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中北大学学位论文 圆柱齿轮镦挤成形的模拟研究 摘要 齿轮精密成形是一种齿轮少无切削加工的新工艺，它不仅可使齿轮加工的材料利用 率由目前的4 0 左右提高到7 0 以上，而且提高齿轮强度2 0 以上、生产效率4 0 左右。 传统的研究方法主要是通过常规的实验，但这样一方面成本比较大，耗时比较多，另一 方面，无法了解精锻过程各变形瞬间的变形流动规律。近年来，随着有限元模拟技术日 益的完善，通过数值模拟技术代替传统的实验有效的解决了上述两个困难。 本文所论述的齿轮镦挤成形工艺，是一种齿轮精密成形的方法，目前比较成功运用 镦挤成型圆柱齿轮的国家是日本，在我国该种工艺还是主要处于研究阶段。此种成形工 艺的一个最大问题就是成形力陡增的现象，以及齿部塌角的缺陷。本文简单论述了盏轮 镦挤成形工艺成形力陡增以及齿部塌角的缺陷的原因，讨论了相应的解决办法，并借助 先进的非线性数值模拟软件m s c s u p e r f o r m 对镦挤预断、孔分流、轴分流、约束孔 分流、约束轴分流的成形过程进行了模拟，分析了变形过程中一些有代表性的状态点的 速度云图、应力云图以及时间和成形力的关系图：最后以约束孔分流为例，分析了摩擦 因子对成形力的影响。 本文所得到的成形过程中一些瞬间点的状念云图能够对实际生产设计起到一定指 导意义。而在本文建立起来的齿轮镦挤模型的基础上，还可以具体应用到某一种成形方 法，分析一些主要的设计参数对金属成形过程的影响，从而可以给工艺的优化设计一定 的帮助。 关键词：圆柱齿轮，镦挤成形，有限元模拟 中北大学学位论文 s i m u i a t i o no f s u p e rg e a rw i t hu p s e t t i n g e x t r u d i n g t e c h n o i o g y a b s t r a c t t h en e t s h a p e f o r g i n gi s a na d v a n c e dt e c h n o l o g y i tm a yn o t o n l yl i f t m a t e r i a lu t i l i z a t i o nf r o m4 0 t o7 0 ，b u ta l s o1 i f tt h eg e a rs t r e n g t ho v e r2 0 a n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo v e r4 0 c o n v e n t io n a l e x p e r i m e n t a lm e t h o dc o s t g r e a t l ya n dc a n ts h o wt h ef l u x i o nr e g u l a t i o nd u r i n gt h ed e f o r m a t io n n o wa s t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t e c h n i q u ei n c r e a s i n g l yi m p r o v e d ，e n g i n e e rc a n c a r r y o nt h ed e e p e ra n a l y s isi nl o wc o s ta n dh i g h e f f i e i e n c y t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h eu p s e t - - e x t r u s i o n ，w h i c hjso n ek i n do ft h en e t s h a p e f o r g i n g i nj a p a n ，t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nu s e ds u c c e s s f u ll y ，b u ti nc h i n a ， t h i st e c h n o l o g yi sm a i n l yr e s e a r c h e di nl a bn o w t h el a r g e s tp r o b l e mi st h ep u n c h f o r c ei n c r e a s i n gs h a r p l ya tl a s ta n dm e t a lc a nn o tf i1 1 u pt h ed i ee n t i r e l y 1 nt h isp a p e r ，t h ea u t h o ra n a y s ist h er e a s o n s ，a n dt a l ka b o u tt h es e t t l e m e n t m e a n s t h e nw i t ht h ew e l ld e v e l o p e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e m s c s u p e r f o r m ， t h ea u t h o rs i m u l a t es o m ef o r m i n gp r o c e s s e s ，w h i c hi n c l u d eu p s e t e x t r u s i o n p r e f o r g i n g ，r e l i e fh o l e ，r e l i e fa x i s ，r e s t r a i n e dh o l ed i v i d e df l o w ， r e s t r a i n e da x i sd i v i d e df l o w t h e n 。