毕业设计（论文）热轧法制造齿轮计算机仿真分析

1、热轧法制造齿轮计算机仿真分析 完成日期： 指导教师签字： 评阅教师签字： 答辩小组组长签字： 答辩小组成员签字： 摘 要本文以热轧45钢齿轮为研究对象，借助有限元分析软件msc.marc对齿轮轧制过程进行仿真，对轧制过程中齿轮内部应力、应变分布情况，轧制力的大小，轧制力矩及内部金属的流动规律等进行分析讨论。通过分析可以看出，齿轮在轧制的过程中，坯料表面的应变分布是不均匀的，主要集中在轧成的齿廓的周围且应变较大，而齿廓内部的应变较小，心部几乎没有应变；由于应变较大，在高温轧制下齿廓区域可以很容易发生再结晶，细化晶粒，提高齿轮的强度和表面的耐磨性等。所以通过有限元的仿真可以极大地提高热轧齿轮工艺开

2、发与优化效率，并且节约成产成本，对生产工艺的改良也有很积极地意义。关键词：齿轮；轧制；有限元；应变abstractin this paper, hot-rolled steel gear 45 as the research object, with the aid of finite element analysis software msc.marc gear rolling process simulation, the internal stress during rolling gear, strain distribution, the size of the rolling fo

3、rce, rolling moment and flow pattern inside the metal were analyzed for discussion. by analysis that, in the course of the rolling gear, the strain mainly concentrated around the surface of the tooth profile, and a strain is large, and the tooth profile of the internal strain is small, the center al

4、most no strain; since the strain is large, tooth profile at high temperatures can be easily rolled recrystallization, grain refinement, improved strength and abrasion resistance, such as the surface of the gear. it can greatly improve the efficiency of finite element simulation, and can save into pr

5、oduction costs, improved production technology also has a very positive meaning.key words: gear; rolling; finite element; strain 中文摘要、英文摘要、目录的页码使用罗马字母（、.），居中，小五号字页面设置：上2.5厘米，下2.5厘米，左2.8厘米，右2.8厘米；行距：固定值20磅。a4纸，单面打印。目录无需页眉。目 录1 绪论11.1 轧制简介11.2 齿轮轧制简介11.3 有限元法简介31.4 msc.marc软件简介41.5 研究内容41.6 研究思路42 热轧法

6、制造齿轮有限元模型52.1 几何模型52.2 网格划分53 结果与分析73.1 轧制过程变形分析73.2 转矩分析93.3 受力分析104 结论与展望11参考文献 12致谢 13 1 绪论1.1 轧制简介轧制是指金属坯料在旋转轧辊的作用下产生连续塑性变形，从而获得所要求的截面形状并改变其性能的加工方法。轧制原理示意图如图1-1所示，金属坯料进入由上轧辊和下轧辊组成的轧制区域内，依靠上、下轧辊与金属坯料之间的摩擦力带动金属坯料进行轧制，金属坯料由较大的尺寸经过轧辊轧制得到较小的尺寸，从而获得所需的产品1。对于金属材料而言，轧制工艺更是不可或缺的，这也是生产钢材最常用的方式。除了可以生产各种型材、

7、板材和管材之外，轧制也可以用来生产各种零件。零件的轧制具有很多优点，如生产效率比较高、成本较低、产品质量较好、节约材料等。一般根据轧辊转动速度是否相同可将轧制分为转速相同的同步轧制及轧辊转速不同的异步轧制，而根据轧制温度又可分为热轧和冷轧两种。图1-1 轧制原理示意图热轧是指材料轧制温度高于再结晶温度的轧制过程，其特点是材料变形过程中伴随动态再结晶过程。通过热轧可以使金属内部的组织发生变化，使晶粒得到细化，并且能够消除显微组织的缺陷，从而使金属的组织更加密实，材料的力学性能得到明显改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使材料在一定程度上不再是各向同性体；浇注时形成的气泡、裂纹和缩松，也可以

8、在高温和压力的作用下被焊合。冷轧是指材料轧制温度低于再结晶温度的轧制过程，其特点是变形过程中无再结晶现象，变形后的金属只具有形变强化现象。因此，变形程度不宜太大，以免产生破裂。冷轧能使金属材料产生很大的塑性变形，从而提高其屈服点，也可以使金属的硬度和精度得到提高，从而提升产品的性能。1.2 齿轮轧制简介齿轮是传递运动和动力的重要零件，在机械、车辆、船舶、仪器仪表中都得到了很广泛的应用，齿轮本身的质量与产品的使用寿命、承载能力、工作性能及精度等都有着很紧密的关系。随着现在科学技术和生产力的不断发展，机械设备的工作精度需要越来越高，传递的功率必须越来越大，转速也要求越来越高。因此，对齿轮及其传动精

