【毕业论文】毕业论文锥齿环精锻成形工艺

【关键字】毕业论文第1章绪论1.1研究来源本课题所研究的对象是锥齿环精锻成形工艺。来源于东风汽车公司变速箱有限公司的轻型车变速箱中的二档同步器锥齿环精锻的要求。目标是采用精锻成形工艺精锻出该锥齿环的齿形，取代目前的普通开式模锻制坯和齿形的部分或全部切削加工工艺，提高零件的综合性能，节材节能，节省机电加工费用，降低成本。21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。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，还能预测工件微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，使他们能通过研究虚拟的塑性成形过程来检验工件的最终形状、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,根据金属微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。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工艺参数的状况，极大地降低了生产成本、提高产品质量、缩短产品交货期。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。这样可以大大节省制造试验软模的昂贵费用和试验周期，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。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。近年来，随着计算机技术的飞速发展，精锻技术也取得了巨大的进步。本文中先利用模具Pro/E技术对锥齿环进行三维实体建模，并进行翻模、修改模具，然后应用精锻理论、数值模拟仿真技术等对锥齿环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，将精锻理论，数值模拟仿真技术及模具CAD/CAM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，21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。为了提高锥齿环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国内外研究现状和预测1.2.1国内外研究现状精密成形技术是第二次世界大战以后，随着现代化大规模生产而发展起来的一种少无切削的新工艺。精密成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工（近净成形技术或净成形技术），就可用作机械构件的成形技术。全国的地方锻造厂、乡镇企业迅猛发展，出现了一些采用精密成形技术，生产附加值高的精密锻件的锻造厂。这些厂设备先进，大多引进关键设备和技术，并拥有先进的模具制造设备。但是，精密成形技术在我国的应用范围、所达到的精度等级，在汽车(尤其是轻、轿)锻件中所占比例，工艺、设备及其配套技术方面，与汽车工业发达国家相比有很大差距。在轿车、轻型车的高精度锻件方面，生产工艺、装备及所产锻件能达到轿车、轻型车要求的，为数不多。轿车国产化，都面临着轿车高精度锻件的精化攻关。国外汽车工业发达国家，采用精密成形技术生产的汽车锻件占有很大的比重，水平最高，研究开发出节能节材、精化锻件、减少和代替切削加工的许多专用技术、设备、模具装置、模具制造技术等等，包括许多专用成套技术和专利技术。近年来,锥齿环的制造技术在国外的发展,主要表现在两个方面：采用新型材料,采取新型成型工艺设备，但由于材料成本较高，成形工艺复杂，因此所生产零件的成本相对较高。1.2.2新领域的发展从七十年代初划开始，计算机在体积成形中的应用日益增加。迄今为止，其应用还局限于少数制件的CAD/CAM/CAE系统。诸如美国伯特尔-哥伦布实验室在这方面做了大量的工作，推出了锥齿轮精锻模CAD/CAE系统、叶片类模锻CAD/CAM/CAE系统、铝制件模CAD/CAM/CAE系统；英国伯明翰大学研究的CIRCON系统对轴类件锻模的CAD/CAM/CAE进行了一定的研究。美国的Saginaw已经成熟的将计算机集成化生产(CIMS)应用于圆锥齿轮精锻模具的设计、分析和制造中。