a u t h o ra n a ly s i ss o m ev e l o c i t yc l o u dc h a r t s ， s t r e s sc 】o u dc h a r t s 。f o r c e t i m er e l a t i o n s h i pc h a r t s f i h a l l y ，t h ea u t h o r a n a l y s e s t h ee f f e c t st h a tt h ef r i c t i o nf a c t o ro nt h ep u n c hf o r c e t h ej m it a t i o nr e s u lt sm a yb eh e l p f u lt od e s i g n e r s o nt h eb a s eo fi j ) 1 i t a t i o n p a t t e r n ，d e s i g n e r sc a nc a r r yo nt h ed e e p e ra n a l y s i s t h e yc a no p t i m i z et ot h e m a i nd e s i g np a r a m e t e rb ym e a n so ft h ej m i t a t i o ni nt h ea c t u a lm a n u f a c t u r e 中北大学学位论文 k e y w o r d s ：s u p e rg e a r ，u p s e t - - e x t r u s i o n ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 本人声明 我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在 完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献列出。 篡竺科玉冉 作者签字：王科五科 中北大学学位论文 1 1 引言 1 绪论 材料，能源和信息是当代科学技术的三大支柱，材料成形与加工是现代材料科学 的组成要素之一。近年来，随着机械工业的飞速发展与国际竞争的激化，零部件及其设 计与生产过程的高精度，高性能，高效率，低成本，低能耗，省资源已成为提高产品竞 争力的唯一途径。常规切削加工技术和完全拘泥于传统的粗放形的塑性加工制坯己难以 满足要求，因此以生产尽量接近零件最终形状的产品，甚至是以完全提供成品零件为目 标应是塑性加工技术变革的必然趋势和发展方向。 精密塑性成形技术就是在传统塑性加工基础上发展而来的。是以净成形 ( n e t s h a p e ，即完全提供成品零件) 和近净成形( n e a r n e t s h a p e ，即生产尽量接近零件 最终形状的产品) 为目标的塑性成形技术。浚技术已成为提高产品性能与质量，提高市 场竞争力的关键技术与重要途径。这是因为精密塑性成形不但可以节材，节能，缩短产 品制造周期，降低生产成本，而且由于可以使金属流线沿零件轮廓合理分布，获得更好 的材料组织结构与性能，从而可以减轻零件的质量，提高产品的安全性，可靠性和使用 寿命。 齿轮精密成形是一种齿轮少无切削加工的新工艺，精密成形齿形的最终目的是制造 出完整齿形而齿面不需后续切削加工或仅留有少许精加工余量。现在，人们对直伞齿轮 精锻戍形理论及其工艺已较成熟，并在实际生产中褥到大量应用。而对直齿圆柱齿轮精 锻的研究处于实验室研究阶段，主要是经典理论分析( 包括滑移线法、主应力法、上限 法、有限元法等) 以及实验研究两个方面。经典理论分析是材料加工界的工程师和科学 家经过长期摸索，发明的近似处理的数值方法，这些方法在塑性发展史上起到过重要的 作用，但是随着塑性加工技术的迅速发展，这些近似方法的局限性表现的越来越明显。 首先，这些方法精度有限，不能适应精密塑性加工的需要，为了计算的方便，这些方法 都作了以现代的眼光看来过多的假设。这些假设从根本上限制了方法本身的计算精度。 其次，这些方法的适用范围有限，很难处理复杂零件的成形问题。第三，这些方法只 中北大学学位论文 能做力学分析，难以处理热力耦合问题，更难以处理塑性加工中的材料学问题。反复试 验法进行设计比理论分析方法更直接也更容易些，因此它是目前我国在齿轮精密成形研 究最主要的方法。但是常规实验方法无法了解精锻过程各变形瞬间的变形流动规律以及 各种工艺参数对锻件质量、模具寿命的影响，因而无法优化模具结构、优化坯料的形状 和尺寸。 