直齿锥齿轮毛坯摆辗数值模拟及优化（已处理）

直齿锥齿轮毛坯摆辗数值模拟及优化武汉理工大学硕士学位论文直齿锥齿轮毛坯摆辗数值模拟及优化姓名:陈由红申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:程培元20071101摘要摆动辗压是一种局部加压连续塑性成形技术。直齿圆锥齿轮摆动辗压精密成形工艺是一种先进的齿轮加工技术,具有材料利用率高、生产率高、生产成本低、齿轮机械性能好和使用寿命高、成形尺寸精度高等诸多优点。在齿轮加工领域有着广泛应用。本文在研究直齿圆锥齿轮摆动辗压工艺的基础上,利用有限元法分析了齿形成形过程中金属填充规律,阐述了直齿圆锥齿轮摆动辗压成形特点,重点研究了三种毛坯形状对直齿锥齿轮成形质量的影响,分析了鼓形毛坯最优形状尺寸设计。根据齿轮零件及摆辗模具原型,利用三维造型软件对零件造型并用/对模具进行造型,得到直齿圆锥齿轮摆动辗压成形的模具及零件模型,为成形工艺有限元模拟分析提供了依据。在此过程中介绍了和/一些相关的模块应用,如模具设计模块、可行性与最优化分析建模。基于刚塑性有限元理论,建立了直齿圆锥齿轮摆辗成形的有限元分析模型。基于有限元模拟软件,应用三维刚塑性有限元算法对直齿圆锥齿轮摆动辗压成形过程进行了模拟分析,得出三种毛坯金属的流动状态、等效应力应变分布规律,齿轮成形过程,由模拟结果分析得知在三种毛坯中鼓形最有利于其成形。通过设计一个参数量鼓度口来表达鼓形的尺寸设计,在以上结果的基础上进一步深入研究鼓形毛坯形状优化,改变口值的大小选取不同的模型在同一摆辗的工艺参数下再次迸行有限元数值模拟,分析探讨不同鼓度毛坯的成形规律及其对直齿锥齿轮成形质量的影响,选用摆辗总载荷最小和凹模最大等效应力最小为优化目标,对摆辗总载荷与口的关系曲线及凹模最大等效应力与口的关系曲线进行了拟合,分别导出了摆辗总载荷、凹模最大等效应力与口的函数表达式。通过综合两个曲线函数得出最优化鼓形毛坯鼓度.。最终实现优化目的。关键词:摆动辗压成形直齿圆锥齿轮有限元模拟.锄..曲,....,../.一.’.’/、/.’.,一,,...,.,,,∞Ⅱ..臼∞.口..:,,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.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它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。签名:罩象也日期:竺与啤关于论文使用授权的说明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、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定签名:罕妞导师签名:阻日期:础?武汉理一:人学硕七学位论文第章绪论.引言作为一种典型的传动零件??齿轮,被广泛地应用于航空、航天、汽车、仪表等众多的行业领域。齿轮质量的好坏直接影响到相关产品的性能水平。可以说,齿轮加工技术的高低已经成为了衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。..传统齿轮制造方法【齿轮加工工艺,因齿轮结构形状、精度等级、生产条件等的不同,大致可分为四个阶段:齿坯加工、齿形加工、热处理和热处理后精加工。齿坯加工必须保证加工基准面精度,齿形加工和热处理后精加工是制造的关键,热处理则直接决定轮齿的内在质量。传统的齿轮加工工艺,一般齿坯经过热锻得到,齿形加工和热处理后精加工则由滚齿、插齿、剃齿和磨齿等切削工艺加工。对于汽车、拖拉机、机床等需求量大,要求精度高的齿轮,采用滚齿或插齿后,再进行剃齿或晰齿。对于软齿面和中硬齿面齿轮,一般工艺方法为调质后滚齿或插齿。对大模数齿轮则采用粗滚齿一调质一精滚齿工艺。齿面感应淬火的齿轮,工艺为滚齿或插齿、剃齿、感应淬火,再剃齿或者晰齿。对于硬齿面齿轮,一般先滚齿或插齿,有时还剃齿,热处理后精整基准面,轮齿变形大时,还要进行磨齿。由上可知,齿轮的加工方法很多,但主要方法有滚齿、插齿、剃齿和磨齿。其他还有铣齿、刨齿、梳齿、晰齿、研齿等加工方法。无论哪种方法,其基本原理是采用切削手段,去处多余金属,以得到满足精度要求的轮齿。国内的齿轮加工目前仍以传统的滚齿、插齿、剃齿和研齿等机加工技术为主。采用这些常规的切削加工工艺【。,材料的利用率低、能耗大、生产率低,武汉理工大学硕士学位论文尤其是在加工过程中切断了材料的金属流线,造成轮齿强度与疲劳寿命下降。..齿轮精密锻造因此近年来应用塑性成型工艺来取代传统的机械切削加工方法【】,已经越来越被受到重视。