其过程为：第一步，构造出要成形的齿轮的三维计算机模型；第二步，用“ALPID”塑性有限元分析样序来模拟锻造过程，并决定所需要的模具齿形和I电极齿形的修征量；第三步，采用电火化机床(EDM)用电极加工出锻模。我国的体积成形模具CAD/CAM研究工作开始于七十年代末。不少高校、研究单位先后开展了这方面的研究，在理论、方法和系统研制等方面取得了一些成果。立如：南昌大学的江雄心利用上限元法建立直齿圆柱齿轮精锻过程的数学模型，利用该模型对直齿轮精锻过程进行了模拟，分析了金属流动规律，为优化模具结构、合理选择模具尺寸等工艺参数提供依据。只有通过计算机模拟体积成形过程的金属流动，才能更大地获得体积成形模具CAD/CAE/CAM的优越性。因为这时模锻工艺试验可在计算机上进行，实际的实验次数可大大降低，乃至完全取消。由于体积成形过程中塑形变形非常复杂，目前，模拟体积成形过程的计算机程序只能应用于平面应变和轴对称两种简单情形，对于复杂的变形体，会属流动模拟只能在选定的部分进行。所以，要提高体积成形的CAD/CAM/CAE的应用水平有赖于理论水平的提高。CAM技术是近十年发展起来的一种高新技术，CAM技术一般应包括数控加工、工艺过程设计、成组技术、机器人以及质量控制等。目前，国外CAM技术的工业应用很广，主要应用于数控加工方面；国内开展这方面的研究起步较晚，但发展很快，这与CAM技术的实用性是分不开的。CAM在模具中的应用主要用于复杂型腔、高精度模具及电极的加工问题，在国内主要应用于橡塑模的制造中，研究和应用于精锻模制造的单位较少。1.3论文概述1.3.1研究内容运用Pro/E和Deform软件，对毛坯进行精锻加工数值模拟仿真研究。首先，利用Pro/E软件设计出相应的锻造模具。然后，运用Deform软件对毛坯进行精锻加工成形分析，找出引起不良加工效果的模具参数。对模具参数进行修正，优化处理。最后，设计出能够达到实际需要求的锥齿环精锻模具。1.3.2研究目的和意义锥齿环作为汽车变速箱中换挡操作的关键零件之一，在汽车行业中应用量相当大。传统的齿切削加工技术存在着金属纤维被切断而降低了齿形强度，材料利用率较低，能源和工时消耗较大等不足。因此国内外曾对轧制，精锻，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，齿类零件精锻技术日益受到了国内外的高度重视，德国、美国、日本等发达国家在这方面的研究已取得相当成功。他们已成功精锻出齿环、齿轮、齿轮轴、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。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，与发达国家一争高低，必须紧追国际先进水平，不断提高汽车产品质量，作为重要传动零件---锥齿环的加工在很大程度上影响了汽车的汽车换档的平稳性。因而，齿轮精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一个重要突破口，带动和促进相关设备及辅助装置的发展和技术创新。锥齿环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。一般来说，精锻可使轮齿强度提高20%以上，抗冲击强度提高约15%，抗弯曲疲劳强度提高约20%，齿轮的使用寿命延长1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1倍以上，材料利用率提高40%左右，批量生产成本降低30%以上。因此大大提高了齿轮的市场竞争能力。1.3.3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DEFORM来全面分析锥齿环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，研究和设计汽车锥齿环精锻成形工艺、具良好互换性的热锻模具。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。1.4精锻技术展望精密锻造是近期发展起来的新技术，是塑性成形技术的一个主要发展方向。下一世纪精密塑性成形技术将会迅速发展，加工范围也会不断扩大。