进入9 0 年代以来，计算机技术和计算机工业飞速发展，超大的计算已经不再是难以 克服的圃难。用计算机模拟代替传统的试验，不仅可大量节约时间、经费。减少各种消 耗，而且还有助于对变形规律的研究。这使的用有限元法对塑性j 7 - 过程进行数值模拟 也取得了突飞猛进的发展。有限元法近年来发展最快的塑性成形分析方法之一，这种有 效的分析工具开始只在学术机构中流行。由于计算工具的迅速进步有限元法的实用性得 到大幅度提高，企业界也开始重视起这种方法，在国内，有限元法也已经在生产中发 挥重要作用。一些技术领先的大型企业如宝铜、一汽等都成立了计算机模拟中心m 。预 计在不久的将来，有限元法可能成为工业界的标准分析方法。 1 2 有限元模拟技术研究与应用现状 金属成形过程是一个非常复杂的变形过程，材料特性、温度条件、摩擦条件、润滑 情况，坯料尺寸和模具形状等因素对变形过程有定的影响。在进行理论分析时，由于 材料非线性( 应力与应变之间的非线性) 和几何非线性( 应变与位移之间的非线性) ，以及 边界条件的复杂性和数学处理上的困难，人们只能通过某些近似假设并利用实验、经验 数据，将难以求解的数学力学问题变为工程实际问题。从而产生了各种近似程度不同、 适用范围不周的分析方法或数学模型。主要有以下几种方法。主应力法、滑移线法、界 限法，此外，还有有限差分法、流函数法、视塑性法、加权余量法和边界元法等，上述 各方法尽管能预测金属材料的应力、应变和塑性流动，但只能预测金属变形中的部分特 性，其解决问题的范围、复杂程度和精度都受到了很大的限制。而有限元法则是随着计 算机技术的发展而出现的一种有效地离散数值计算的方法。目前已从力学领域发展到电 磁学、热传导、流体力学和材料科学等领域。在金属塑性加工领域的应用，也得到迅速 而深入的发展。大量分析计算表明，对于金属塑性成形问题的分析较之其他理论分析方 中北大学学位论文 法，有限元法其有如下优点： ( 1 ) 适合于各类金属塑性成形过程的分析。不受具体成形问题的限制； ( 2 ) 能提供丰富的单元类型，从而具备很高的边界拟和精度，同时也使复杂成形过程的 分析成为可能： ( 3 ) 能够较全面的考虑多种因素对成形过程的影响，如温度、摩擦润滑条件、材料特性、 变形速度以及模具的几何形状等等： ( 4 ) 能够在假设条件少的前提下提供相近的变形力学信息，如应力、应变和温度场的分 布，金属的塑性流动规律，成形载荷等力能参数，这些信息可供进行工艺过程的优化和 控制。 齿轮几何形状复杂、产品的尺寸精度、表面质量、组织性能、机械性能要求严格。 其成形难度大、充填过程复杂、材料流动性差、影响因素多、成形载荷大、产品质量与 模具寿命不易保证，严重影响其实用化进程。齿轮精锻试验因模具材料、精密加工及设 备能力要求等费用昂贵、工作量浩大。而且物理模拟与试验分析都有局限性，传统的力 学分析方法对这类复杂的成形过程难以奏效，对齿轮精锻成形过程进行数值模拟分析是 十分必要的。 随着计算机软硬件技术的迅猛发展，以有限元法为代表的数值模拟方法己广泛应 用于各种金属成形问题的求解分析中，实现了金属成形过程的计算机仿真应用有限元 数值模拟技术可以减少模具设计、加工时间，降低产品开发费用，在市场竞争激烈的今 天，对于提高企业快速响应市场的能力具有重要作用。因此，对齿轮精锻成形过程进行 有限元数值模拟分析是十分必要的。有限元数值模拟在锻造工艺及模具设计中的应用可 分为以下几个层次： ( 1 ) 设计评价工艺可行性分析。 ( 2 ) 工艺优化设计工序及改进模具设计。 ( 3 ) 锻件质量控制宏观与微观分析。 从应用的总体上看，目前大多数还是在第一个层次上的应用，第二个层次即工艺c a e 技术的应用也己受到重视。应用的体积成形数值模拟软件主要有d e f o r m 、a n s y s 、f o r g e 3 和q f o r m 等。吉林工业大学的寇淑清等人，用三维大变形弹塑性有限元法对齿轮冷精 锻成形过程进行了数值模拟，对以闭式模锻为预锻和以闭式模锻、孔分流及约束分流为 中北大学学位论文 终锻的两步成形模式的变形流动情况进行了数值模拟分析。德国t h h e r l a n f - 1 应用有限 元分析方法，采用a n s y s 软件，来优化轮齿的几何形状，从而降低锻造压力和模具应力。 给出t f e m 分析的模具的受力图和优化轮齿形状。最后，将精锻齿轮进行疲劳测试并与 传统工艺生产的齿轮进行了比较。美国的s f t c 公司使用d e f o r m ，模拟了材料为中碳锰钢 的伞齿轮的成形过程。此齿轮为热锻带飞边成形，由c a d 系统得到齿轮外形的s t l 文件。 由于齿轮形状对称，故选用了1 2 0 的体积作为模拟的对象。成形过程模拟结束后，将齿 轮尺寸传入c a d 系统进行修j 下，再模拟去飞边和钻内孔的加工过程f 2 1 。丹麦的j g r o e n b a e k 等1 3 1 提出了用于f e m 程序的先进的多参数，弹塑性材料模型，它使分析和优化 复杂冷锻模成为可能。在这种模具中小塑性变形是确定模具寿命的至关重要的决定性因 素。并应用3 一d 的弹塑性有限元法，把材料模型作为用户子程序加入通用的有限元程序 a n s y s 与m a r c 中，分析了多种斜齿轮冷锻模具系统，从普通压力系统到高硬度型腔系统。 