精密成形工艺克服了切削加工工艺中的材料利用率低、生产率低,尤其是由于切断了金属流线而造成的强度低的种种缺点,以其高效率、高精度而成为齿轮加工变革的主要方法之一。精密成形工艺作为一种先进制造技术吲,是在传统模锻工艺的基础上逐步发展起来的。精密成形工艺目前被普遍接受的定义是“至少锻件的部分表面的尺寸精度和形状精度达到可直接用于装配或仅需磨削加工即可装配的程度”。采用精密成形技术生产齿轮件,不仅具有节材、节能、减少机加工工序与工时、成本低、效率高等显著优势,而且可大幅度提高产品内在与外观质量,符合高效、精密、绿色清洁的世纪先进制造技术的发展趋势。直齿圆锥齿轮在机器生产中应用极为广泛,传统的伞齿轮加工方法是利用金属切削加工生产的,既浪费原材料,生产率又低。目前,国内外广泛采用精密模锻工艺代替金属切削加工,大大提高了伞齿轮的强度,抗弯疲劳寿命及生产率,且降低了生产成本。但是精密模锻工艺也存在一些问题,如工序多,热锻、温锻时加热温度要严格控制,锻件上氧化皮不能太多等,且精锻不适合于小批量生产【。“。采用冷摆辗成形工艺来精密成形伞齿轮是近年来被采用的先进的齿轮加工工艺。该工艺既可以避免热锻时加热所带来的种种缺点,同时,也克服了普通冷锻时变形抗力过大,模具寿命低等缺点。而且采用冷摆辗成形,省去了加热设备以及有关的能量消耗;又由于摆辗件金属纤维的合理分布,摆辗过程中的强化,大大提高了成品零件的机械性能,其加工精度、表面光洁度也能够大大提高。所以,冷摆辗精密成形工艺在齿轮加工领域有着广阔的应用前景。..齿轮摆动辗压的优点齿轮摆动辗压工艺相对于传统的切削加工,是完全不同的工艺方法。它采用锻造工艺,利用金属塑性变形特性,借助模具型腔面的约束,以使坯料直接成形为齿轮。具体是指采用摆动辗压技术,轮齿由坯料直接锻出,且齿面不需武汉理工大学硕士学位论文切削加工或者仅需要少许精加工即满足使用要求的齿轮制造技术。相比于切削加工,它具有独特的优势:摆动辗压成形所需的变形力小,成形效果相当于常规冷成形下公称压力是其倍的锻压设备。由于摆辗件金属纤维分布合理,加之摆辗过程中的加工强化,大大提高了成品零件的机械强度。当摆角由增加到时,成形时间大致减少/”。降低生产成本,节省金属材料改善机械性能,提高齿轮质量提高生产效率大大降低环境污染,有利于可持续发展.摆辗成形工艺摆辗,即摆动辗压,又称轴向轧制。最早出现在世纪年代,直到年代初期波兰人马尔辛尼克研制出四轨迹冷成形摆动辗压机后【“,才真正作为一种工艺技术转入生产应用。图.为摆动辗压原理图,摆动辗压工艺具有如下特点:摆辗模具有两部分:上模即摆头和下模。摆动辗压与其它形式的压力加工方法一般锻造、冲压、挤压、拉拔、轧制、旋压、斜轧,辊锻、楔横轧、旋转锻造、轧环等等相比,其模具之间相对运动的状况要复杂的多。上模的运动可以分解为:绕自身轴线的转动轴线绕设备主轴的摆动;下模作沿设备主轴向上的迸给运动”。摆辗成形过程中,摆头与坯料之间始终局部接触。如图一所示,摆头中心线与机器主轴中心线相交成,,角,此角称摆角。当主轴旋转时,绕旋转,于是上模便产生了摆动。与此同时,下模在油缸作用下上升,并对毛坯施压,这样上模母线就在毛坯上连续不断地滚动,最后达到整体成形地目的。相当于锥体沿母线在工件上滚动滑动,接触面偏向一旁,即机床承受周期变形偏心载荷。摆头与坯料之间的接触面积是整体投影面积的/~倍,变形力仅为原来的”。与传统的塑性加工方法相比,摆辗加工的运动轨迹多样,有圆、直线、螺旋线、菊花线即叶瓣交叉的多叶玫瑰线,多叶玫瑰线叶瓣交叉的多叶玫武汉理工大学硕士学位论文瑰线等”“”。不同的轨迹适用于不同特征的零件。摆辗工艺主要适用于成形轴对称零件。图一摆辗原理示意图摆辗加工具有如下特点:省力。首先,由于锻压时变形力的大小是由平均单位压力和接触面积之积来确定的,而摆辗加工是连续局部变形的过程,接触面积仅为常规锻造接触面积的/同时,模具与工件之间的相对运动有滚动,摩擦系数小,降低了塑性流动阻力;再者,接触面积小,则塑性区相对厚度大,应力状态系数小,变形抗力小。综上所述,摆辗变形抗力仅为常规锻造变形抗力的/~/“】。精度高。摆动辗压能够使锻件毛坯变形均匀,金属纤维流动合理,加上摆辗过程中的加工强化,大大提高了成品零件机械强度,且加工精度和表面质量亦大大改善,一般机械零件冷摆辗成形精度可在.~.,热成形精度.~.,成形后表面粗糙度可达.~.,可用于少无切削加工,节约金属材料。可加工外形复杂的零件,尤其适合一般锻造方法难以加工的局部很薄的锻件,例如仅有.厚的带杆法兰盘。采用冷摆辗成形,还省去加热设备及有关的能源消耗。工作时无冲击,振动和噪声小易于创造良好的工作条件,无环境污染。可一单机生产也可组线生产,易实现生产过程的机械化和自动化。