（材料加工工程专业论文）直齿内齿轮冷精锻成形工艺分析及实验研究.pdf

直齿内齿轮冷精锻成形工艺分析及实验研究 摘要 随着汽车、摩托车、农用车辆和船舶等制造业的快速发展，对传动零件齿 轮的质量要求越来越高。直齿内齿轮是汽车减速器产品中的关键零件，可以代 替减速器上笨重粗大的结构，使现有的传动结构紧凑灵活。采用冷精锻工艺来 成形内齿轮具有生产效率高、省材料、成本低、零件强度高、精度和表面质量 好等特点，工业上的应用前景十分广阔。 在对直齿内齿轮冷精锻成形工艺模拟分析前要建模，本文基于p r o e n g i n e e r 的参数化设计思想对内齿轮进行三维几何造型，并对模型的各个尺寸进行参数 化处理，使尺寸之间建立一定的约束关系。将复杂的内齿轮几何造型过程转化 为一个由内齿轮关键参数构成的参数表，仅需在表中输入相关参数即可获得所 需形状的内齿轮。 提出了两类典型结构内齿轮( 贯通内齿轮和非贯通内齿轮) 的冷精锻成形 工艺方案。运用数值模拟手段，对贯通内齿轮主要从齿轮模数、成形载荷、有 效齿高以及模具寿命等方面对齿轮成形质量进行研究，获得满足工艺要求的合 理的工艺参数。对非贯通内齿轮从成形载荷、齿轮精度和模具寿命等方面对两 种可行方案进行对比，并得到这两种方案各自的适用条件。 通过分析采用实心料挤压非贯通内齿轮的凹模受力情况，提出三层组合凹 模结构。借助人工神经网络和遗传算法对三层凹模结构设计参数进行优化，获 得能充分发挥三层组合凹模材料性能的最优设计参数。 最后对贯通内齿轮进行实验验证。通过实验得到齿形饱满，与数值模拟结 果相吻合的齿件，进一步证明本文提出的制造贯通内齿轮的冷精锻成形工艺方 案合理可行。 关键词：直齿内齿轮冷精锻数值模拟贯通非贯通 p r o c e s sa n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts t u d yo i lc o l dp r e c i s i o n f o r g i n go fs t r a i g h ti n n e rg e a r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e ，m o t o r c y c l e ，a g r i c u l t u r a lv e h i c l e a n ds h i p ，t h ed e m a n do fg e a rq u a l i t yi si n c r e a s i n g l yh i g h s t r a ig h ti n n e rg e a ri so n e o ft h ek e yp a r t so fr e d u c e r , w h i c hc a nr e p l a c et h el a r g ea n dh e a v ys t r u c t u r e i n r e d u c e r a n dm a k et h ee x i s t i n gt r a n s m i s s i o ns t r u c t u r ec o m p a c ta n df l e x i b l e t h e r e a r eag r e a td e a lo fa d v a n t a g e sb yu s i n gc o l dp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s s ，s u c ha s h i g h e rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，s a v i n gm a t e r i a l s ，l o w e rc o s t s ，h i g h e ri n t e n s i t y ，g r e a t e r p r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t y ，e t c t h u s ，c o l dp r e c i s i o nf o r g i n gw i l lh a v eab r i g h t f u t u r ei ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n b e f o r et h es i m u l a t i o na n a l y s i so fc o l dp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s so fi n n e rg e a r , t h e3 - dg e o m e t r i cs h a p eo fi n n e rg e a ri sm o d e l e db a s e do nt h ep a r a m e