并将分析的结果，用于工业生产，证明高硬度型腔系统模具不仅寿命高而且大大降低了 生产成本。 1 3 齿轮精密成形的国内外研究现状 齿轮精密锻造技术源于德国。早在5 0 年代，由于缺乏足够的齿轮加工机床，德国人开 始用闭式热模锻的方法试制锥齿轮。其中的主要特征是使用了当时很新的电火花加工工 艺来制造锻模的型腔。另外还对锻造工艺过程进行了严格地控制。在此基础上，齿轮锻 造技术进一步应用到螺旋锥齿轮和圆柱齿轮的生产。但是在圆柱齿轮锻造中，由于金属 材料的塑性流动方向与其受力方向垂直，所以其齿形比锥齿轮更难形成。6 0 年代国内有 人对直齿圆柱齿轮精锻工艺作过探索，用高速锤精锻直齿圆柱齿轮，由于锻件精度低、模 具寿命低等原因而未能应用英国b i r m i n g h a m 大学对直齿圆柱齿轮精锻进行了广泛研究 于1 9 8 7 年提出了用空心锻坯精锻直齿圆柱齿轮的浮动凹模原理，降低了直蝮圆柱齿轮精 锻的材料、锻压能量、锻压力消耗，且齿形易于充满，但这种模具不适用于较大锻造力的 情况，模具寿命低【6 1 。八十年代位日本学者将分流锻造的思想引入齿轮精锻中，提出孔 分流与轴分流。通过增大锻件自由表面改变了锻造减缩化，保证充填主要轮廓的同时，非 齿形主要轮廓位置始终存在分流层，以调节和防止齿轮闭式模锻最终阶段变形力的陡增 中北大学学位论文 现象。实验分析表明，分流原理的应用虽降低了工作载荷，但在相对较低工作压力的条件 下仍难以保证良好的充填性f 7 】。后有人在此基础上提出了约束分流，即在材料充填齿形 过程中，给向溢流口分流的材料提供一定的约束阻力，迫使材料向齿形充填，避免分流 量过多而齿形充填不好。1 9 9 1 年林治平等制作了简易模具，在液压机上压铅和铝分别模 拟直齿圆柱齿轮的热锻和冷锻，得出了型腔充填情况及成形力的一些有益结论，但是变 形材料、温度、模具结构、工作连续性和设备等方面都与生产实际相差较大【7 1 。青岛建 筑工程学院的田福样对直齿圆柱齿轮热精锻进行了深入研究，发明了直齿圆柱齿轮热精 锻和冷推挤联合成形工艺，研制了用于生产的模具，实心坯料一次加热，经镦粗制坯， 在摩擦压力机上一次锻击就使全部轮齿成形，型腔完全充满，锻件出模顺利，而且无飞 边，精锻成形齿轮经过余熟退火和表面清理，在液压机上用新型推挤模进行齿面精整， 精度达到9 级，齿面无须切削加工即可使用【8 1 1 4 本课题主要研究的内容 1 、采用镦挤工艺成形齿轮的时候，在成形的最后阶段，成形力急剧增加，使得金属很 难充满形腔，导致塌角的缺陷。本课题重点分析成形力增加和缺陷产生的原因，研究分 流法对改善成型条件的原理。 2 、建立镦挤预锻、孔分流、轴分流、约束孔分流、约束轴分流的成形工艺的有限元模 型进行数值模拟。 3 通过对速度云图、等效应力云图以及成形力和时间关系图的分析，找到金属流动规律， 应力分布规律和成形力变化规律。分析成形力陡增和齿端塌角的原因，比较几种不同分 流方式的优劣。 4 分析摩擦因子对成形力的影响，找到合适的摩擦因子。 中北大学学位论文 2 1 引言 2 非线性有限元基础 圆柱齿轮镦挤成形过程属于大变形过程，这需要采用非线性应变和位移关系、非线 性应力和应变关系，平衡方程也必须建立于变形后的状态。本文采用的有限元软件 m s c s u p e r f o r m 在非线性方面具有强大的功能，对金属塑性成形过程的模拟分析有良好 的性能。本章主要对非线性有限元的基本理论做简单的介绍。 2 2 材料非线性的本构关系 应力与应变的关系有各种不同的近似表达式和简化。根据p r a n d t l r e u s s 假设和 m is e s 屈服准则，当外作用力较小，变形体内的等效应力小于屈服极限时为弹性状态。 当外力增加到某一个值，等效应力达到屈服应力，材料进入塑性状态，这时变形包括弹 性变形和塑性变形两部分，即： d i e ) = d g 。+ d 。 ( 2 - i ) 在弹性阶段应力与应变关系符台虎克定律，进入塑性状态后符合p r a n d t 一r e u s s 假设。 l 、弹性阶段 在弹性阶段，应力和应变的关系是线性的，应变仅决定于最后的应力状态，与变形 过程无关，并且一一对应，有下列全量形式： 田= d l ) ( 2 2 ) 其中【d 】。为弹性矩阵，对于各向同性材料，出广义虎克定律可得 d 】，： o 中北大学学位论文 眺= 熹 旦土上000 1 2 vi - 2 v1 - 2 v 忐1高1赤1 ooo 一2 v一2 v一2 v 土上0 00 1 2 v1 2 v1 2 v 0o 00 00 0土0 o 00 1 o 000 1 ( 2 3 ) 2 、弹塑性阶段 当材料所受外力达到一定值时，等效应力达到屈服极限。应力与应变之间的关系 由弹塑性矩阵【d 】。决定，即： d 占) = ( 【d 。一【d 】，) d s ) = 【d 。d s 吼= z 舞 s l s 。 s z s ： s x f 。 s ，t 口 s 。f 。 s x s y s ； s 。s ： s y f 。y s p 1 ” s p t 。 s x s ： s y s ： s ； s ：r 叫 s ：f 、： s ：r 。 【d 】。