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                    齒輪冷擠壓成形分析和模具設計

                    添加時間:2018/10/24 來源:上海工程技術大學 作者:張猛
                    本文利用有限元軟件針對冷擠壓過程中直齒圓柱齒輪關鍵參數模數,齒數,過渡圓角半徑等對直齒圓柱齒輪冷擠壓過程的影響分別進行了數值分析,同時對有限元網格以及對稱面等對數值分析結果的精度和運算時間的影響進行了論證。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      我國“十一五”規劃綱要提出,“十一五”期間單位國內生產總值能耗降低20%左右、主要污染物排放總量減少 10%。傳統的直齒圓柱齒輪生產方式以切削加工和鍛造加工為主,切削加工材料利用率低,鍛造為高耗能加工方式,同時加工精度低。冷擠壓加工可實現少無切削加工和常溫加工,是實現工業節能減排的有效途徑。因此,提高直齒圓柱齒輪零件冷擠壓工藝水平和成形質量,優化模具結構設計都十分必要。

                      本文論述了有限元計算方法的原理和過程,對目前三種主要直齒圓柱齒輪的冷擠壓加工方法分別進行了數值模擬分析,得到各種方法的利弊。理論分析了直齒圓柱齒輪冷擠壓變形程度與直齒圓柱齒輪幾何參數之間的關系,以此為基礎分析了徑向直齒圓柱齒輪冷擠壓和正擠壓直齒圓柱齒輪中,齒輪的模數、齒數、過渡圓角半徑等參數對冷擠壓的影響,并分析了毛坯網格數目、毛坯對稱面等參數對模擬精度的影響。

                      針對參數分析結果提出齒輪冷擠壓復合工藝。通過優化模具結構,可以生產出大模數和大齒數的直齒圓柱齒輪,同時可以在一副模具上完成直齒圓柱齒輪復合冷擠壓工藝。數值分析結果顯示,與徑向冷擠壓齒輪相比,復合工藝可以使成形載荷降低 70%—80%,直齒圓柱齒輪零件的充填結果得到根本性改善。

                      影響直齒圓柱齒輪冷擠壓件尺寸變化的主要因素為:模具的彈性變形和零件卸載后的彈性回復。結合直齒圓柱齒輪零件設計冷擠壓模具,計算出直齒圓柱齒輪冷擠壓模具的尺寸補償值,并驗證補償結果,生產出合格的直齒圓柱齒輪零件。

                      通過金相實驗和數值分析結果對比,論述了冷擠壓直齒圓柱齒輪晶粒大小和分布與應變關系,以及硬度的分布情況。

                      關鍵字:直齒圓柱齒輪,冷擠壓,數值模擬,優化設計,復合擠壓

                    ABSTRACT

                      China's Eleventh Five-Year Plan,which laid down that the unit GDP energy consumption must be reduced by 20%,with major pollutants emission reduced by 10%. Traditional manufactures of spur gears are cutting and forging,which are low efficiency,high energy consumption and low accuracy. Cold extrusion which makes it possible to be net-shaped and formed at room temperature is one meaningful way for energy-saving and emission reduction. Thus it’s very necessary to improve process design leves,forming qualities and optimize die structure designs of cold extrusion for spur gear parts.

                      The process and the principle of FEM were analyzed. Three main methods of cold extrusion for spur gear were simulated to get merits and demerits of each method. The relationship between deformation rates and gear geometry parameters were certificated theoretically. Influences of different numbers of modulus,teeth,gear radius in processes of spur gear cold extrusion were simulated on the basis of this theory,as well as influences of different elements shape,roughcast symmetries on the accuracy.

                      According to results of parameters analysis,the integrated process which including forward extrusion and shaping extrusion were put forward,and spur gears with bigger modulus and more teeth could design by optimizing die structures. Compared with traditional cold extrusion process,70%-80% load are reduced and the filling results are improved completely.

                      The main factors that affect gear geometry changes in size are the elastic deformation of dies and the elastic recovery of parts. Based on spur gear parts parameters in practice,calculate the compensation in design size of integrated extrusion die and verified to produce qualified spur gear parts. Comparison results of the metallographic experiment and the numerical analysis reflect relationships between grain size and strain and hardness distribution of spur gear by cold extrusion.