t r i cd e s i g n i d e ao fp r o e n g i n e e r e a c hs i z eo ft h em o d e li st r e a t e db yp a r a m e t e r i z e da n dc e r t a i n c o n s t r a i n e dr e l a t i o n s h i pa m o n gs i z e si se s t a b l i s h e d t h e r e f o r e ，t h ec o m p l e xp r o c e s s o fg e o m e t r i cm o d e l i n gi sc o n v e r t e di n t oap a r a m e t e rt a b l ew h i c hi sc o m p o s e do f s o m ek e yp a r a m e t e r so fi n n e rg e a r b yu s i n gs u c ht a b l e ，ar e q u i r e ds h a p eo fi n n e r g e a rc a nb eo b t a i n e dju s ti n p u tt h er e l e v a n tp a r a m e t e r so fg e a r t h ec o l dp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s so ft w ok i n d so fi n n e rg e a rw i t ht y p i c a l s t r u c t u r e ( h o l e t h r o u g hi n n e rg e a r & n o n h o l e t h r o u g hi n n e rg e a r ) i sp r o p o s e d b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s o m ek e yp a r a m e t e r ss u c ha sg e a rm o d u l e ，f o r m i n gl o a d ， e f f e c t i v et o o t hh e i g h ta n dd i el i f e a r er e s e a r c h e do nh o l e t h r o u g hi n n e rg e a r s f o r m i n gq u a l i t y m e a n w h i l e ，i nc o m p a r i s o n w i t ht h et w of e a s i b l es c h e m e so n n o n h o l e t h r o u g hi n n e rg e a ri nt e r m so ff o r m i n gl o a d ，g e a ra c c u r a c ya n dd i el i f e ， a p p l i c a b l ec o n d i t i o n so ft h et w os c h e m e sa r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y t h r o u g ha n a l y z i n gt h es t a t eo fd i ef o r c ew h e ns o l i d b i l l e ti su s e dt of o r m n o n - h o l e t h r o u g hi n n e rg e a r , t h e s t r u c t u r eo ft h r e e - l a y e rc o m b i n e dd i ei sp u t f o r w a r d w i t ht h eh e l po fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h e d e s i g n p a r a m e t e ro ft h ec o m b i n e dd i es t r u c t u r ei so p t i m i z e d ，w h i c hc a nf u l l ye x e r t m a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h ec o m b i n e dd i e f i n a l l y ，e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o ni sc a r r i e do u