近来该领域涌现一些新技术动向，如：FCF(Flowingcontrolform)成形技术；通过专家知识系统的知识库工程，对各种加工工艺进行工程设计，它是一种人工智能技术；塑性成形设备及其与工艺、模具的一体化；NDT&E(NondestructiveTestingandEvaluation)技术的应用，即无损检测与评价技术。第2章金属塑性成形过程的分析方法2.1概述金属塑性成形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。在金属成形过程中，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，摩揩规律也难以准确描述。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。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。2.2金属塑性成形过程的有限元仿真技术2.2.1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，21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CAD/CAM/CAE技术的重要核心技术之一。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。它将金属塑性成形工艺学、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90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CAD/CAM/CAE技术在各类工程问题的应用中得到了巨大的成功。其中，模具CAD/CAM/CAE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（SimulationofMetalFormingProcess）的新途径。所谓成形过程仿真就是：在计算机上对金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、各种因素对金属变形的影响以及成形过程中变形体和模具的各种力学场的分布。目前成形过程仿真已成为虚拟现实制造（VirtualManufacturing）技术的核心技术之一，也是实现新产品开发短周期、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。就金属塑性成形而言，有限元法大致可分为两类：一类是固体型塑性有限元法（SolidFormulation），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Marcal和King于1967年提出的。它同时考虑弹性变形与塑性变形，弹性区采用Hook定律，塑性区采用Prandtl-Reuss方程和Mises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已进入屈服，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屈服，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间较长，效率较低。另一类是流动型塑性有限元（FolwFormulation），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Levy-Mises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。2.2.2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70年代初期，Lee和Kobayashi等人使用拉格朗日未定乘子法所用的变分原理处理体积不可压缩条件，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，从而避开了几何非线性问题。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DEFORM）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，在变形量很小的场合，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。