                      KEY WORDS: spur gear,cold extrusion,numerical simulation,optimization design,integrated extrusion

                      冷擠壓是一種少無切屑的壓力加工工藝,是凈成形和準凈成形中應用最廣泛的一種先進技術。它是將冷態的金屬毛坯放入模具型腔里,在強大的壓力和一定速度作用下,迫使金屬從模腔中擠出來,從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定力學性能的擠壓件。

                      我國冷擠壓工業取得了長足的進步,中國已經成為世界上最有前景的冷擠壓件市場。目前國內上規模的冷擠壓企業生產大概 30 家左右(包括標準件和零件生產企業),主要的冷擠壓生產企業包括:上海東芙冷鍛制造有限公司、江蘇森威精鍛有限公司、江蘇太平洋精密鍛造有限公司、江蘇飛船股份有限公司、天津豐田鍛造部件有限公司、上海海威冷擠壓有限公司、昆山禧瑪諾自行車零件有限公司等。其中上海東芙冷鍛制造有限公司,總占地 5.9 萬平方米,同時擁有日本小松 6300KN,臺灣精鍛 8000KN 等一系列鍛壓機床,成為上海地區以至長三角地區冷鍛行業的皎皎者[3]。

                      目前,國內許多高校和科研機構在冷擠壓工藝、設備、CAD/CAE 等領域也取得了很多成果。上海交通大學國家模具 CAD 研究中心(NERC)與江蘇森威精鍛有限公司成立了“冷鍛研究聯合實驗室”,在工藝數值分析、模具優化設計方面做了大量的工作。

                      哈爾濱工業大學研究 Mg-Al-Zn 合金在冷擠壓中的變化,結果表明 Mg-Al-Zn合金在冷擠壓過程中發生回復再結晶,從而導致大量的大角度的晶界,冷擠壓后與原始組織相比,在基本面處的強度降低,但由于 Mg-Al-Zn 合金冷擠壓后晶粒細化,所以通過拉伸實驗表明 Mg-Al-Zn 合金機械性能得到提高,材料的各向異性變得更加明顯。[4]

                      合肥工業大學在冷擠壓金屬流動方面作了大量的研究,以齒輪為例,采用浮動式凹模兩步成形成功擠壓出直齒圓柱齒輪,浮動式結構見圖 1-1。結果表明凹模浮動結構在改善齒輪充填情況和降低成形載荷方面效果明顯。[5]

                      南京航空航天大學依據 BP 神經系統預測出冷擠壓模具的壽命。以多種材料如 300M 高強度鋼、30CrMnSiA 等作為模具材料,以 LY12CZ 作為毛坯材料分別進行實驗和數值分析,分別得到模具的平均壽命,實驗和數值分析的結果表明兩者的模具壽命值的吻合度達到了 98%以上。[6]

                      重慶工學院采用開式冷擠壓模具對方形鍵槽的軸進行了實驗和數值分析,同時對毛坯直徑、入模角、鍵幾何尺寸等參數進行了模擬分析,結果表明采用了內部鑲塊結構增加了模具壽命。

                      持續不斷的工藝創新推動了冷擠壓技術的發展。從 80 年代以來,國內外冷擠壓專家開始將分流理論應用于直齒圓柱齒輪和螺旋齒輪的冷擠壓成形。另外,引入閉塞冷擠壓,即在封閉凹模內通過一個或兩個沖頭單向或對向擠壓金屬一次成形,獲得無飛邊的凈成形冷擠壓件。一些轎車冷擠壓零件,如行星和半軸齒輪、星形套、十字軸等,如果采用切削加工方法,不僅材料利用率很低(平均不到40%),而且耗費工時多,生產成本極高。國外采用閉塞冷擠壓技術生產這些凈成形鍛件,省去絕大部分切削加工,成本大幅度降低。

                      隨著計算機技術的飛速發展和 70 年代塑性有限元理論的發展,許多塑性成形過程中很難求解的問題可以用有限元方法求解。冷擠壓成形工藝領域,通過建模和合適的邊界條件的確定,有限元數值模擬技術可以很直觀地得到金屬流動過程的應力、應變、模具受力、模具失效情況及冷擠壓件可能出現的缺陷情況。這些重要信息的獲得對確定模具結構,模具的選材、熱處理及成形工藝的最終方案有著重要的指導意義。目前,有效的數值模擬軟件是以彈塑性、剛塑性等有限元法為基礎建立的,包括 DEFORM,QFORM,FORGE,MSC/SUPERFORM 等[8]。