tf o rc o l dp r e c i s i o nf o r g i n go f h o l e t h r o u g hi n n e rg e a ra n dg r e a tg e a rp a r ti sg a i n e d t h ef a c tt h a tt h ee x p e r i m e n t a l a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dw e l lc o i n c i d e n c e ，f u r t h e rp r o v e dt h a tt h e c o l dp r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s ss c h e m ef o rh o l e - t h r o u g hi n n e rg e a rp r e s e n t e di nt h i s p a p e ri 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 s ：s t r a i g h ti n n e rg e a r ：c o l dp r e c i s i o nf o r g i n g ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ： h o l e - t h r o u g h ：n o n - h o l e t h r o u g h 表格清单 表3 1内外齿轮齿根圆和齿项圆直径计算方法比较1 5 表4 1不同初始坯料孔径对内齿轮成形质量的影响2 2 表4 2齿轮模数与变形程度的关系2 3 表4 3不同的冲头入口角度对应的内齿轮有效齿高2 5 表4 - 4 数值模拟的基本参数2 8 表4 5分流槽宽度对成形载荷和有效齿高的影响2 9 表5 1三层组合凹模工艺参数取值范围3 4 表5 2正交试验因子及其水平表3 5 表5 3三层组合凹模正交设计试验样本3 5 表5 4训练样本的有限元模拟结果和神经网络训练结果对比3 6 表5 5检测样本有限元模拟结果与神经网络预测结果对比3 7 表5 - 6 遗传算法优化解与理论优化解的比较3 9 表5 7g a 优化解及f e m 验证结果3 9 图1 1 图1 2 图1 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 12 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 17 图4 18 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 插图清单 简化为梯形的3 个变形区上限模型2 两段成形过程示意图6 外齿轮成形过程6 齿轮渐开线示意图1 4 参数化设计思想在内齿轮设计中的运用1 5 贯通内齿轮挤压有限元模型16 坯料网格局部细化图1 6 两类典型的内齿轮1 9 环形坯料加工过程1 9 齿形冲头结构及其受力分解2 0 改进前后退料环结构对比2 1 合理的坯料内径21 不同坯料孔径挤压内齿轮效果图2 2 内齿轮齿形示意图2 2 不同模数下内齿轮充填性数值模拟结果2 3 不同模数下挤压成形载荷2 4 不同冲头入口角对应的挤压载荷2 4 不同冲头入口角度对应的冲头等效应力2 5 贯通内齿轮有效齿高2 5 不同摩擦因子对应的载荷2 6 孔分流与轴分流2 6 两类非贯通内齿轮2 7 实心坯料挤压内齿轮成形模具示意图2 7 非贯通内齿轮有效齿高2 8 实心坯料内齿轮挤压等效应力2 8 方案一内齿轮挤压成形载荷2 8 带分流槽的挤压模具图。2 9 方案二内齿轮挤压成形载荷2 9 两种方案齿形冲头等效应力3 0 凹模等效应力分布3 l b p 神经网络结构模型3 3 基本遗传算法流程图3 3 内齿轮外形简图3 4 三层组合凹模结构3 4 图5 5三层组合凹模有限元模型3 4 图5 6组合凹模优化中两层b p 神经网络结构模型3 6 图6 1铅质环形坯料加工装置4 0 图6 2铅质环形坯料4 0 图6 3实验模具简图4 1 图6 4凹模退让槽示意图4 1 图6 5实验模具实物图4 2 图6 - 6退料过程示意图4 3 图6 7脱模过程示意图一4 3 图6 8铅质内齿轮样件4 8 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， 也不包含为获得金日巴王些太堂 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：牟劳慈签字日期：年毋月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、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。