溺，导入保存的s t l 文件，坐标系选取为缺省坐 标系，文件即导入成功。点击黼鸸，娩嘲鲤，输入模型缩放系数得到冷态 锻件，然后再导入d x f 格式的机加工图纸，通过引用、旋转等操作得到机加工 零件三维造型，冷态锻件与机加工模型如图2 - 1 6 所示： ( a ) 冷态锻件( b ) 机加工模型 图2 16 冷态锻件与机加工模型 利用p r o e 的剖界面质量属性功能，得到模型的截面图如图3 1 7 所示： 图2 1 7 模型截面图 1 7 武汉理工人学硕上学位论文 图中黄色未填充区域即为加工余量，黄色填充区域为机加工模型，在对图 形进行放大后可直观的显示出各边加工余量的分布并估算出余量值。双锥辊摆 辗的成形特点为局部加压成形，在下模进给终止时工件有的区域锥辊挤压时间 长，有的区域挤压时间短，因此会造成工件局部成形不均匀，在选择剖界面时 须选择两个相互垂直的平面进行比照，选出最小机加工余量平面的剖界面图。 通过以上方法对组2 、3 、4 的模拟结果进行处理后得到其加工余量分布如 图2 1 8 所示： ( a ) 组2( b ) 组3( c ) 组4 图2 1 8 组2 、3 、4 机加工余量分布 组2 、组3 、组4 的最小机加工余量均位于工件内锥面下端，这是因为摆 辗成形为局部加压成形，塑性变形区主要为工件上半部，而靠近下端面区域变 形较小。组2 、组3 的最小机加工余量约为0 2 m m ，组4 的最小机加工余量约为 o 5 m m ，组4 的成形效果相对更理想。在双锥辊摆辗过程中，组4 的下模进给速 度最慢，其辗压时间最长，工件下端面填充更充分。虽然组2 、组3 的最小机加 工余量相同，但组3 的某些截面的内锥面机加工余量己达到0 5 m m ，而组2 的 内锥机加工余量最大为0 3 m m 。因此最优转速为1 0 0 r m i n ，进给速度为3 m m s 3 4 金属流动规律分析 在选定合理的设备运动参数后，为设计出合理的整形坯还需分析在双锥辊摆 辗整形过程中毛坯金属的流动规律，以确定难变形区和易变形区，为毛坯形状 和尺寸设计提供参考。双锥辊摆辗整形为圆周循环局部辗压成形，金属在成形 过程中存在半径方向的流动和圆周方向的流动，为了直观的表示出金属的流动 特点，我们使用了d e f o r m 3 d 的点跟踪模块。 1 8 、磊镄娄一一 武汉理工大学硕士学位论文 设计热态毛坯如图2 1 9 所示： 图2 1 9 毛坯 在d e f o r m 3 d 中，导入毛坯模型及模具，如图3 2 0 所示： 图2 2 0 有限元模型 设置运动参数为锥辊公转速度为1 0 r a d s ，自转速度为1 6 r a d s ，下模进给速 度为3 m m s ，在下模进给完成后保压l s 。 在模拟运算完成后，进后处理，点击点追踪按钮，弹出对话框如图2 - 2 l 所示g 图2 - 2 1 点追踪对话框 1 9 武汉理工大学硕_ 上学位论文 在该对话框中输入各追踪点坐标如表2 - 3 所示： 表2 - 3 追踪点坐标 点 x y z p l6 l- 60 p 2 6 0 5- 4 0 p 35 9 5oo p 45 8 540 p 55 8 6 0 p 65 77o p 75 580 p 85 41 00 p 95 41 50 p 1 0 5 4 2 00 p 1l5 42 50 p 1 25 43 00 p 1 35 4 3 50 p 1 45 43 8o p 1 57 9 53 0 p 1 68 3 52 0 p 1 78 61 40 p 1 8