由于摆辗工艺具有上述优点,使其在精密成形领域具有独特的优势。我国武汉理大学硕十学位论文在摆辗工艺的理论研究和生产实践方面起步较早,并且取得了许多成果】。.摆辗加工的研究概况摆辗成形是一种新型的压力加工工艺,年代才进入实用阶段。近几年在国内得到较为广泛的应用。用冷摆辗工艺加工精密齿形能大幅度提高成品零件的外观和内在质量成形后的齿形毋需后续加工,且可节能节材。摆动辗压机和一般锻造设备一祥,具有锹粗、嫩头、正挤、反挤、傲挤等各种工艺性能,还有许多独特的优点。随着机械制造业的发展,人们对摆辗技术的认识在逐步提高,摆辗工艺的应用范围将不断扩大,摆辗已成为塑性加工发展的主要方向之一。为使这种节材、节能、节约投资、改善环境又节约人力、实现少无切削加工的工艺在制造业中普及而发挥其应有的作用,必须对现有的摆辗机的不足之处进行改进,使之适应生产实际的需要。..国外摆辗应用及发展目前,世界上生产摆辗机的国家有:日本、德国、瑞士、波兰等。近年来,这些国家生产厂家都是在原有机型生产的基础上新设计了不同规格摆辗机,使摆辗机成系列化生产。这些摆辗机特点是自动化和标准化程度高、精度高、微机控制、操作方便。不但供给国内厂家使用,而且加速向国外推销,并向大型化和多样化发展,有的厂家还试制在普通液压机上的摆辗机。德国热摆辗机的辗压力可达,其辗压工件直径达,日本森铁工株式会社已具备生产冷摆辗机的能力。日本不但有波兰、瑞士、美国的机型,而且自己还创造了如日本住友的倾斜回转模压床等不同的摆辗机型,还生产了不少摆辗铆接机。日本不但热衷于热摆辗机,同时非常重视发展冷摆辗机。不但重视摆辗工艺和设备理论研究,而且还注重用摆辗机开发新产品。近年来用摆辗机造火车轮就是一例。武汉理工人学硕十学位论文..国内摆辗应用及发展年.兵器工业第五九所在国内首次研究成功采用冷摆辗工艺实现端面齿形的冷成形”。念‖犍鲺图一一摩托车起动机构的端面齿轮研制的零件如图一所示,是摩托车起动机构用的端而齿轮。材料为或。主要技术难点是成形摆辗件端面凸台外环沿圆周三十等份的齿。齿深为.士.。齿顶和齿底圆角为.,。由于端面凸台与外环齿形之间无退刀槽,无法切削加工而采用冷摆辗工艺使端面齿成形。这一零件的冷摆辗成功首开了国内大规模用冷摆辗工艺成形齿形精密零件的先例。年.武汉工学院开始对汽车后桥差速行星粉末冶金伞齿轮进行温摆辗成形工艺研究。由干摆动辗压是局部连续成形。塑性变形区的位置不断移动.即塑性变形区的边界在变形体内运动,使变形体的各部分在剪应力的重复作用下多次产生变形,相当予对粉末冶金多孔体的每一孔隙连续进行多次破坏并压实,所以摆动辗压比一般锻造更能使粉末冶金多孔体致密化。年兵器工业第五九所与西安交通大学合作,研究了行星伞齿轮的冷摆辗成形。从摆头形状、摆头运动轨迹、摆辗时间、进给量、坯料形状等方面研究了其讨伞齿轮齿形充填程度的影响,并计算了冷摆辗成形力四和光塑性模武汉理工大学硕士学位论文拟摆辗成形时的金属流动。年。国内采用冷摆辗工艺生产螺旋伞齿轮【。与直齿伞齿轮相比,螺旋伞齿轮传动平稳、冲击小、噪声低、承载能力大,但加工难度大、成本高,模数小于的螺旋伞齿轮国内一般采用格里森机床切削加工。而“小螺伞”的冷摆辗成功使国内该类产品的机械加工工艺水平大大提高了一步。年又冷摆辗成功带“耳”的摩托车起动棘轮,如图一所示。该零件的技术难点在于齿轮外周有一个不规则的小凸台称之为“耳”,采用传统的锻造工艺很难成形,切削加工则费工费时,因而采用冷摆辗工艺加工。经多次试验和精心设计模具而获得成功。成形零件精度高、互换性好。由于金属流线连续,而使得热处理时齿形部分的变形小。摆辗时加工硬化,提高了齿形部分的综合机机械性能。其耐磨性及使用寿命均得到提高。图一摩托车带“耳”的起动棘轮年,国内利用引进瑞士技术和摆辗机,生产出微型汽车所用的模数小于的差速器行星伞齿轮。年,兵器工业第五九所又冷摆辗成功一个一面具有端面齿形,另一面为螺旋面的零件。近年来我国对摆辗的研究有了较大的发展四。据全国第五届摆辗学术会议统计,我国已拥有台摆辗机用于锻件生产。到目前为止,我国已能采用摆辗工艺生产汽车后半轴、大直径薄壁圆盘法兰、铜锣、扬声器导磁体、端面齿轮、各种齿轮坯及各种薄壁圆盘类、饼类锻件等。汽车用行星伞齿轮、后桥被动齿轮、半轴伞齿轮和钢质同步器环等锻件的冷摆辗生产,尚处于试制阶段。另外,摆辗铆装技术的发展给摆辗技术提供了新的应用领域,目前全国已有几百台摆辗铆接机正常运行。武汉理工大学硕士学位论文..一些摆辗研究的方法介绍目前,关于摆动辗压的研究,英国、日本、中国、前苏联和波兰等都做了许多工作钉,主要集中于力能参数的计算和验证、接触区域表面压力分布的测试等:主要采取的方法有网格法、电测法和密栅云纹法等,得出了接触面积率、摆辗力和摆头扭矩等力能参数的解析式及经验公式以及接触区域表面压力的分布规律等。