的详细推导过程可参见文献 4 2 3 几何非线性的应力张量 s 。t 。 s ，f 毋 s ，。 r 刍 cx t z y z r w r 甜 s 乒。 s y 1 口 s z 。 1 扩f r ： tu h s ，f 。 s 。r 盘 s z f 。 t s v t h t y 乒“ f 三 ( 2 - 4 ) 在大变形问题中，是从变形后的物体内截取的微元体来建立平衡方程和与之相等 效的虚功原理。因此首先在从变形后物体内截取出的微元体上面定义应力张量，此应力 张量称为e u l e r 应力张量，此应力张量有明确的物理意义，代表真实的应力。变形前应 力与变形后应力之间的关系采用最常用的k i r c h b o f f 规定： 。d r 廿= ? x l ，。d l = 。t o ，0 v j 。d s ( 2 5 ) 中北大学学位论文 o x i = ”，( x it x 2t x 3 ) ( 2 6 ) 其中o d t 为变形前应力，d r 为变形后应力，o x ，( 扛1 , 2 ，3 ) 表示物体处于0 时刻位形内 任一点p 的坐标，7 x ，( f - 1 ，2 ，3 ) 表示物体处于f 时刻位形内任一a p 的坐标。v ，是变形前 面积微元o d s 上法线的方向余弦，j s 。为k i r c h h o f f 应力张量 茂= 每x 矗一t 筇 2 4 非线性方程组的解法 ( 2 - 7 ) 用有限元法分析非线性问题时，不可避免地要遇到非线性方程组的求解。非线性有 限元在发展过程中，对非线性方程组的求解有迭代法、增量法、混合法、初应变法、初 应力法五大类，而每一类中又包含若干种不同的解法，最常用的有e u l e r c a u c h y 法、 e u l e r 一次迭代法和e u l e r n e w t o n 法。无论那种方法求解非线性方程组都是用一系列 线性解去逼近非线性解，也就是要对非线性方程组进行线性化处理。都是将载荷分成若 干份，在第n 及n 以前各载荷步的解已知的前提下，求解第n * l 步时，采用了线性化方 法。对于几何非线性问题，这罩不加推导地给出其在修正的拉格朗日公式体系下的增量 刚度方程，详细推导过程和计算公式可参见文献 5 医，r “ d ) ”1 = j p “1 一 尺 ” ( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 中， 口p 1 为待求的n t l 载荷步的节点位移增量， p ”1 是第n + 1 步的外载等 效节点力矢量，而伽 ”与第n 步末的内应力有关，可称为内应力等效节点力，简称内力， 那么，式( 1 ) 的右端即为第n + l 步初外力与内力之差。医，r 1 为n + l 载荷步的切线刚度 矩阵，它由线性刚度矩阵防。r ，初应力刚度矩阵k 。r 以及大位移刚度矩阵k 。r 叠 加而成。其中的 k 。r 1 与 a 口r 1 有关。 盟 = j x 0 f 中北大学学位论文 2 5 影响有限元计算精度的主要因素 从相关的资料来看，目前影响有限元计算精度的因素主要有以下几点： 1 、离散误差和插值误差 有限元的基本方法是将连续体离散化成仅在结点处相连的单元，在单元内部用一定 的函数描述位移和应变。一般来说，结点位移常被选作基本变量。求解基本方程，得到平 衡状态的数值解，再从位移求得应变、应力、温度场等一系列变量。因此，将连续体离 散化会产生离散误差。一般地，有限元网格划分得越细，引起的离散误差越小。但是有 限元分析必须同时兼顾精度和效率，所以单元不可能过于细化。但对于一定的变形过程， 即使网格划分得再细，误差仍然存在，这就是形函数误差，也叫作插值误差。 2 、边界条件的影响 边界条 牛的影响作为一神基本的数值方法，有限元是解倔微分方程边界值和初始值 问题的有效工具。不言而喻，由此得到的解与给定的边值条件和初值条件密切相关。在 计算塑性加工过程时，要给出正确的初值和边值条件，往往是非常困难的，甚至是不可 能的。因此合理的边界条件是影响模拟精度的一个重要因素。 3 、网格重划分 金属塑性变形问题中通常变形量比较大，这样有限元网格很容易发生畸变或与模具 产生干涉，使网格退化，导致有限元分析无法继续进行。这时，就必须定义新的网格系统， 即进行网格再划分，才能继续进行有限元模拟分析。因此，网格再划分就成为制约有限 元分析的一个重要因素，也是金属体积成形三维有限元仿真领域内的瓶颈。当前，二维 网格重划技术的研究已日趋成熟，但三绝网格重划技术由于其内在的复杂性，至今尚处 于探索阶段。 4 、迭代求解的收敛 齿轮精密成形有限元模拟的基础是刚塑性有限元法刚塑性有限元法是以假设的满 足速度边界条件速度场为基础。求解变量是单元节点的速度增量。由于塑性变形具有材 料及几何双重非线性，离散化后所得矩阵方程组为非线性方程组，需迭代求解。因此计 算量非常大。尤其在进行非稳态分历时，为保证计算精度，增量步长不能太大，通常取 总压下量的百分之一作为增量步长，在接触边界发生较大变化时。增量步长还应再调小。 中北大学学位论文 每一步又必须进行几次甚至几十次迭代。因此，在迭代时在满足精度要求的前提下提高 收敛速度，防止迭代发散成为计算中至关重要的两个问题。 5 、体积损失 所谓体积变化，是指模拟过程中材料体积的不恒定，即材料当前体积相对于模拟 初始体积的变化。