本人授权盒胆王些盍 堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：椒 导师签名： 签字嗍咋呼月弓日 签字隰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：煮伽工删参研绍生 通讯龇：石舰螂翰埘莓陆 、 务 斫年 | 电话： 邮编： 鸪罗 | 致谢 本文是在导师刘全坤教授的悉心指导下完成的。在两年半硕士研究生学习 期间，从专业课程学习、论文选题、学术论文发表以及硕士论文成稿，无不倾 注了导师的大量心血。导师渊博的专业学识、严谨的治学态度和精益求精的工 作作风始终深深激励和鞭策着我，使我获益匪浅。与导师相处的这段岁月，将 是我一生取之不尽的财富。在论文完稿之际，谨向恩师表示真诚的感谢和诚挚 的谢意! 特别感谢江苏森威集团有限责任公司严丰工程师对我课题的有益指导。严 工程师丰富的工作经验和热情无私的帮助，使我对课题中涉及的许多问题有了 更加深入地理解和认识，在此表示衷心感谢! 本课题的实验部分得到了王强高级工程师的支持、指导和大力协助，在此 深表谢意! 同时，由衷感谢胡龙飞博士和胡成亮博士对我课题研究上的指导和关心。 他们多次询问课题进展情况，并且无私地提出了很多宝贵的意见和建议。谨向 两位博士致以深深的谢意! 感谢在硕士研究生学习期间给予我指导和帮助的薛克敏教授、李萍教授、 陈文琳副教授和陈忠家副教授等老师! 本研究所的王成勇博士、王可胜博士、雷声博士、刘克素博士、陈从升博 士、郑超博士、肖福成硕士、舒洁硕士、汪泽波硕士、祝慧硕士、李亨硕士、 赵雅丽硕士、唐凯硕士、张金宝硕士、李恩硕士、李奋强硕士、马灿硕士、侯 磊硕士、桂中祥硕士及其他师弟师妹们也对我的课题研究起到了很好的帮助， 在此一并感谢! 此外，还要深深感谢我的父母，他们在精神上和经济上给予了我巨大的支 持和鼓励，使我能顺利专心地完成学业! 作者：韩豫 2 0 0 9 年2 月于合工大 第一章绪论 1 1 引言 齿轮是一种应用广泛的机械传动零件，具有传动比准确、传递动力大、结 构紧凑、可靠性好、效率高和寿命长等特点，在机械行业中大量使用。通常齿 轮加工主要是通过金属切削加工方法或是采用传统的热锻与金属切削加工相结 合的方法，生产成本高且加工费时【l 砣】。随着以汽车工业为主导的制造业的迅 猛发展，对齿轮类零件的强度和精度等方面提出了更高的要求，这使得通过金 属切削加工方法生产的齿轮已经难以满足当前工业发展的要求，如何提高齿轮 的生产效率、缩短制造周期、提高齿轮的强度和精度以及降低生产成本已经成 为一个迫切需要解决的问题。因此，研究齿轮精密成形技术具有重要的意义。 齿轮冷精锻成形是指在室温条件下，金属坯料经过精密锻造直接获得完整 的齿形，而齿面无需切削加工或仅需少许精加工即可使用的制造技术，属于近 净成形( n e a r n e t s h a p e ) 技术的范畴。与传统的齿轮加工工艺相比齿轮的 冷精锻成形具有节省原材料、节约能源、提高生产效率和降低生产成本等优点。 同时，通过冷精锻工艺成形的齿轮，在其内部会形成致密而均匀的材料组织， 沿齿形轮廓具有连续而合理的金属流线，形成表面加工硬化层及圆滑过度的齿 根，从而大大提高了齿轮的机械强度和使用寿命。与齿轮的温锻和热锻成形相 比，由于冷精锻成形不需要对毛坯和模具加热，既有利于降低能耗，又有利于 提高齿轮产品的表面质量和尺寸精度，具有更为广阔的应用前景【3 - 4 l 。 尽管齿轮冷精锻成形技术具有诸多优点，但距应用于规模生产还有一段距 离。特别是应用于汽车动力传动的齿轮，还需要建立一套实用和可靠的生产工 艺流程。齿轮冷精锻成形的主要技术难点在于： ( 1 ) 几何形状复杂，冷态条件下成形时金属变形抗力大； ( 2 ) 精锻时坯料变形量大，易引起模具的变形与齿件的弹性回复，这两种 弹性变形行为都会直接影响齿件的最终精度： ( 3 ) 尤其是直齿轮，由于没有拔模斜度，出模困难，需要较大的顶出力； ( 4 ) 成形载荷大，模具寿命较低，对润滑和模具材料有严格的要求。 正是由于这些难点，导致齿轮冷精锻技术难以应用于齿轮的批量生产，形 成产业化。 综上所述，齿轮冷精锻成形技术的优势突出，应用前景广阔且具有重大的 研究意义，目前已成为塑性加工领域内的研究热点。近些年来，国内外对齿轮 ( 尤其是直齿轮) 冷精锻成形技术的理论分析和实验研究主要集中在以下三个 个方面：( 1 ) 变形规律的研究：( 2 ) 工艺创新和模具设计的研究；( 3 ) 齿件质 量和精度控制的研究【5 】。国内外学者在上述方面都取得了大量的研究成果，其 中一些研究成果已经应用于实际生产中。 1 2 直齿轮冷精锻技术的研究现状 1 2 1 变形规律的研究 韩国学者j c c h o j 等人提出了一种新的动可容速度场，采用上限元法对 渐开线圆柱直齿轮的锻造过程进行分析，针对不同的模数、齿数、变位系数及 摩擦因子等因素对齿轮锻造变形力的影响进行了计算，并通过铝为试验试样进 行了物理试验，获得的变形力结果与上限元法预测的结果得到了很好的吻合【6 1 。 