但是,由于研究者各自采用的实验方法和手段以及实验条件的不同,得出的结果也不尽一致。同时,摆辗过程中的许多问题,比如是否像轧制一样存在着前后滑区、接触区域变形金属的流动规律如何、剪切变形是如何发生的以及受哪些因素的影响等等,尚很少有人进行全面的系统的分析和研究,这主要是由于摆辗变形的复杂性,许多实验手段和分析方法难以达到要求?。.选题的背景和意义直齿圆锥齿轮在机械传动中应用广泛,尤其是在汽车的传动机构中更是如此。传统的直齿圆锥齿轮加工是采用金属切削加工方法,使用专门的切齿机床对每一个齿逐渐加工,这种工艺方法有着许多缺点。近年来,国内己开始着重发展更有前途的塑性成形加工工艺来取代原有的加工方式,尤其是以净成形或近净成形为目标的精密成形工艺正成为齿轮加工技术的发展方向。国内外较先进且应用较广的齿轮加工工艺是热精密模锻,它可以提高齿轮的强度和抗弯疲劳性能,减少热处理变形量,提高产品精度,节约材料,减少工时,降低生产成本。但是它仍然具有上述热锻的缺点:工序多,能量消耗大,需要严格控制加热温度,锻件上的氧化皮不能太多,需要及时清除,最好采用无氧化加热。对直齿圆锥齿轮的摆动辗压也取的了一定的成绩,采用有限元商业软件.对直齿圆锥齿轮的摆动辗压变形工艺进行刚塑性有限元模拟,获得了直齿圆锥齿轮摆动辗压变形的金属流动、等效应力和辗压力与时间曲线,以及工艺参数对直齿圆锥齿轮摆辗凹模失效影响,圆盘薄件摆辗成形翘曲有限元分析∞∞。武汉理一:大学硕士学位论文到目前为止,世界各国对摆动辗压理论的研究己取得了很大的进展,如接触面积率的计算、变形力的计算及应力应变理论分析等。但由于摆动辗压变形的复杂性和研究的难度,人们对其变形机理还没有形成规律性的认识,存在一些基本问题有待干进一步研究加以解决,如摆辗不均匀变形的规律和工件内质点速度场理论等问题。尤其是直齿圆锥齿轮的摆动辗压变形,直齿圆锥齿轮的形状复杂,精度要求高,要对直齿圆锥齿轮的摆动辗压工艺进行高精度的有限元模拟还需要考虑模具的弹性变形、合理的摩擦系数等。摆辗成形是通过连续的局部反复的挤压已达到整体成形的目的,所以它的金属流动规律要比单纯的锻造复杂的多。齿轮是汽车、船舶及各类机械中应用最广泛的传递运动和动力的零件。使用黑色金属的直齿圆柱齿轮冷精锻是当今国内外的研究热点问题,而通过对直齿圆锥齿轮摆辗成形的研究相对较少,因此本文对直齿圆锥齿轮摆辗成形的研究可丰富齿轮摆辗工艺理论,同时,对该零件的实际生产以及同类型零件的实际生产具有直接的指导意义,它可有效地减少实际试验、工装模具次数,有效地降低生产成本,提高生产效率。.主要研究内容和目标研究目标:通过改变直齿圆锥齿轮坯料的各个参数,利用有限元法,借助计算机和模拟分析软件来研究直齿圆锥齿轮在不同的工艺条件下成形力能关系、金属流动变形规律,从而得出提高模具的使用寿命的具体方法和参数,得出最优化毛坯尺寸,初步模拟结果得出鼓形有利于成形,设计一个参数来定性表述坯料的设计如图?所示。口等坯料上下底直径一定,武汉理::丈学硕士学位论文图一鼓形毛坯研究内容:.研究直齿圆锥齿轮在摆辗过程中的应力,应变情况。.探索在摆辗过程中金属的流动规律。.研究直齿圆锥齿轮不同毛坯在同一的成形工艺参数情况下的填充情况、成形力情况,从而设计出最合理毛坯形状尺寸。研究的三种形状如图所示。.在不同工艺参数条件下,研究齿根应力分布、变化规律画钿图?三种毛坯形状示意图拟解决的关键问题:揭示出直齿圆锥齿轮在不同参数下的金属流动规律,成形力变化规律,探索出降低成形力,提高模具寿命的工艺参数,得出最优毛坯形状尺寸参数。本文将采用.软件进行计算机数值模拟为主。并结合理论分析和试验方法,开展研究工作,图一所示为具体研究时的工作流程图。::彗堑竺篓垒万罚磊嚣.优化磐教曰图一有限元模拟及参数优化流程图武汉理工大学硕士学位论文.各个流程所处理工作如下:/模型导入。有限元模型一般通过/,等/软件进行建模,建模完成后将各个部件导出为或者格式文件,再导入.。前处理器包括三个子模块:①数据输入模块,便于数据的交互式输入,如:初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件:②网格的自动划分与自动再划分模块:③数据传递模块,当网格重划分后,能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递,从而保证计算的连续性。真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的,运行时,首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组,然后通过直接迭代法和.