材料体积变化不是实际成形过程中的现象，因而与真实情况之间存在 有误差。欲使模拟结果最大限度地接近真实成形，就应当尽可能地减小模拟中的材料体 积变化。因为由于体积的损失，使原本能充满的型腔变成未充满，使得行程。载荷等模 拟量变得不准确，影响了模拟的精度。 中北大学学位论文 3 1 引言 3 圆柱齿轮镦挤成形工艺研究 目前，国内许多单位早己开展了对锥齿轮、直齿圆柱齿轮的的研究工作，取得了显 著的成果，其中圆锥齿轮已成功地投产，直齿圆柱齿轮由于精锻成形的技术难度较大， 尚处于研究阶段。雨国外，特别是日本、德国在精密锻造包括精锻齿轮方面一直保持着 对世界的领先优势，许多学者对直齿圆柱齿轮的精密成形作了卓有成效的工作。 目前比较成功运用镦挤成形圆柱齿轮的国家是日本。早在2 0 世纪8 0 年代中期，日本 名古屋大学近滕羲首次采用分流原理冷精锻直齿圆柱齿轮，即：在齿轮非工作面设置 溢流口，保证模锻过程中始终有材料分流，避免了闭式镦挤终锻终了时载荷陡增的现象， 从而降低了成形力【1 b j 。但是镦挤成形齿轮最大的缺陷是保证在齿腔完全充满。后来许多 学者在此基础上提出了轴分流孔分流约束分流等方法改善成形效果和成形条件。本章主 要通过有限元模拟对上面的工艺进行模拟分析。 3 2 圆柱齿轮镦挤成形工艺简述 镦挤就是指把坯料放入齿型凹模腔内，施加大的轴压缩力，使金属流向齿部，发生 类似于镦粗的变形，即轴向的缩短和径向的增加。其工艺简图如图3 1 所示 斟3 一l 镦挤戏形工艺筒图 采用该工艺成形齿轮时，会在成形最后阶段出现成形力陡增的现象，如图3 2 所示 中北大学学位论文 图3 2 镦挤成形成形力与成形时间示意图 造成成形力陡升的主要原因是在终锻阶段，材料自由流动的面积越来越小，使得材料逐 渐处于静水压力的态，材料充填也越困难。吉林工业大学的寇淑清提出用减缩比描述 材料自由流动的面积m 1 ，其公式是： r ：尘! a 式中，爿是毛坯全表面积，腥与模具不发生接触的自由表面积凡在成形的最后阶段模 段的减缩比越来越接近1 ，也就是，材料自由流动的面积越来越小。此时增加成形力对 金属填充意义不大，相反只能加快模具的损坏。对于齿轮镦挤成形而言，由于摩擦力的 影响，凹模齿底金属最后填充的位置，因而生产出来的齿轮端部往往会有塌角。目前人 们用的最多的是采用约束分流的方法来避免成形力陡升的现象，并进一步保证成形齿轮 齿部金属的填充。 3 3 分流原理简介 最早将分流思想引入齿轮锻造的是同本学者近滕一羲。所谓分流就是在锻件某一位 置设置溢流口，使材料充填型腔过程中始终有自由流动的余地，从而提高工件自由表面， 控制模锻减缩比的提高，抑制加工力的增加。直齿轮冷精锻中要求齿形不再进行机械加 工，因此材料溢流口不能设在齿形轮廓上，因而采用最多的分流方式是轴分流和孔分流。 如图3 3 所示 中北大学学位论文 ( a ) 轴分流工艺简图( b ) 孔分流工艺简图 图3 - 3 分流成形工艺简图 孔分流就是将坯料制成中空的。在成形的过程中，金属可以有使内孔趋向闭合的向 心的流动，从而增加了自由表面积，降低了减缩比，相应的降低了成形力；轴分流是通 过将凸模上预留中心孔，这样也可以达到降低减缩比和成形力的目的。但是实验分析表 明，分流原理的应用虽降低了工作载荷，但在相对较低工作压力的条件下仍难以保证良 好的充填性。这是因为相对于轴和孔而言，齿端部依然是金属最后、最难填充的位置。 当工件的孔和凸模的孔都被金属填充饱满时，减缩比又会接近1 ，使的金属很难再进 步的流动。 3 4 约束分流 正是由于轴分流和孔分流虽然能够降低成形力但很难改善工件质量的因素，后人便 在此基础上提出了约束分流，即在材料充填齿形过程中，给向溢流口分流的材料提供一 定的约束阻力，迫使材料向齿形充填，避免分流量过多而齿形充填不好。 约束分流的实质是在保证工件齿部金属填充饱满时，工件依然有自由面，既此时的 减缩比不能为1 ，并且越小越好。换句话讲，就是通过施加约束分流，使得成形过程中 金属填充不饱满的位置由重要的位置：齿部转移到相对不重要的位置上来。在终锻结束 时，一方面金属仍有自由表面，避免了成形力的陡增；另一方面也保证了齿部金属的填 充。因此约束分流的关键就是要选则合适的位置分流以及施加适当的约束。目前人们用 的最多的是约束分流方式是对称约束分流( 如图3 4 n 示) 。 中北大学学位论文 r 形勿荆砌n 斟纂隧剽 in ，l! i ( a ) 约束孔分流( b ) 约束轴分流 图3 4 约束分流工艺简图 在图( a ) 中，溢流i z l 设在内孔处，通过调整约束深度l 或约束芯棒直径d 而保证充 填与分流的协调：在图( b ) 中溢流口设在上部，调整d 和d 改变约束阻力。 3 5 推挤精整 推挤精整就是在采用镦挤成形工艺制得的齿轮坯料的基础上，用推挤成形的工艺进 行精整。推挤成形是指在挤压时不设顶件装置，而把凹模设计成直通的形式，挤压时靠 凸模把工件直接推出凹模，然后把工件从模具下方取出，其示意图如i 蛩a - 5 所示 p 图3 5 推挤成形 ：艺简图 青岛建筑工程学院的田福祥和林化春就采用了该方法成功的制成了直齿圆柱齿轮f 8 j 。中 北大学的张治民、张宝红等采用径向导流成形和推挤整形工艺，成形直齿轮i ”】。 