英国学者n r c h i t k a r a 等人以带有4 个梯形齿的齿状零件和带有1 5 个齿的渐 开线直齿轮为例，将渐开线齿廓简化为梯形齿廓，并取半个齿将其划分为三个 主要变形区( 如图1 1 所示) ，分别采用两种主应力分析法( s l a bm e t h o do f a n a l y s i s ) ，即采用圆柱和直角混合坐标系的s m a i 和采用单一圆柱坐标系的 s m a l i 以及两种上限元分析法( u p p e rb o u n da n a l y s i s ) ，即采用圆柱和直角混 合坐标系的u b a i 和采用单一圆柱坐标系的u b a i i ，分析了直齿轮成形过程 中的基本规律。分析结果表明，随着毛坯初始高径比减小、摩擦系数增大和齿 数增多，齿轮的锻造变形力增大。同时通过物理试验与分析结果进行比较，发 现上述4 种分析方法预测的载荷值要比试验得到的结果高出1 0 2 0 左右，其中 u b a i i 的预测值最接近实际，u b a i 预测值最大，s m a i 和s m a i i 两者的 预测值较为接近，且介于u b a i i 和u b a i 之间【7 q 】。j c h o i 等人在研究用平 图l - l 简化为梯形的3 个变形区上限模型 凸模对空心坯锻造直齿轮时，引入了中性面( n e u t r a ls u r f a c e ) 的概念，将半个 齿模型划分成7 个变形区建立动可容速度场进行上限法分析，得到了以下结果： 采用空心坯料锻造齿轮比实心坯料更有利于降低载荷：为提高齿轮锻造的精度， 可以采用凸模加芯棒的方式，同时还应该考虑凹模和坯料的弹性变形以及凸凹 模之间的间距；随着坯料高度的减小，中性面半径和坯料内孔半径都趋近与零； 对于齿轮锻造而言，1 5 - - , 2 0 个齿是较为合适的齿数【9 1 。伊朗学者m h s a d e g h i 等人利用上限法分析并预测了直齿轮和斜齿轮锻造成形时的金属流动情况及成 形载荷，并与物理试验进行对比，发现两者较吻合。同时，他们还研究了摩擦 系数、模数、齿数、齿轮高度和齿轮内孔直径等对齿轮锻造载荷的影响，结果 表明，摩擦系数小、模数小、齿数少、齿轮高度大和齿轮内孔直径小均有利于 降低齿轮的锻造载荷1 1 0 】。陈拂晓等人利用上限元法模拟了圆柱直齿轮径向挤压 过程的流动行为，通过模拟得出金属的流动行为与压下量的多少有关，模具分 流口直径的大小与坯料充填侧型腔的速度成反比，与充填行程成正比关系，分 2 析了模具参数和工艺参数对金属流动的影响【川。吉林工业大学杨慎华等人采用 上限法对直齿圆柱齿轮冷精锻成形力能参数进行求解，给出了基于分流理论的 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【1 2 】。 程军、林治平等人采用物理试验的方法，研究直齿圆柱齿轮冷精锻工艺中 模具内的应力分布，利用环氧树脂模型进行三维光弹性试验模拟，通过对光弹 性图形的分析得到凹模内壁的应力分布情况【1 3 】。陈泽中等将密栅云纹法引入齿 轮精锻研究，根据直齿轮冲挤精锻终了阶段锻件分流面的云纹图像，利用“位 移增量微分法 推导出位移速度场沿轴向和径向的分布信息，获得了相应的变 形规律，为进一步研究应变分布提供了依据【1 4 1 。谭险峰、林治平等人对空心坯 料精锻带毂直齿轮工艺进行了模拟实验，采用坐标网格法着重对精锻终了阶段 进行了变形分析，并利用f o r t r a n 7 7 语言编制程序对测量结果进行处理，获 得了变形终了阶段等效应变沿全场的分布规律【1 5 l 。 山东大学张清萍等人采用三维有限元数值模拟方法分析了直齿轮的精锻成 形过程，分析了模数、齿数、齿轮高度等参数对成形工艺的影响，结果表明， 齿轮模数和齿数的增加会导致锻造载荷的增加，其中模数的变化对载荷的影响 较明显i l6 。吉林工业大学寇淑清、杨慎华等人首次采用弹塑性大变形有限元数 值模拟的方法，对直齿圆柱齿轮冷精锻两步成形过程进行了研究，对闭式锻造 预锻及分别以闭式锻造、孔分流和约束分流为终锻的两步成形过程的金属流动 情况进行了数值模拟。比较了在不同终锻方案下工作载荷、金属流动和角隅充 满情况，发现终锻工艺采用约束分流方案最有利于降低工作载荷，提高角隅充 填能力1 17 】o 合肥工业大学胡成亮等人基于刚性平移流动模式假设，提出直齿轮 刚性平移终锻成形新工艺，并通过数值模拟和物理试验结果的分析，验证了该 假设正确性。同时还分析了预成形齿高和摩擦因素两个关键工艺参数对齿轮终 锻成形载荷的影响，说明刚性平移流动模式的优势。此外，在上述基础上采用 了不对称的模具设计，对新工艺作了进一步改进，获得了较为均匀的流动充填 方式，从而使成形载荷大幅度下降【1 8 l 。 总结国内外学者的研究成果，可以得出目前分析齿轮成形变形规律的主要 途径包括基于经典塑性理论的解析分析( 主要是上限法分析) 、以实测数据为基 础的物理试验研究方法和数值模拟方法。