法进行求解,求解的结果以二进制的形式进行保存,用户可在后处理器中获取所需要的结果。后处理器用于显示计算结果,结果可以是图形形式,也可以是数字、文字混编的形式。可获取的结果可为每一步的:①有限元网格:②等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图:③速度场:④温度场:⑤压力行程曲线等。此外用户还可以列点进行跟踪,对个别点的轨迹、应力、应变、破坏程度进行跟踪观察,并可根据需要抽取数据。.本章小结本章阐述了摆动辗压加工的原理、特点及优点,分析了摆动辗压在齿轮精密成形中的应用,概述了直齿圆锥齿轮成形,以及直齿圆锥齿轮精密成形的研究现状。武汉理工大学硕士学位论文第二章直齿锥齿轮成形数值模拟基本理论及模拟软件介绍.引言对于制造业来说,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。会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//技术的重要核心技术之一。近十几年来,随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对材料成形规律研究的深入,材料成形过程计算机数值模拟技术取得了很大的进展。计算机数值模拟是通过数值计算的方法得到用微分方程边值问题描述的具体材料成形问题中,工件和模具的速度场或位移场、应变场、应力场、温度场等未知量,据此推测工件中组织性能的变化以及可能出现的缺陷:利用计算机图形技术将这些分析结果直观的、动态的呈现在研究人员面前,使他们能通过这个虚拟的材料加工过程来了解检验材料的最终尺寸和性能是否满足设计要求,以及来优化改进工艺方案。采用模拟技术,能在材料成形工艺设计和模具设计初步完成后立即对其进行检验,寻求可行甚至是最优的设计方案,然后再完成详细设计并进行模具制造。这样,在新产品开发时,就能使得产品设计、工装模具设计和制造等相关工作同时展开,即实现并行工程和虚拟制造。数值模拟丰富了塑性成形机理的研究手段,使得塑性成形技术向智能化方向发展,改善了工程师的试验环境,节省了试验费用,缩短了产品研发周期,使得成形过程可控,使成形工艺由“技艺”走向“工程科学”。它是提高产品质量,改进制造工艺的有效手段,是提高企业竞争力的有效途径。金属塑性成形中数值模拟的分析方法主要可分两大类,一类是近似的解析计算方法,包括主应力法、滑移线法、界限法上限法与下限法、功平衡法等;武汉理工大学硕士学位论文另一类是数值方法,包括有限差分法、有限元法和边界元法。其中有限元法是目前进行非线性分析的最强有力的工具,是金属塑性成形过程模拟的最流行的方法。对金属塑性成形而言,有限元法大致可分为四类,即小变形弹塑性有限元法、大变形弹塑性有限元法、刚塑性有限元法与刚粘塑性有限元法。小变形弹塑性有限元法与大变形弹塑性有限元法同时考虑弹性变形与塑性变形,刚塑性有限元与刚粘塑性有限元法忽略弹性变形,只考虑塑性变形。金属塑性成形可以分为体积成形和板料成形。圆柱直齿轮挤压成形属于体积成形,金属材料产生较大塑性变形,弹性变形相对极少,常采用刚塑性或刚粘塑性有限元法进行求解,能够得到令人满意的精度。在体积成形中,金属在高温或在常温条件下某些应变速率敏感的材料表现出材料粘性,对材料塑性变形规律有较大影响,用刚粘塑性有限元法模拟:相反,材料对应变速率不敏感,采用刚塑性有限元法模拟。齿轮冷挤压成形时,材料对应变速率不敏感,可以采用刚塑性有限元法进行模拟。.塑性成形过程研究方法金属塑性成形过程是一个复杂的变形过程,材料的特性、变形速度、温度、摩擦条件、坯料形状和尺寸、模具的形状等因素对成形过程都有一定的影响。这些因素及其作用就是塑性成形研究的主要对象。金属塑性成形过程的主要任务是结合金属材料的特性,分析和研究塑性成形过程中的应力应变的分布情况以及不同的因素对成形过程的影响。例如通过研究坯料形状和尺寸、模具入口处的形状和尺寸对成形过程的影响,进而得到金属塑性成形的规律。从而为解决塑性加工过程中出现的各种实际问题,制定最佳的工艺参数,高效低耗地实现成形过程,获得优质的产品而提供科学的依据。金属塑性成形过程的研究方法大致可以分为三类。第一类是基于经典塑性理论的解析方法,其中包括:精确地联立求解塑性理论基本方程的数学解析法,将平衡方程和塑性条件简化后联立求解塑性理论基本方程的主应力法,针对平面问题提出的滑移线法,基于能量守恒原理的能量法和上限法:第二类是以实测数据为分析基础的实验力学研究方法,如网格法、密栅云纹法等:第三类是随着武汉理:人学硕士学位论文塑性理论的发展和计算机应用的普及,而产生并且快速发展的数值分析方法,其中包括上限元法、有限差分法,边界元法和有限元法等等。