                    正冷擠壓直齒圓柱齒輪的成形部分結構圖
                    正冷擠壓直齒圓柱齒輪的成形部分結構圖

                    最大主應力的分布
                    最大主應力的分布

                    零件表面載荷轉移到模具表面
                    零件表面載荷轉移到模具表面

                    模具和應力圈網格劃分后的結果
                    模具和應力圈網格劃分后的結果

                    凹模的等效應力分布圖
                    凹模的等效應力分布圖

                    應力圈的等效應力分布
                    應力圈的等效應力分布

                    測量各部分彈性偏移量選取的點
                    測量各部分彈性偏移量選取的點

                    齒頂上三點在 X 和 Z 方向 6s 內的彈性偏移曲線
                    齒頂上三點在 X 和 Z 方向 6s 內的彈性偏移曲線

                    目 錄

                      摘 要
                      ABSTRACT
                      第一章 緒 論
                        1.1 冷擠壓技術
                          1.1.1 國內冷擠壓生產和研究現狀
                          1.1.2 冷擠壓技術發展趨勢
                        1.2 直齒圓柱齒輪簡介
                          1.2.1 主要參數和傳動特點
                          1.2.2 直齒圓柱齒輪主要加工方法
                        1.3 直齒圓柱齒輪擠壓加工
                          1.3.1 直齒圓柱齒輪擠壓技術的發展
                          1.3.2 直齒圓柱齒輪擠壓工藝研究
                          1.3.3 直齒圓柱齒輪冷擠壓的理論研究
                          1.3.4 直齒圓柱齒輪精擠壓技術的發展趨勢
                        1.4 論文研究內容和意義
                      第二章 非線性有限元基礎理論
                        2.1 引言
                          2.1.1 材料非線性的本構關系
                          2.1.2 幾何非線性的應力張量
                        2.2 非線性方程組的解法
                        2.3 影響有限元計算精度的主要因素
                        2.4 DEFORM 簡介
                        2.5 本章小結
                      第三章 直齒圓柱齒輪冷擠壓成形過程數值分析
                        3.1 直齒圓柱齒輪冷擠壓方式
                        3.2 直齒圓柱齒輪冷擠壓方式的對比
                        3.3 直齒圓柱齒輪冷擠壓變形程度理論分析
                        3.4 直齒圓柱齒輪徑向冷擠壓模擬
                          3.4.1 材料屬性設定
                          3.4.2 數值分析過程設置
                        3.5 齒數對徑向冷擠壓直齒圓柱齒輪的影響
                          3.5.1 充填性能分析
                          3.5.2 載荷—行程曲線分析
                          3.5.3 主應力和等效應變分析
                        3.6 模數對徑向冷擠壓直齒圓柱齒輪的影響
                        3.7 過渡圓角半徑對徑向冷擠壓直齒圓柱齒輪的影響
                        3.8 DEFORM 中有限元網格和對稱面的影響
                        3.9 工藝改進
                        3.10 本章小結
                      第四章 直齒圓柱齒輪零件模具設計和實驗驗證
                        4.1 直齒圓柱齒輪冷擠壓零件的模具設計
                          4.1.1 模具結構設計
                          4.1.2 模具工作部分設計
                        4.2 實驗驗證
                          4.2.1 直齒圓柱齒輪冷擠壓實驗
                          4.2.2 直齒圓柱齒輪金相流線實驗
                        4.3 直齒圓柱齒輪冷擠壓實驗結果分析
                          4.3.1 實驗結果和數值分析結果對比
                          4.3.2 應變大小對晶粒的影響
                          4.3.3 硬度實驗分析
                        4.4 本章小結
                      第五章 直齒圓柱齒輪模具尺寸優化
                        5.1 尺寸精度影響分析
                        5.2 模具的彈性變形分析
                          5.2.1 彈性分析前的設置
                          5.2.2 模具彈性變形和回復結果分析
                          5.2.3 零件的彈性回復分析
                        5.3 補償輪廓曲線實驗驗證
                          5.3.1 補償輪廓曲線繪制
                          5.3.2 直齒圓柱齒輪輪廓影像測量實驗
                          5.3.3 影像測量結果分析
                        5.4 本章小結
                      第六章 結論與展望
                        6.1 結論
                        6.2 展望
                      參考文獻
                      攻讀碩士學位期間發表的學術論文及取得的相關科研成果
                      致 謝

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