对速率敏感性材料的塑性加工，须采用粘塑性模型分析，刚粘塑性有限元法仅是刚塑性有限元法的扩展，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。金属成形过程中，材料塑性变形的物理过程甚为复杂。为便于数学上的处理和简化计算，需要对材料性能和变形过程作出一些必要的假设。用刚粘塑性有限元法分析大变形塑性问题时的基本假设有：①忽略材料的弹性变形，即：②材料的体积不可压缩；③忽略成形过程中的Bauschinger效应；④材料具有均质各向同性；⑤不计体积力（重力和惯性力等）的影响。刚（粘）塑性有限元数值模拟系统的程序流程如图2.1所示：图2.1有限元模拟系统程序简图2.2.3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：一、工件发生了大的塑性变形，并且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、正精锻、反精锻、复合精锻、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响。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，预测成形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过程。在三维体积成形问题的有限元模拟技术方面，随着计算机运算速度的大幅度提高和存储量的大大增加，三维刚（粘）塑性有限元法逐渐在复杂体积成形过程的分析与仿真中显示出了优势。尤其是三维网格再划分技术的日益成熟，使三维刚（粘）塑性有限元仿真技术以在锻造、精锻、旋压等方面得到了成功的应用。目前，具有代表性的大型体积成形仿真系统有美国的DEFORM和AOTU-FORGE、法国的FORGEⅢ。第3章有限元理论与DEFORM建模3.1有限元模拟理论数值模拟方法的基本特点是将微分方程边值问题的求解域进行离散化，将原来求得在求解域内处处满足场方程、在边界上处处满足边界条件的解析解的要求降低为求得在给定的离散点(节点)上满足由场方程和边界条件所导出的一组代数方程的数值解。这样，就使一个连续的、无限自由度问题变成离散的、有限自由度问题。已经发展的数值模拟方法可以分为两大类：有限元法与有限差分法。有限元方法是用于求解工程中各类问题的数值方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的或非线性的问题以及热传导、流体流动和电磁学中的问题都可以用有限元方法进行分析解决。有限元法的特点是将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在节点处相互连接的单元的集合体，在每个单元内用一个满足一定要求的插值函数描述基本未知量在其中的分布。随着单元尺寸的缩小，近似的数值解将会越来越逼近精确解。有限元法适应任意复杂的和变动的边界。根据齿轮成形过程的特点，有限元法适于作为齿轮成形过程数值模拟的方法。有限元分析的基本步骤如下：(1)建立求解域并将之离散化成有限元，即将问题分解成节点和单元。(2)假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数。(3)对单元建立方程。(4)将单元组合成总体的问题，构造总体刚度矩阵。(5)应用边界条件、初值条件和负荷。(6)求解线性或非线性的微分方程组，以得到节点的值。(7)得到其他重要信息，如应力、应变分布情况。3.2DEFORM工作流程DEFORM冷挤压工作流程如下：预处理设定模拟控制参数(英制/国际单位制)、为每个对象定义对象数据资料、定义预处理设置(模拟控制、接触)、生成数据库：a)创建新作业；新建作业，进入前处理模块，定义作业名称。b)设定模拟控制参数模拟控制中的选项管理着模拟分析的数字化方式。主选项(main)详细设置了模拟的名称、单位体系、几何类型等。停止和步进控制选项则用来指定每步的时间、总共多少步以及停止模拟的条件标准。操作条件像环境温度、导热系数在操作条件中设定。c)输入对象数据对象数据选单用来导入和定义工件、模具的几何特征，将工件网格化，定义材质，设定边界条件，定义对象的移动，定义初始条件等。d)设置材料性能为了得到高精确度的模拟结果，需要详细的定义材料的各项特性。在材料数据中需要设置的材料的特性包括：弹性、塑性、传热、扩散、硬度估算、断裂等。