比较以上三类研究方法,基于经典塑性理论的解析方法,即主应力法、滑移线法、上限法的突出优点是:能够直接给出各种影响因素在金属塑性成形过程中相互之问的关系,便于进一步进行成形极限分析和工艺参数的优化,有利于从全局把握成形过程。但是由于数学求解方而的困难,这些方法只能对某些特殊的平面问题和轴对称问题给出较为精确的解析解。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。而对于复杂的三维问题,该类方法的应用就较为困难了。实验力学研究方法所得的结果直接或问接的来自于实测数据,减少或回避了对变形条件及其材料性能等多方而的许多假设。其突出优点就是结果可靠,但是同时耗资大、周期长、局限性大,不便于进一步进行成形极限分析以及工艺参数的优化。数值分析方法的优点是:利用数学领域在数值分析方面的成就,克服了求解塑性理论中的三重非线性偏微分方程所遇到的数学方面的困难,可以给出复杂的金属塑性成形问题数值解。近年来随着有限元法和计算机技术的发展,该类方法已经成为分析金属塑性成形过程最有力的工具之一。利用有限元法可以在计算机上模拟分析塑性加工时从坯料到零件的整个成形过程,可以求出应力场、应变场、变形所需的载荷和能量,可以给出成形过程中坯料几何形状、尺寸和性能的改变,预测缺陷的产生和分析成形质量等。有限元模拟的优点是:功能强,精度高,解决问题的范围广,可以用不同的形状、不同大小和不同类型的单元来描述任意形体的变形,适用于任意速度边界条件,可以方便合理地描述模具形状,处理毛坯与模具间的摩擦,考虑材料硬化效应、温度等各种工艺参数对成形过程的影响,可以获得成形过程中任意时刻的力学信息和流动信息,如应变场、速度场、应力场、位移场、温度场,预测缺陷的生成和扩展等并且可以在计算机上虚拟实现成形过程,反复演示、计算和优化,这是其它研究方法所无法比拟的。目前有限元法已经成为研究塑性成形规律、材料变形行为及各种物理场的强有力的工具之一,并且得到了广泛的应用。塑性有限元法分为两类:一类是流动型塑性有限元法,包括刚塑性有限元与刚粘塑性有限元:另一类是固体型塑性有限元,包括弹塑性有限元与弹粘塑性有武汉理工人学硕十学位论文限元’”。弹塑性有限元能有效处理卸载问题,计算残余应力和残余应变,常用于工程承载问题的分析:但工作量大,数学处理比较复杂。刚塑性有限元由于简化了有限元计算列式,是计算过程大为简化,计算效率较高,故常用于大变形金属塑性加工过程的模拟。.刚塑性有限元基本理论..刚塑性有限元基本原理刚塑性有限元法采用列维一密席斯?速率方程和密席斯屈服准则,求解未知量为节点位移速度。它通过在离散空间对速度的积分来解决几何非线性,因两解法相对简单,井且求解效率高,求解精度可以满足工程要求。由于忽略了弹性变形,刚塑性有限元法不能进行卸载分析,无法得到残余应力、残余应变及回弹,刚性区的应力计算等也有~定误差。尽管如此,仍在塑性加工中得到了广泛应用,也成为一些商品软件如的核心算法。..基本假设材料成形过程中,塑性变形的物理过程十分复杂,为便于数学处理必须作出一些假设,将变形中的某些过程理想化。对于刚塑性材料,可作以下基本假设”】:忽略材料的弹性变形;不计体积力和惯性力的影响;材料的变形流动服从流动理论;材料体积不变,材料是均质且各向同性;材料存在应变硬化。武汉理::大学硕士学位论文..刚塑性材料的边值问题图.刚塑性边值问题塑性变形问题是一个边值问题,可以描述如下:设一刚塑性体,体积为,表面积为,在表面力,作用下整个变形体处于塑性状态,表面积分为,和鼠两部分,其中。上给定表面力,,,上给定速度如图一所示。塑性方程和边界条件定义即平衡微分方程√几何方程岛三‰,%本构方程孛..?白西%式中,万、言分别为等效应力和等效应变速率。米席斯屈服准则万?式中,表示材料的屈服应力。体积不可压缩条件武汉理人学硕士学位论文?,
口边界条件,包括应力边界条件和速度边界条件,表示如下?/∈?∈瓯..理想刚塑性材料的变分原理这个变分原理也可称为马可夫变分原理,其表述如下:对于刚塑性边值问题,在满足变形几何方程式、体积不可压缩条件式和边界位移速度条件式的一切运动容许速度场西中,使泛函??眵’?嬲取驻值即一阶变分万?的为本问题的精确解。..刚塑性材料不完全广义变分原理对一般的刚塑性材料,运动允许速度场须满足速度边界条件、几何方程和体积不变条件,把这些限制条件作为约束条件引入总能耗泛函,则可使上述约束条件在对泛函求变分的过程中得到满足,从而使初始速度场的设定容易得多。引入约束条件后,变分原理的表述要有相应的变化,统称为广义变分原理。