采用该方法不会出现应力陡增的现象，可以解决大模数、长齿形、大直径直齿圆柱 齿轮精密成形时脱模力大的问题。而就推挤成形工艺本身而言，它是精密成形内齿和斜 齿的主要方法。相对于外齿和直齿来说它们跟难于切削加工，因此笔者认为，该成形工 艺更有发展前景。 中北大学学位论文 采用推挤精整关键是推挤余量的确定。余量大小对挤后齿轮精度有直接影响，如果 余量太小，则部分齿面挤不着，即齿面得不到充分精整；如果余量过大，则会增大张模 力，影响挤后齿轮精度或增加雄挤次数。确定推挤余量大小就是确定采用镦挤制成初坯 的形状，笔者认为目前确定镦挤制成初坯的形状的方法，可以采用逆推法进行优化设计。 所谓逆推法其实也是一个非常传统的设计思路：从给定锻件的最终形状开始，反向跟踪 其实际成形过程的加载路径，从而获得预成形设计。当然镦挤制成初坯不定就是渐开 线齿廓，中北大学的张治民、张宝红提出的开放式填充原理就是把凹模齿形由标准的渐 开线形或圆弧形变为直线形，同时将齿顶由所需的直线变为圆弧形【2 5 l 。 3 6 成形的温度 温度是影响金属塑性成形的一个重要因素，按照成形温度，通常可以将金属成形 分为：冷成形、热成形、温成形、等温成形 l 、冷成形 冷成形是指在室温下的成形，其优点是产品的尺寸精度高，表面质量好，材料利用 率高，但冷成形的变形抗力大，材料塑性低，流动性差，那些机械强度高，冷作硬化敏 感的材料成形困难。尤其是在冷挤时，金属处于三向压应力状态，使得变形抗力大，甚 至可以超过模具零件的许用应力，引起模具损坏。因此，冷挤压前应对坯料进行软化处 理，冷挤时应良好润滑，并要采取有效降低挤压力的工艺措旌。 2 、热成形 热成形指材料在再结晶温度以上的成形。具有变形抗力小，材料塑性好，流动性好， 成形容易，所需设备吨位小等优点，其缺点是产品尺寸精度低，表丽质量差，钢件表面 氧化严重，模具寿命低，生产条件差。在精密塑性成形时，很少采用热成形。 3 、温成形 温成形是指材料在室温以上，再结晶湿度以下的成形。它是在冷成形基础上发展起 来的一种少无切削的新工艺。在一定程度上兼具了冷成与热成形的优点，同时也减少了 它们各自的缺点。温成时由于变形抗力小，材料塑性好，成比冷成好；另一方面，与热 成相比，温成由于加热温度低，氧化，脱碳减轻，产品的尺寸精度和表面质量均较好。 中北大学学位论文 但由于温成在较高的温度下成形，仍存在氧化和热胀冷缩，变形较大和模具寿命较低等 问题。模具寿命低主要是模具的磨损快，局部软化和由于热冲击引起的疲劳裂纹等。 4 、等温成形 等温成形是在几乎恒温的条件下成形。这时模具也加热到与坯料相同的温度。通常是 在行程较慢的设备上进行，这样可以保证变形金属充分再结晶，使变形抗力减小。可避 免由于坯料温度降低引起的系列问题，如充不满( 尤其是锻件的端角部位金属温度降 低很快，使此处腔更难充满) ，模压力增大，工件粗晶，混晶等问题。但它也是在在较 高的温度下成形，仍存在氧化和热胀冷缩，变形较大和模具寿命较低等问题。 目前，热成形，温成，冷成相互结合的方法越来越受到广泛的重视和应用。热成 形，温成可实现高效能和材料的利用率，冷成过程则修正热、温锻过程的误差和高表面 质量。同时，冷处理工艺还能使轮齿表面得残余压应力，提高齿轮的寿命。 3 7 齿轮镦挤成形工艺目前的问题渺1 f 2 7 1 1 2 8 多年来，尽管许多国内外学者对齿轮镦挤成形工艺进行了研究，也取得了许多成果， 但该工艺还不能应用于实际生产过程，主要存在着以下问题亟待解决。 1 、齿轮锻件出模闻题 童齿圆柱齿轮精锻没有拔模斜度，出模困难，需要较大的顶出力才能将锻件从模具中 顶出。因此，对模具结构和锻造设备有较高的要求。如何解决好工件出模，是一个必须 重点解决的问题。 2 、坯料精化和加热问题 成形前的毛坯，其体积与工件应该大致相当，下料要精确，同时要考虑火耗。坯料 端面应平整，易于在摸具中定位，否则既影响齿轮的成形，也影响工件的质量和模具寿 命。在加热时，减少甚至消除氧化皮，对提高工件质量、保证产品精度至关重要。为此， 需采用少、无氧化加热工艺。 3 、润滑问题 润滑剂应选择在锻造温度范围具有良好的润滑性能，使工件与模具隔离，避免金属 变形时直接与模具接触，使金属流动阻力最小：具有良好的绝热和脱模性能，从而减少 中北大学学位论文 工件热量传导到模具上，延长模具寿命。另外，润滑剂应具有良好的高温湿润性能和成 膜性能，在模具型腔中均匀分布，形成润滑膜，并且在锻完后在模具型腔中不应鳕有残 渣或者留有极少的残渣，容易清除。 4 、模具寿命问题 模具寿命问题是关系到直齿圆柱齿轮精密成形工艺否应用于生产实践的关键因素。 然而，影响模具命的因素很多。如何有效地改善模具的受力状况、少磨损、提高寿命， 是一个摆在研究者面前的不能回避的问题。 3 8 齿轮精密成形研究的发展趋势 齿轮精密成形研究已经取得了较大进展，但还有许多方面需要进一步研究和探索， 今后将向以下几个方向发展： l 、充分利用计算机技术，研究塑性成形过程的金属流动规律。目前关于齿轮精密成形方 面的理论研究仅能得出变形金属的部分特征，而不能研究在整个塑性变形过程中金属的 流动规律和所具有的变形力学特征，即不能得出应力场、应变速率场和温度场，只能粗 糙的分析金属的整体流动。