e)模型定位导入的对象几何体不一定会在希望的位置上，因此必须通过调节。可以用软件提供的鼠标定位、偏移、旋转等方法，也可以在模具建模的时候，预先设置好各零部件的位置。f)对象间界面定位主要是设置接触面之间的摩擦系数。根据毛坯的热处理情况及皂化、磷化处理情况设定工件与模具之间的摩擦系数。曲生成作业的数据库(2)执行模拟软件根据预处理的设定进行模拟分析计算。(3)后置处理后处理器根据用户要求输出所需的模拟信息，用于进行工艺分析。位、偏移、旋转等方法也可以在模具建模的时候，预先设置好各零部件的位置。3.3有限元分析模型在DEFORM中的建立3.3.1初步建模将在PRO/ENGINEER中建立的模具三维模型保存为STL文件，导入至DEFORM-3D中，建立挤压成形模拟模型。为简化计算过程，忽略压杆与顶杆及模具的变形量，假设它们均为刚体。3.3.2有限元网格畸变与网格的重划分金属塑性成形属于大变形问题，原始坯料与成形工件在尺寸和形状上有很大不同。随着增量的加载，工件形状不断变化，网格单元形状也随之变化。当加载到一定程度时，网格单元会产生严重变形，甚至发生畸变。若把这种已经畸变的网格形状作为增量分析的参考状态，将导致计算精度大大降低，甚至不能收敛：另外，在变形过程中，变形工件与模具型腔表面有很大的相对运动，使得工件的某些边界网格与模具发生边界干涉，此时网格边界所描述的工件外形与模具型腔形状相差很大，将会使模拟结果产生误差。为了解决上述问题，就需要对网格进行重新划分，以新网格为基础，进行计算。DEFORM-3D提供的可以自动生成的四面体单元，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。DEFORM-3D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。3.4小结本章首先对有限元理论进行了简要概述，介绍了有限元分析的基本步骤。主要阐述了本文采用的刚塑性有限元法的原理及一般分析模拟步骤。介绍了DEFORM软件应用于本文的冷挤压工作流程。最后在DEFORM软件中进行建模，确定了数值模拟工艺参数，并讨论了有限元网格畸变与网格点重划分问题。第4章零件成形工艺及模具确定4.1零件工艺性分析4.1.1锥齿环的三维实体模型图4.1同步器齿环的三维实体模型4.1.2零件工作特性同步器齿环是汽车的变速箱的重要零件，在机械传动中占有重要的地位，其在工作时，受各种冲击载荷的作用，热负荷较高。还受到接触应力，脉冲应力和摩擦力的作用，齿环表面很容易发生应力腐蚀，表面强度下降，精度降低等问题。为保证其运动的准确性，传动的平稳性，以及载荷分布的均匀性，使汽车换档时平稳、灵活、可靠，齿环应该具有良好的耐磨性和较高的表面精度，从而来实现齿环的正常工作。4.2工艺方案制定锥齿环原工艺为:扩环→车坯→中频加热→墩坯→1050℃预锻→终锻→整形→等温正火→喷丸处理→机加→压淬→喷沙处理→机加（键槽）→喷钼。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、高效的热精锻工艺。新工艺流程为：扩环→车坯→中频加热→墩坯→950℃热精锻→温精整→等温正火→喷丸处理→机加→压淬（渗碳）→喷沙处理→机加（内锥螺纹）→喷钼。该工艺与原工艺相比，同步器齿环用精锻的方法生产后，除中间螺纹部分及两端面需机加工外，其余部分均在锻造时成形。精锻件的尺寸精度波动不大，工艺生产稳定，产品精度高。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。4.3模具设计精锻模具设计是否合理、制造质量的好坏，是决定模具使用寿命、金属成形性能以及产品质量好坏的主要条件之一。在模具结构设计合理的基础上，齿形模具的设计和制造水平是决定能否精锻出合格的齿类零件的最重要环节。精密模锻模具精度要求高，模具工作表面粗糙度低。齿形模具通常是由电极加工出来的，其精度要靠电极制造的精度来保证。齿形部分的处理是精锻齿轮类零件制造技术的难点、关键。4.3.1闭式挤压模具结构的确定通过前面对齿轮成形方式的讨论，我们知道必须保持一封闭的型腔才能够保证在挤压阶段时坯料金属朝齿腔部分顺利流动，否则金属过早流失，将导致锻件充不满等缺陷。因此采用闭式模锻有利于齿腔的充满。从理论上讲，要完全在封闭的型腔镦、挤金属使其充满型腔是不可能的。因为此时需要无限大的挤镦力，再加上下料的不确定性和一般压力机有确定的行程等因素的限制，导致闭式锻造可操作性极差。