、拉格朗日乘子法刚塑性有限元法中,拉格朗日乘子法的数学基础是数学分析中多元函数的条件极值理论,若求目标函数①①,,?,‰一,在约束函数,,所,呸,?,%:间,的条件下的极值,可构造如下修正函数①,%,?,.∑丑毋,吃,?,。。并令其一阶偏导数为零,即武汉理:人学硕士学位论文净,,?玎?婴:.,,?肌罢口这里称为拉格朗日乘子,数值待定。上式共有栉个方程,恰好可解出,%,?,。和,五,?,乃共似个未知数。把上述方法用于马可夫变分原理,即把体积不可压缩条件式?用拉格朗日乘子引入泛函式?,构造的新泛函如下??矽艇,.同理,对于一切满足几何方程和位移速度边界条件的容许速度场,其精确解使式?取极值,即满足万Ⅱ膨
确嘞矿磁磊屯?、罚函数法罚函数法的基本思想是用一个足够大的正数口如口把体积不可压缩条件引入泛函式?,构造出一个新泛函,即一膨等矽?。则对于一切满足几何方程和位移速度边界条件的容许速度场,其真实解使式一取极值,即满足?万:庐痢矿口胁嘶?。这里的罚函数源于最优化原理中的罚函数法,具有数值解的特征。其中取值应适宜,通常口~较好。当速度场址为真实解时,拉格朗日乘子法与罚函数法的泛函驻值点应相同,?。讥:,比较??,容易得出,罚函数法中静水应力口,为?仃。口叠..塑性边界条件塑性加工工艺中,通常工件的变形是在模具与工件接触状态下进行的,亦一武汉理工大学硕十学位论文即通过工件与模具的接触界面边界,模具把力和速度的作用施加到工件上,使之发生塑性变形。这种作用状态随着工艺过程的进行不断变化,直至所需的变形过程完成为止。因此,边界条件在工艺问题模拟分析中具有重要的影响作用。根据模具与变形工件的作用情况,工件的外表面可以分为自由表面和接触表面,如图?所示。所谓自由表面即没有模具接触的工件表面。该面上既没有外力作用,又无位移速度约束。实质上,自由表面是的应力边界,即该表面属于应力边界表面。,只不过这种零应力边界条件对工件的变形没有任何作用,同时在泛函外力功率计算项中,其值为零,因此可以不予考虑。接触表面则是在变形过程中工件与模具相互接触的那部分表面。设模具运动速度矢量为屹,取接触表面上工件任意~点肘,对应在模具上为点。,假定该点处模具轮廓的切向和法向单位矢量分别为和矢量/定义为从工件指向模具,并且与构成右手坐标系。对于接触状态的肘点,模具的作用力为,将分解为切法向分量,和,显然,,就是Ⅳ点所受到的摩擦力。,可由假定摩擦力计算条件定,即为已知外力,而后者则是未知力。若膨点此时的速度矢量为,同样分解为,和。。显然,法向分量。满足下式?.而切向分量,.一般来说其数值和方向都待定。因此,接触表面是应力和速度混合边界表面,在该表面上外力部分己知,速度也是部分给定。图?工件表面与边界条件为方便起见,把上述分析归纳为武汉理工大学硕十学位论文?自由表面:肼叶一接触表面:哟,以‰厂%、●●●●●式中,,表示摩擦力:表示接触表面。综上所述,塑性加工问题中,前述各泛函公式中的外力功率计算是针对接触界面上的外力而言,若还有其他方式的作用力,如轧制工艺中的张力等等,显然还要包含在内。..摩擦边界条件摆辗成形过程中,工件与模具间的摩擦力对金属流动模式、模具受力状态和总载荷等都有很大的影响。金属通常在高压下发生塑性变形,其机制十分复杂,影响摩擦力的因素很多。为便于分析计算,通常采用两种简化的摩擦应力模型,即库仑摩擦模型和剪切摩擦模型。.库仑摩擦模型库仑摩擦模型采用恒定的摩擦系数/,当接触面上的正应力为盯。时,摩擦剪应力,为:‖库仑摩擦模型在接触压力不高时是正确的,如果接触压力较高时,该模型计算的摩擦应力将会超过真实值。.剪切摩擦模型剪切摩擦模型不考虑接触面积正应力的大小,可以避免因接触压力过高而超出摩擦作用的情况。它可以表示为:,坍;√式中一摩擦因子,一般取≤≤;七一剪切屈服应力。武汉理工大学硕十学位论文..网格单元自动生成和重新划分一提供的可以自动生成的理面体单元,可以根据工作界面形状的复杂程度、温度分布、应力应变应变速率分布等作为权值来决定网格单元的相对密度和分布情况,也可以由用户通过定义边界或选择区域窗口的形式自定义网格的相对密度和分布情况。当工件大小确定时,网格的数量决定了网格的平均尺寸。一般认为,网格单元越多,有限元求解时收敛就越容易,求解精度就越高。但网格单元的数量的增加,必然导致计算机资源的占用呈指数级地上升,从而导致计算速度明显减慢。有研究表明,网格单元密度在一定范围内增加,对提高计算收敛性和求解精度是有效的,但网格单元密度过大,反而会产生负作用。一可以设定网格干涉深度相对或绝对深度,当变形程度达到时,网格自动会重划分。..迭代控制与收敛一软件提供了两种迭代方法,即牛顿一拉夫森眦?