今后应充分利用高新计算机技术，结合塑性或弹塑性有限元 方法，模拟或仿真齿轮整个密成形压变形过程的金属流动，找出变形坯料自由表面和内 部的金属流动及应力应变分布规律，以期通过控制材料的塑性流动达到零件的精确成 形。 2 、优化模具结构和工艺，控制成形齿轮的质量和精度。质量和精度控制是齿轮精密成 形研究的重点内容。目酶关于这方面的研究还比较少。今后要进一步优化模具结构，选 用优质模具材料，提高模具加工精度和使用寿命，使用合适的成形设备；研究精确下料 的新途径，提高毛坯的下料精度和表面质量；采用少无氧化加热，尽量减少毛坯的氧化 烧损，并尽量减少热工件与空气的接触时间，以减少二次氧化，控制热工件表面的脱碳 层厚度；严格控制模具温度、锻造温度和润滑条件等工艺因素，减少因模具和工件温度 波动而造成的工件尺寸误差。使齿轮精锻密成形术向着净成形方向发展。 3 、实现模具和工艺设计的c a d c a e c a m 一体化，建立相应的专家系统。当前，工艺 和模具设计很少应用计算机技术，模具从设计到加工都是分离的，生产周期长，浪费入 中北大学学位论文 力和物力，产品的竞争力小。今后工艺和模具设计应和计算机技术紧密结合起来。一方 面，使齿轮精密成形研究向着ca d cae ca m 一体化方向发展，实现对齿轮模具 设计、制造及工艺设计过程中信息的产生、转换、存储、流通管理进行分析和控制，另 一方面，建立齿轮工艺和模具设计的专家系统，即把专家的知识经识别、概念化和形式 化处理，汇集成知识库来解决齿轮精密成形的cad 和cae 问题。这两个方面对促进 齿轮精密成形技术的提高及向生产的转化具有重要的意义。 中北大学学位论文 4 有限元模拟 本章主要是通过应用m s c ，s u p c r f o r m 软件，对第二章所论诉的主要工艺进行模拟 分析，找出最有效的约束分流方式。然后用不同的分流方式进行终锻，以便比较几种不 同分流方式的优劣。 4 1 m s c s u p e r f o r m 简介【” m s c s u p e r f o r m 是美国m s c 公司( m s c s o f t w a r ec o r p o r a t i o n ) 的一个专用的制 造过程仿真软件。它是市场上最成熟的锻造过程与制造过程的仿真工具。具有二维、三 维热机耦合分析、损伤分析、成形仿真等功能；并将材料数据库、压力机运动学等集成 为一体。目前m s c s u p e r f o r m 已成为全球著名公司如m e r c e d e s b e n z 、g k n a u t o m o t i v e 、 h i r s c h v o g e lu m f o m a t e c h n i k 、p h i l i p s 、l e i b e r 、m a n n e s m a n n 、m a n s h a d i & k o l e v 、w i e l a n d w e r e 等开发新产品、设计新加工工艺不可或缺的必备工具。 m s c s u p e r f o r m 由支持创建工艺仿真模型、处理分析结果的交互式图形界面和分析 求解加工过程温度、变形、成形力的求解器高度集成，无缝连接。m s c s u p e r f o m a 的 图形用户界面以m s c m e n t a t 菜单设计思想为基础，设计了按体积成形过程的工艺术语 和流程创建分析模型、处理分析结果的相应菜单；m s c s u p e r f o r m 独家拥有的三维六面 体网格自动划分及自动重划分功能和对高度非线性问题的快速求解能力，使其成为名符 其实的全三维、全自动、高效精确的体成形仿真软件。m s c s u p e r f o r m 还可以与s d r c i d e a s 、p r o e n g i n e e r 、c a t i a 等一系列著名c a d c a e 软件能够自动实现将几何 造型直接传输，并借助于m e n t a t 可定义非常复杂的有限元分析模型，这样就弥补了 m s c s u p e r f o r m 造型效率低的缺点。 m s c s u p e r f o m a 软件好似一个在计算机上完成体积成形试验、检查产品加工工 艺可行性和加工产品质量的数值实验室。从每一次的数值实验中可以获得很多信息，分 析后可提炼出影响产品质量的各项因素，逐个修改，反复试算，终可优化出成形产品的 最佳工艺参数和材料参数，因而它具有以下几个好处： 中北大学学位论文 1 、反复的数值实验减少了耗时的原型实验，缩短了产品投放市场的时间； 2 、合理的设计可以降低对工件的损耗； 3 、合理的坯料设计，减少飞边，也减少原材料的浪费； 4 、对模具设计、加工提供合理建议； 5 、优化加工过程，提高产品质量； 6 、对加工过程中材料流动、模具损伤热的影响积累更多认识。 本章主要是通过应用m s c s u p e r f o r m 软件，对第二章所论诉的主要工艺进行模拟分 析，找出最有效的约束分流方式。然后用不同的分流方式进行终锻，以便比较几种不同 分流方式的优劣。 4 2 预锻数值模拟 目前，资料显示出人们首先是采用镦挤成形工艺制坯，然后采用不同的工艺进行精 锻，从而得到理想的齿轮。考虑到目前圆柱齿轮镦挤成形所采用的大多是棒料。因而本 文采用实芯棒料作为预段坯料。 4 2 1 模型的建立 本文以模数为2