为此，通常闭式锻模需要设置分流器来解决这一问题，即设置工艺补偿空间，像开式模锻一样，当模膛充满后多余金属被挤入分流器，但比开始模锻时飞边金属损耗小。设置分流器后，使闭式模锻的适用范围大为扩展。分流器的设置原则：(1)分流器的位置应选择在模膛最后充满的位置，避免金属过早流入分流器；(2)多余金属挤入分流器时不应伴随变形阻力的提高，以免增加总的模锻力和加快模膛的磨损；(3)侧向分流器应设置与锻件最大横向投影面积对应的模膛(沿分摸面)周围，便于切掉小飞边。根据这一原则，设计的模具使金属完全封闭在型腔中，在轮毂部分设有背压装置，坯料多余金属可以流向轮毂部分。一定的背压力可以阻止过多的金属流入轮毂腔。同时背压装置还可以作为顶件装置。因为多余金属形成轮毂后，经车削便可很容易去除。4.3.2组合凹模优化设计凹模的预应力问题是一项比较重要的技术。如果这个问题解决不好，就往往在生产中发生凹模齿根处纵向开裂等现象。预应力组合凹模的主要优点是在同样凹模外形尺寸的条件下，它的强度要比整体式单层凹模的大得多。这里根据拉美公式、热应力计算公式和剪切强度理论，考虑温度分布对模具结构和应力分布的影响，建立温度分布为T=T(R)的热态下的优化模型和强度校核模型。应用MATLAB优化软件求解组合凹模的各层直径，然后计算出的允许最大内压力及配合直径的过盈量使组合凹模处于晟佳工作状态；最后，进行模具的应力计算和强度校核，检验模具是否处于安全工作状态。设计中应考虑的修正项如下：(1)应力集中当凹模内腔断面复杂时，其转角处会产生应力集中。考虑应力集中因素后，应将Pmax作为在凹模壁上作用的设计内压力：其值为Pmax=S·P式中P---凹模侧壁的平均径向内压力；S---安全系数，一般取1.1~1.5。(2)凹模温度上升的修正若为冷锻，则不需要这一修正项。若为热锻，则由于在锻造时热锻件的热量传递给凹模镶块，导致凹模内壁比外圈温度高，形成温度梯度场。由于凹模镶块与预应力圈的平均温度差，热膨胀程度也存在差别，因而过盈量比初选的最佳设计值大，所以需要修正。设模具镶块与预应力圈的平均温度差△T，凹模镶块的外径为d2，热膨胀系数为α，则过盈量的修正值Δδ为Δδ=α•d2•ΔT(3)过盈量的公差配合直径d2、d3处的公差直接影响对凹模镶块的预压应力，即影响组合凹模的强度，因此应尽可能提高其精度。加工误差分为各层的内外径误差与形状误差(锥度等)。内外径的公差应为最佳的过盈量δ的计算值的±5％。而形状公差应取内外径公差的30---50％以下。组合凹模的强度计算设计计算出的模具结构尺寸和过盈量是否正确，可用强度理论核算进行验证。能满足原设计的计算条件是正确的，否则计算就有问题。组合凹模强度校核的基本方法是把组合凹模划分成若干个厚壁圆筒．利用拉美公式计算出工作状态下组合凹模每层内壁和外壁的切向应力和径向应力，还应考虑到修正项，再利用第三强度理论即最大剪应力理论(也可用能量理论，但不如最大剪应力理论安全)对每一层进行强度校核计算，即∑﹙σr－σγ﹚≦[σ]其中[σ]为模具材料的许用虑力。如满足该不等式，则组合凹模处于安全工作状态；如不满足，则需对组合凹模重新设计。设计结果如下：设工作内压P1=1000MPa，d1=354.4mm，σ1=1400MPa，σ2=1300Mpa；采用二层预应力组合凹模，外径固定(受模架限制)d3=720mm，波松比为0.3。在优化软件MATLAB环境下将目标函数与约束条件按规定格式编成程序。由于此时外径固定，还要给出另一约束条件，即d3-720=0。运行结果为：D2=630.40772mm则可计算出：δ发=0.39985mm；Pmax=1083.86873MPa；检验计算表明各层未屈服。第5章模拟分析本文所设计的汽车同步器齿环原工艺是在1050°C预锻，970°C精锻和冷精整形。该工艺需要在630t的摩擦式压力机上进行，由于工艺及模具设计方面存在一定的不合理性，所以存在如齿顶部分充不满，预锻件飞边较大，及在精锻过程中产生锻件内孔出现折迭等缺陷。本文在数值模拟的基础上，设计优化后的模具结构。采用刚粘塑性有限元法（FEM），利用先进成熟的美国SFTC公司的DEFORM三维模拟软件，对锥齿环成形工艺的锻压过程进行计算机数值模拟仿真，为毛坯成形工艺优化、模具修改提供理论依据，并根据数值分析结果优化整个成形工艺，实现零件毛坯精化。通过模拟原成形工艺，从中发现出存在的一些问题，并以此为依据进行工艺及模具的优化，提出更加合理的工艺方案后再次进行数值模拟仿真，分析改进后的工艺及模具的可行性。