数值解析法能够直接给出各种因素在 金属塑性成形过程中相互之间的关系，便于进一步进行成形极限分析和工艺参 数优化，有利于从全局把握成形过程但由于齿形渐开线较复杂，在数学求解 方面较为困难，对于大多数平面问题和轴对称问题只有在附加了一些假设条件 并且进行了大量的模型简化的前提下，才能给出近似的解析解。物理试验方法 包括光弹性分析法、密栅云纹法和坐标网格法等，这些方法通常选用质地较软 的材料代替钢材作为试验材料，以降低试验成本，但试验后期分析提取数据工 作较为繁琐、周期较长且精度不高，不便于进一步进行成形极限分析以及工艺 3 参数的优化。数值模拟方法丰富了塑性成形机理的研究手段，使得塑性成形向 智能化方向发展，其功能强大，求解精度高，可以选择不同形状、不同大小和 不同类型的单元来描述任意形体的变形过程，并能对不同参数组合进行反复试 验和优化，是目前研究最有效且采用最多的分析方法【1 9 1 。 1 2 2 工艺创新和模具设计 国内外对齿轮精锻成形的工艺创新和模具设计研究主要集中在浮动凹模和 约束分流等方面。英国学者t a d e a n 和t u n c e rc 最早采用浮动凹模结构对精 锻直齿圆柱齿轮做了一些物理试验研究，从金属充填、锻件顶出、锻造载荷和 模具寿命等方面对多种模具设计方案进行评价，归纳出齿轮无飞边冷锻模具制 造的各种工艺要点【2 p 2 2 1 。日本学者k k o n d o 和k o h g a 在8 0 年代首次将分流 减压思想引入齿轮精锻工艺中，提出减压孔和减压轴两种分流方法，避免了成 形终了时的载荷陡增现象，并进行了理论分析和实验研究【2 3 2 4 1 。西安交通大学 程羽等人采用凹模运动方式可调的浮动凹模结构，进行直齿轮冷精锻试验，分 析了毛坯有无分流孔及分流孔形状、成形工艺条件等因素对齿轮成形的影响。 结果表明，适当的分流孔尺寸可以降低成形载荷，但不是很明显。采用可调式 浮动凹模精锻齿轮，可以在明显降低成形载荷的条件下，同时兼顾齿轮上、下 角部的成形，有利于齿轮角隅的充满【2 5 屯7 1 。吉林工业大学傅沛福、寇淑清等人 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，提出了改进后的分流措施，即约束分流法，并利用组合模 具对诸多工艺方案及填充规律进行了试验研究。结果表明，约束分流方案在改 善填充性、降低载荷及提高材料利用率方面具有较多优点【2 8 2 9 1 。合肥工业大学 刘全坤、胡成亮等人基于模具形状对传统的直齿轮闭式锻造成形方案进行改进， 对四种具有不同凸凹模端面形状的设计方案进行对比，最终得出将凸模端面设 计成“ 形，凹模型腔底面设计成“一 形对齿轮成形最有利，并以 分流角、凸模成形角、反向凸模成形角和分流距4 个模具设计的关键参数作为 设计变量，以成形时所需工作载荷最小为优化目标，对工艺方案进行了优化。 最后引入浮动凹模设计的思想，模拟了采用浮动凹模结构后优化方案的成形过 程，发现采用浮动凹模可以进一步降低工作载荷【3 们。此外，刘全坤等人还将流 曲线的概念引入齿形模腔中，利用n u r b s 曲面构造流线型凹模型腔，并对直 齿圆柱齿轮挤压过程进行了数值模拟。结果表明，采用流线型凹模型腔有利于 改善角隅部分金属的充填性【3 i 】。 总结以上的研究成果可以发现，“浮动凹模 和“分流减压蚪已经成为齿轮 冷精锻成形工艺创新和模具设计的核心思想和主要手段。但目前大部分工艺还 都处于实验室研究阶段，要使齿轮成形工艺实用化，还必须结合企业的实际生 产条件和能力进行进一步的研究和论证。 4 1 2 3 质量和精度控制 随着各行业和技术领域之间的竞争日益激烈，锻造产品的技术要求不断提 高，发展精密锻造成形技术已成为塑性成形领域的一个重要方向。目前精密锻 件的尺寸精度一般在1 5 9 m 2 0 0 9 m 之间，在齿轮精锻领域，目前以温冷成形工 艺生产的汽车用齿轮的传动精度已达到i t 7 - - i t 9 级【3 2 1 ，随着市场化需求的变 化，特别是中高档轿车的需要，齿轮锻件的精度还将进一步提高。 精密塑性成形过程中，成形件的弹性变形主要是指成形件脱模后零件的回 弹。通常在金属板料成形中考虑成形件的弹性回复即回弹，而在体积成形中加 以忽略。但在精锻成形过程中，回弹对成形零件尺寸的影响，与所要求成形件 应达到的精度相比是不可忽视的。近年来随着精锻工艺技术的发展，要求对锻 件弹性变形控制技术进行更深入的研究【”】。 英国学者y q i n 和r b a l e n d r a 等人通过数值模拟方法，从凹模型腔的几何 参数、摩擦条件、毛坯材料和工作带长度等方面研究加载和卸载阶段模具型腔 的弹性变形情况。研究表明，挤压件的尺寸精度受模具弹性变形的影响，大的 摩擦系数、较高的坯料屈服应力值和较小的模具材料强度均会导致较大的模具 弹性变形量，最终在挤压件出模后形成了较大的尺寸误差【3 4 1 。