法与直接迭代法,本模拟采用牛顿一拉夫森法,这种方法同时具有迭代次数少计算时间短和精确度高的特点,但是其收敛性不如直接迭代法好,需要精心设置有关参数,方能使模拟结果更接近实际。材料成形过程中,工件与模具间的摩擦力对金属流动模式、工件和模具几何尺寸及内部缺陷、模具受力状态和总载荷等都有很大的影响。同时,塑性加工中的摩擦通常都是在高温、高压下发生的,并且伴随着工件的塑性变形,因此其机制十分复杂,影响摩擦力的因素很多。为便于分析计算,通常采用两种简化的摩擦应力模型,即库仑摩擦模型和常应力摩擦模型。塑性力学研究表明,常应力摩擦模型可以用来描述体积成形工艺中的摩擦条件,本文亦采用此模型,表述如下:?,.式中,为摩擦因子,≤:为工件材料的剪切屈服应力。该模型表示,给定下,摩擦应力与材料的剪切屈服应力成正比。当摩擦系数足够大,即时,,此时接触表面问没有相对滑动,工件材料黏附在模具表面上。武汉理工大学硕士学位论文式仅表示摩擦力的大小,而方向并未确定。从摩擦产生的机制来看,摩擦力的方向应该与工件和模具的相对滑动速度方向相反。式可以改写如下:?击阼式中,,表示相对滑动速度矢量。但当时,在该处不连续,因而无法进行计算。和提出了一种近似的处理方法:卜砒嘴溯式中,,表示相对滑动速度的大、标量:为一小正数。实践表明,,,的值应不小于:若模具运动速度为单位值,则应在一一。为宜。.有限元软件介绍目前,用于工艺过程模拟的有限元软件非常之多,而要选用一种最适合自己研究领域的现成软件有时又是一件很难的事情,因此有必要对这些软件的适用性作些全面的了解与分析,以下是几种工业常用有限元软件。..是享誉全球的工程校验、有限元分析和计算机仿真预测应用软件供应商.公司开发的体积成型工艺过程仿真的专用软件。采用基于有限容积法的材料流动模拟技术,突破了传统有限单元模拟极度大变形问题的障碍,无需单元重新划分,就能保证数值分析的精度和效率。可定义冷、热锻材料模型,能够描述包括加工硬化、应变率和温度效应的锻造专用材料特性。可模拟水压机、锻锤和曲柄压力机等锻造模式。广泛的适用领域,如所有机械工业领域,建筑工程,水利电力,航空、航天,电子,生物医学等:全集成环境下建模、解算、广泛的结果可视化后处理:广泛的工程问题求解类型:线性、非线性,静力、动力,传热,计算流体动力学,流一固耦合等:基于内核的强力建模功能包含几何、边界、武汉理:大学硕士学位论文载荷施加等:大型工程问题的高效求解,以及多并行处理求解功能:丰富的单元库、材料模式库。.?.是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面,与.求解器无缝连接。它具有以为内核的一流实体造型功能:全自动二维三角形和四边形、三维四面体和六面体网格自动划分建模能力:直观灵活的多种材料模型定义和边界条件的定义功能:分析过程控制定义和递交分析、自动检查分析模型完整性的功能:实时监控分析功能:方便的可视化处理计算结果能力:先进的光照、渲染、动画和电影制作等图形功能。并可直接访问常用的/系统,如:,,?,,.。.,,,等等。..综合了.通用分析软件求解器和前后处理器的精髓,以及全自动二维四边形网格和三维六面体网格自适应和重划技术,实现对具有高度组合的非线性体成型过程的全自动数值模拟。.提供了大量实用材料数据以供选用,用户也能够自行创建材料数据库备用。.除了可完成全或全的成型分析外,还可自动将分析与分析无缝连接,大大提高对先后的多步加工过程的分析效率。利用.提供的结构分析功能,可对加工后的包含残余应力的工件进行进一步的结构分析,模拟加工产品在后续的运行过程中的性能,有助于改进产品加工工艺。此外,作为体成型分析的专用软件,.为满足特殊用户的二次开发需求,提供了友好的用户开发环境。锻造成型、热处理工艺模拟软件年,美国实验室在美国空军基金的资助下开发了有限元计算成形程序。该程序为刚塑性及刚粘塑性有限元法通用程序,采用高阶单元,模具及边界条件的人工描述,自动产生初始速度场,并附有绘图程序来自动显示中间变形过程的图形,能处理常应力摩擦和摩擦。武汉理工大学硕士学位论文..软件介绍本文采用该软件作为主要的研究工具主要基于以下两个方面的考虑:一方面,一软件是基于刚塑性有限元法开发的,国际上一致认为其是研究冷锻、热锻成形方而比较成熟的专业有限元软件。并且软件自带的算法较多,运算结果较容易收敛,还提供相应接口以便于用户根据研究的具体需求作二次开发。另一方面,一软件功能强大,它是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析,尤其适用于热成形、冷成形、温成形,能够提供极有价值的工艺分析数据。如:材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展