5.1三维速度奇异点的处理在体积成形三维模拟分析时，接触模具的那些节点（简称触模节点）的法向速度分量必须与模具在该点的法向速度分量保持一致，如模具和工件的接触面存在尖角、棱边或微间隙，此时无法确定该处的模具外法线方向，故工件的触模节点在该处的速度不是唯一的，这将导致DEFORM3D分析无法继续进行，这种尖角、棱边或微间隙处的触摸节点称为速度奇异点。对这些奇异点的处理，常采用的方法是：将模具三维模型的尖角或棱边处倒一极小的圆角，使模具在该处能光滑过渡；由于凸凹模具之间存在着间隙，在三维模拟过程中，金属将被挤入该间隙中，形成纵向毛刺，从而产生速度奇异点。对此，在进行三维建模时，有意将凸凹模之间的间隙设定为零或将凸模尺寸设为大于凹模尺寸0.1mm，从而有效地解决了速度奇变的问题，减少不必要的网格重划分，提高运算效率。首先按照原设计工艺对预锻及精锻进行数值模拟,由于冷精整所需的变形力相对比较小,所以可以不进行精整的模拟。5.2模具设计在模具设计中，齿模的设计是关键。模具齿形与冷态锻件之间的相互关系是模具齿形设计的基本依据。图5.1模具拆模示意图此模具的工作原理如下：①利用圆环坯料的外径在凹模模膛内定位，定位迅速准确。②锻压时，将毛坯放入型腔，凸模随滑块压下，将材料往下挤和往横向精锻，填满齿形。在成形过程中，随着凸模的继续下移，齿形部分和凸台部分逐渐被成形出来。滑块上升后，由下顶出器将锻件推出凹模。锥齿环的凸台及齿形部分是在凹模型腔中成形的，在成形锥齿环的过程中，随凸模的压下，向下压坯料，凸台部分直接由坯料成形出来，在凸模往径向精锻坯料时，齿形部分才开始成形。5.3数值模拟分析5.3.1第一次模拟分析：①模型简化及模拟初始条件设置：a.变形材料：45钢b.原始坯料尺寸：外径Φ512mm，内径Φ354mm，高450mm，圆角R=3mm；c.变形温度：1050℃；d.压机速度：200mm/s；e.摩擦条件：剪切摩擦，摩擦因子m=0.25；f.模拟步长：0.2mm/次；初始的坯料网格如图5.2所示：图5.2坯料网格图Ⅰ②锻压工艺模拟结果：图5.3坯料的应力变化Ⅰ图5.4坯料的应变变化Ⅰ图5.5锻压结束后坯料的网格图Ⅰ图5.6行程—载荷曲线Ⅰ图5.7锻压结束时模具及坯料的状态由图5.4可以看出齿顶部分的应变分布并不是均匀的而是离凸台越近的齿其齿顶部分的应变越小，远离凸台的齿形其齿顶部分应变越大。由图5.3看出坯料整体所受应力比较均匀。这主要是因为靠近凸台处的材料流动比较容易，越远离凸台材料越难流动，因为材料流动的不均匀造成其应变的分布不均匀。图5.8锻压结束后齿顶的填充情况5.3.2原工艺模拟的结论：通过DEFORM3D模拟得出以下结论：①图5.4可以看出远离凸台的齿顶部分变形应变是最大的，材料在齿形处径向流动困难，造成齿形充型不满（如图5.8所示）。②坯料偏大造成锻件飞边较大。5.3.3可能的改进与优化途径：提高材料的径向流动能力，可以通过优化坯料，坯料高度由450mm改为400mm，增大模具圆角，将模具圆角R改为6mm，优化凸模圆角过渡，减小应力来实现。5.3.4改进后的工艺数值模拟结果及分析：根据前期模拟结果中出现的飞边大，坯料尺寸不合理等现象对坯料的尺寸进行了优化。①模型简化及模拟初始条件设置：a.变形温度：1050℃；b.压机速度：200mm/S；c.坯料尺寸：外径Φ512mm,内径Φ354mm，高400mm，圆角R=6mm；d.摩擦条件：剪切摩擦因子取m=0.25；e.模拟步长：0.2mm/次；②工艺改进后的模拟结果：图5.9改进后的坯料应力变化Ⅱ图5.9改进后的坯料应变变化Ⅱ图5.10改进后的行程--载荷曲线Ⅱ图5.11改进后锻压坯料网格图Ⅱ图5.12改进后齿形部分的填充情况由图5.11和图5.12可以看出，改进后坯料的充填性大大提高，齿顶部分比较饱满且锻件飞边适当。第6章结果与讨论6.1模拟过程中的变形为了直观的反应坯料变形过程中应变变化情况，在坯料上选取三个点：P1:x=-93.039y=220.215z=-70.916P2:x=-24.542y=220.385z=-90.792P3:x=13.779y=244.123z=-74.930以下是坯料上选定三点的应力、应变、速度虽锻压过程的变化情况：图6.1应变-时间分布图图6.2速度分布图图6.3坯料变形各阶段应力变化6.2锻模模具结构本设计完成的模具装配图如图6.4所示，图6.4锻模模具结构图1--下模座2--顶出器3--凹模垫板4--凹模固定板5--凹模6--预应力圈7--螺钉8--导柱9--凸模10--上模座11--凸模垫板12--螺钉13--凸模固定板14--导套15--芯轴锥齿环的锻模具结构如上图，凹模5与预应力圈6过盈配合为一体，利用凹模的直口在凹模固定板4上定位，通过螺钉紧固。