y o u n g s e o nl e e 和j u n g h w a nl e e 等人采用实验和数值模拟相结合的方法，分析了多台阶轴正挤 压成形工艺中模具的弹性变形及挤压件出模后的弹性回复情况，并在不同工艺 条件下得到模具变形和挤压件弹性回复后的基本形状与各不同部位的弹性变形 量【) 引。燕山大学李洪波等人通过理论分析及有限元模拟研究了精锻齿轮的弹性 回复，提出模具尺寸的弹性修正量与弹性修正系数的概念，并求出了4 5 号钢在 8 0 0 时成形齿轮的弹性修正系数值【36 1 。合肥工业大学胡成亮等人对齿轮件的 弹性变形规律和精度控制进行研究，创建弹塑性一弹性三维耦合模型，同步计 算齿坯的塑性变形、模具的弹性变形和齿件出模后的弹性回复。分别沿齿形曲 线与齿高曲线分析模具的弹性扩张规律和齿件的弹性回复规律，并将两者综合 起来评价齿件的尺寸偏差；同时还分析了凹模外径与内径之比、模腔高度以及 摩擦条件对齿件精度的影响【”l 。李海峰等人利用s u p e r f o r m 软件针对模具在工 件反挤压过程中的变形进行了模拟，并初步分析了凸模的弹性变形情况【3 8 】。 综上所述，在钢制锻件冷精锻成形中，模具的弹性变形和锻件的弹性回复 是影响锻件精度的两个不可忽视的因素。由于齿轮本身的复杂性导致其精度控 制技术难以掌握，目前关于齿轮冷精锻精度控制方面的研究还比较少。 1 2 4 直齿内齿轮冷精锻成形 和直齿外齿轮一样，直齿内齿轮也是机械行业不可缺少的关键零件，尤其 在汽车的传动机构上，内齿轮可以代替减速器上笨重粗大的结构，使现有的传 动结构紧凑灵活【3 9 1 。与外齿轮相比，内齿轮由于其结构特殊和加工方式的局限 性，在实际生产中主要还是通过机械切削加工的方式来制造。 目前国内外对内齿轮冷精锻成形的研究和应用较少，国内仅有少数几家企 业尝试采用冷精锻工艺来制造内齿轮。在学术研究方面，韩国学者j u n g m i nl e e 等人将板料在冷态下变薄拉伸为鼓形离合器的过程分为1 2 步，重点研究了最后 3 步，即鼓形离合器内齿部位的成形过程。研究表明凸模的形状、凸模入口 角角度和板料变薄系数均会对内齿成形的齿形精度产生影响。通过有限元模拟 具体分析了这些参数对内齿成形质量的影响，得出了参数间的最优组合并进行 了实验验证1 4 。燕山大学李洪波等人为改善直齿内齿轮零件采用常规闭式镦挤 成形时载荷大、充型困难、模具磨损等情况在分流锻造法的基础上采用了 二次分流方法，提出了直齿内齿轮缩挤和镦挤相结合的两段成形法的新工艺( 如 图1 - 2 所示) 。并用有限元软件对直齿内齿轮精锻成形过程进行数值模拟，验证 了该工艺的可行性。而且分析了不同凹模型腔入模角、不同摩擦条件及不同坯 料尺寸对齿形充填状况的影响o i 。青岛建筑工程学院田福祥等人分析了带幅板 瓣瑟 的内齿轮挤压成形和镦粗成形的金属流动规律，采用上限法分别求得相应模式 下各个变形区的动可容速度场和应变速度场，建立了求解内齿轮热挤压成形力 和镦粗成形力的数学模型，并编制了内齿轮锻压变形力计算程序，求得与实验 结果吻合较好的上限解 4 2 1 。合肥学院袁永壮等人对传统玲挤压成形工艺做了改 进，提出了内齿轮包挤压成形工艺，该工艺克服了直接 冷挤压成形内齿轮时载荷大、凸模磨损严重和使用寿命 。毒；o 短的缺陷，解决了直接冷挤压成形内齿轮中的产品质量氍簋耋溪雪基兰兰| 一致性不够好的问题，得到了齿形饱满、端面平整的内匿薹毒嚣雳甄 齿轮，同时将成形内齿与预挤分开，使齿形冲头寿命得、j 到延长【4 ”。 肢形巾删阶段 由于内齿轮的结构与外齿轮不同，使得内齿轮的冷 精锻成形过程有别于外齿轮。直齿外齿轮轮齿部分的成 ，t 鸯蠢户，- = ： 形主要是依靠凸模对坯料施加个方向向外的径向力来睡鳞嚣麓 迫使材料流入模具齿腔，逐步完成成形，一般在成形终之毒：誊j ： 了阶段轮齿部分才能充填饱满( 如图1 3 所示) 。而内齿 ? 轮由于轮齿朝内，很难通过施加一个方向向内的径向力成形接近终了阶段 来使材料流入齿腔完成充型。由于上述区别，使得传统豳i - 3 外齿轮成形过程 直齿外齿轮的冷精锻成形工艺无法直接应用到直齿内齿轮的冷精锻成形上来。 本文针对内齿轮结构的特殊性，提出两种适用于直齿内齿轮冷精锻成形工艺方 案，并选择其中一种工艺进行物理试验，以证明该方案完全适用于直齿内齿轮 的冷精锻成形。 1 3 直齿内齿轮冷精锻技术存在的主要问题 之所以目前对直齿内齿轮冷精锻成形技术的研究和应用还比较少，主要原 因在于以下几个问题尚未能解决好： 1 ) 出模：直齿内齿轮没有拔模斜度，出模比较困难； 2 ) 同心度：采用空心坯料挤压内齿轮时，坯料上反挤出来的中心孔和其外 圆的同心度较难保证； 3 ) 精度控制：影响齿轮精度的因素众多，包括坯料尺寸、凸模和凹模型腔 形状、模具的磨损和弹性变形以及润滑条件等； 4 ) 模具设计和寿命：由于直齿内齿轮结构的特殊性，某些结构的直齿内齿 轮冷精锻成形需要对模具的设计提出特殊的要求；而另一些结构的内齿 轮在冷态下锻造成形载荷很大，导致模具寿命普遍偏低，这是导致直齿 内齿轮精锻工艺难以实用化的一个重要原因。 