凸模9是通过凸模固定12在上模座上定位并用螺钉紧固。芯轴15不仅保证了齿环的内壁尺度，而且在锻压过程中约束坯料流动方向，起到了导向作用。以下简要介绍模具设计中主要部分的设计：①导向装置摩擦压力机自身导向精度不能满足精锻的要求，设计采用导柱、导套型式的导向装置。根据压力机的特点，选用中间滑动导柱。根据压力机的最小闭合高度，设计导柱、导套。②顶料机构锥齿环完全在凹模内成形，成形结束后，锻件留在凹模模膛内，因此需设计下顶出机构。锥齿环的顶出装置在设计时遇到了一些问题。锥齿环不宜采用弹性卸料，顶杆在最高位置时会影响坯料在模膛中的定位。因锥齿环成形后，在齿端面及内圈都有飞边产生，可从飞边将锻件顶出，将顶出器的位置设在中间。成形结束后，由压力机上的下顶出机构推动顶出器，将锻件顶出凹模模膛。该锻模模架结构比较简单，凸凹模的定位容易，直接用直口定位，不需再用定位销来定位。模具的装配和拆卸的比较方便。模架具有通用性，精整时，只需更换凸凹模即可。结论锥齿环是机械结构中的重要传动部件，尺寸精度、表面质量及其综合机械性能要求高，由于精密成型技术有其优质、高效率、低成本、适合大批量生产等优点，能够很好的满足使用要求，成为当今复杂齿形零件发展的主流技术。本文主要探讨了锥齿环精密锻造的可行性，通过数值模拟技术对工艺参数进行了优化。①过模拟对工艺参数进行改进，主要为坯料尺寸的优化，将坯料高度由450mm改为400mm后，毛坯毛边明显减小，解决了原工艺中出现的坯料尺寸不合理现象。优化凸模圆角过渡后，解决了锻件齿顶部分充不满，内壁产生迭等缺陷。并且在精锻载荷、应力-应变分布、节点速度分布等方面也较为理想。②另外模拟发现，在变形结束时，齿顶及凸台部分的应变比较大，这样对齿顶部分的模具强韧性要求较高，对整个模具的寿命都有较大的影响。③坯料整体所受应力较大，因此成型过程对模具要求较高，可以通过使用更好的模具材料或者改进模具制造工艺如进行表面处理等方式来提高模具的寿命，但这样必将增加成本。④本文对齿环精密成形的理论方面做了一定的研究，但对于实验部分，还要进一步验证。⑤另外对于齿类零件来说，精控制非常重要特别是齿的精度控制尤其重要，通过模拟我们也可以发现成型过程中，凸台周围的齿形的应力分布是不均匀的，这样势必造成齿形的成型情况有细微的差别。而对于精度要求较高的零件来说可能会造成精度超差。在本文中我们并没有对这些问题深入讨论，但在实际的生产中却经常会遇到类似的问题。致谢本论文是在老师赵军博士的悉心指导和亲切关怀下完成的，论文的选题、实验方案的确定、实验数据的处理和论文的写作无不凝聚着老师的心血。在四年的大学生学习生活中，老师严谨的治学态度、创新的工作精神、渊博的学术知识、敏锐的洞察力以及忘我工作的敬业精神和谦和的待人方式已深深的铭记在我的心中，是我学习的楷模，将永远激励我奋发向上。在此，谨致以我衷心的感谢和崇高的敬意，谢谢赵老师在多方面对我的培养和在生活中对我的关心、照顾。在论文工作期间，有幸先后得到了材料系专业老师们的精心指导和亲切关怀。在此，表示深深的谢意!同时要感谢其他同学的大力支持和帮助。在此，谨向所有给予我关心、帮助和指导的老师和同学们致以诚挚的谢意!感谢北华航天工业学院基金资助（KY-2010-02-B）!参考文献[1]藤川真一郎.3次元锻造シミュレ-ション课题与展望.塑性と加工.1999[2]S.Kobayashi,,MetalFormingandtheFiniteElementMethod,NYork,OxfordUniversityPress,1989No.5[3]彭颖红.金属塑性成形仿真技术.上海：上海交通大学出版社.1999.P3-4,71[4]夏巨谌，丁永祥，胡国安.闭式模锻.北京：机械工业出版社.1993.P1[5]金炫琪,山中雅仁.ァメリカにぉける锻造分野でのシミュレ-ション技术とその利用状塑性と加工.1999,No.5[6]张文芹.滚碾法生产汽车用同步器齿环.上海有色金属.2005.3[7]夏巨谌，闭式模锻分流器的设计，锻压技术，1989，N01[8]谢谈，锥齿轮精锻分析的新工艺，锻压技术，1992，N04[9]夏巨谌，冷挤压组合凹模的有限元计算，锻压技术，1983，N05[10]王学文，挤压组合凹模的设计，国防工业