1 4 课题来源和研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于安徽省教育厅自然科学基金资助( 重点) 项目一直齿轮冷 锻成形工艺的研究与开发( 项目编号：k j 2 0 0 7 a 0 6 4 ) ，同时获得安徽省自然科 学基金项目精密挤压成形理论研究及组合凹模优化设计方法( 项目编号： 【0 7 0 4 1 4 1 4 6 ) 的支持。 1 4 2 研究内容 本文系统研究了两种典型结构的直齿内齿轮冷精锻成形工艺。通过研究， 使直齿内齿轮冷精锻成形技术进一步完善，并为实际生产提供理论依据及技术 指导。 主要研究内容如下： 1 运用三维参数化造型软件p r o e n g i n e e r 对直齿内齿轮的模具造型，尤其 是齿形冲头，由于其形状的复杂性和参数的易变性，运用参数化设计思想可以 实时改变齿形冲头的形状尺寸，而无需每次繁琐的重复造型； 2 借助有限元分析工具，具体研究贯通和非贯通两种典型结构直齿内齿轮 的冷精锻成形工艺，分析内齿轮在冷精锻成形中的金属流动方式、模具结构对 内齿轮成形质量、成形载荷、精度以及模具寿命的影响，提出满足工艺要求的 合理的模具参数； 7 3 采用神经网络和遗传算法，对内齿轮冷精锻成形中组合式凹模结构尺寸 进行优化设计； 4 对贯通的直齿内齿轮，通过物理实验成形出具有符合精度要求的直齿内 齿轮零件，验证该工艺的可行性。 8 第二章刚塑性和弹塑性有限元基本理论 金属塑性成形数值模拟的核心思想是有限元法。1 9 5 9 年h i l l 开始进行大变 形有限元法基础理论的研究工作。1 9 7 0 年h d h i b b i t 等提出了建立在有限变 形理论基础上的大变形有限元列式【4 4 1 。此后有限元方法开始应用于金属塑性成 形的数值模拟中，使模拟实际金属塑性成形过程成为可能。 有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在金属塑 性成形过程的有限元模拟中，根据材料本构关系的不同，有限元法主要分为两 大类：即刚塑性有限元法和弹塑性有限元法【4 5 1 。对于实际的金属塑性成形过程 ( 如齿轮的冷精锻) ，弹性变形部分远小于塑性变形部分( 弹性应变与塑性应变 之比通常在1 1 0 0 - - 1 1 0 0 0 ) ，因而可以忽略弹性变形，将材料模型简化为刚塑 性模型。对于一些介于弹性变形和塑性变形之间的问题，则需要采用弹塑性有 限元法来进行分析。 2 1 刚塑性有限元基本理论【4 6 l 2 1 1 刚塑性材料基本假设 在大变形金属塑性成形过程中，材料塑性变形的物理过程相当复杂。为此， 必须作出一些假设，即把变形中某些过程理想化，以便于数学上进行处理。将 变形金属视为刚塑性体，材料应满足下列假设： ( 1 ) 忽略变形材料的弹性变形； ( 2 ) 材料服从l e v y m i s e s 流动法则； ( 3 ) 材料均质且各向同性； ( 4 ) 满足体积不可压缩条件； ( 5 ) 不计体积力和惯性力； ( 6 ) 通过加载条件( 加载面) 给出刚性区与塑性区的界限。 2 1 2 基本方程 刚塑性材料在发生塑性变形时应满足下列基本方程： ( 1 ) 平衡微分方程 f = 0 ( 2 ) 几何方程 气= 去0 u + ) ( 3 ) 本构方程 3 亭 勺2 万 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中，言一等效应变速率，言= 吾气； 万一等效应力，万= 兰吒。 ( 4 ) m i s e s 屈服准则 万= y( 2 4 ) 式中，y 为材料屈服应力，对理想刚塑性材料，】，= 仃。；对刚塑性硬化材料， y = 仁) 。 ( 5 ) 体积不可压缩条件 以= 毛磊- m _ 0 ( 2 - 5 ) ( 6 ) 边界条件 边界条件包括应力边界条件和速度边界条件，表示如下： 力面s p 上 f t2o i n j2f i 速度面品上 坼2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 1 3 变分原理 刚塑性有限元的理论基础是m a r k o v 变分原理。其表述为设变形体的体积 为y ，表面积为s ，在力面上给定面力e ，在速度面上给定速度，则在满足 几何条件、体积不可压缩条件和速度边界条件的一切许可速度场j 中，使泛函 石2j 矿磊d y j sf , u - d s( 2 - 8 ) 取极值( 即万= 0 ) 的4 j 为本问题的精确解。 利用m a r k o v 变分原理对变形体进行数值求解时，选取满足速度边界条件 的速度场比较容易，而要满足体积不变条件的速度场则非常困难。同时，由于 刚塑性材料模型不计弹性变形，并采用体积不可压缩假设，这使静水压力盯m 求 解十分困难，因而求不出变形体