9、度提出了更高的要求2。齿形加工是齿轮加工的核心和关键，现在齿轮的制造主要是用切削加工，也可以采用铸造或辗压（轧制法）来制造加工。而齿轮切削加工的方法就其加工原理的不同可分为成形法（也称仿形法）和展成法（也称范成法）两大类，成形法的特点是：1、成本比较低；2、生产效率较低；3、精度低。展成法的特点是：1、同一模数和齿形角而齿数不同的齿轮可以用同一把刀具加工；2、加工的精度和效率都较高。热轧法的特点是：1、生产率高、力学性能好；2、齿轮强度高、寿命长；3、精度低；4、节约材料。由此可见，热轧法制造齿轮较其他齿轮制造方法具有一定的优势。齿轮轧制就是通过齿辊与坯料间的相互辗压而形成齿廓的工艺。轧制是一

10、种无屑或少屑的加工工艺，所以齿轮轧制可以大大的节约材料，同时可以提高生产的效率。由于齿轮内部的金属主要沿齿廓区域连续流动，所以，齿轮的强度较高、寿命较长。图1-2 齿轮热轧示意图1-轧轮；2-毛坯；3-感应加热器在轧制前将毛坯外缘用感应加热法加热，使毛坯外缘迅速加热至高温，适于压力加工成形，而热量还来不及向毛坯内部传导，毛坯内部则保持较低温度和较高的硬度和刚度，使毛坯处于外柔内刚的理想热加工状态。然后将带齿形的轧轮1做径向进给，迫使轧轮与毛坯2对辗。在对辗过程中，毛坯上一部分金属受压形成齿谷，相邻部分的金属被轧轮齿部“反挤”而上升，形成齿顶3。如图1-2齿轮热轧示意图所示。直齿轮和斜齿轮都可以

11、通过热轧的方法来进行制造。精度要求不高的齿轮，轧制后可以直接使用。而精度要求较高的齿轮，可以先热轧成形后，再对齿轮进行精加工处理，如剃齿、磨齿、研齿和珩齿等。由于轧制过程中材料所受到的应力、应变很大，所以热轧成形的齿轮精度也不够稳定，且对加热设备也有很高的要求。基于有限元算法的数值仿真研究具有效率高、投资少的特点，并且能够快速的进行工艺规律研究与预测，不但能产生很大的经济效益，而且可以加速理论、试验研究的进程，因此得到越来越广泛的应用。1.3 有限元法简介有限元法（fem，finite element method）是一种为求得偏微分方程边值问题近似解的数值技术。它通过变分方法，使得误差函数达

12、到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替4。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段5-6。有限元分析（finite element analysis，fea）是

13、指将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵，在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场等力学特性计算，然后对计算结果进行分析，显示变形后物体的形状及应力分布图等。有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；中间的处理过程则是计算机进行的复杂计算；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果7-9。1.4 msc.marc软件简介为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，多采用商业化有限元分析软件

14、。有限元分析软件是有限元法用于解决工程问题的工具，常用的有限元分析软件有ansys、msc.marc、nastran、fenris。msc.marc是功能齐全的高级非线性有限元软件，体现了30多年来有限元分析的理论和软件实践的完美结合，具有极强的结构分析能力10。它可以处理各种线性和非线性结构分析：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、自动的静/动力接触、失效和破坏分析等。msc.marc支持全自动网格重划，用以纠正过渡变形后产生的网格畸变，确保大变形分析的继续进行。msc.marc软件从20世纪70年代初诞生至今的30年中，一直紧跟有限元方法的理论和计算机硬、

15、软件发展的最新进展，已发展成为功能强大、界面友好的有限元软件系统。它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能够高效地求解各类结构的静力和动力中的线性、高度非线性问题，稳态和瞬态热分析及热-结构耦合问题，电磁场问题，流体力学问题，及其滑动轴承问题11-12。1.5 研究内容本文以轧制45钢齿轮为研究对象，借助有限元软件msc.marc，对齿轮热轧的过程建立有限元模型，进行仿真，从而对其轧制过程中内部金属的流动规律，坯料内部应力、应变分布情况，轧制力的大小及轧制力矩等进行分析讨论。1.6 研究思路本次毕业论文的研究思路如下：1、学习并掌握金属热加工以及轧制工艺，有限元的相关知识；2、

16、建立齿轮热轧的有限元分析模型；3、使用有限元软件msc.marc进行计算；4、数据分析与处理。2 热轧法制造齿轮有限元模型2.1 几何模型本次毕业论文对于热轧齿轮有限元分析模型主要由齿辊、坯料和转筒三部分组成，如图2-1所示。坯料由于受到齿辊上齿廓的作用而发生强制变形，使得其内部金属的流动以径向流动为主，而轴向流动较少。因此，本次毕业论文采用二维（2d）的计算方式，能够保证计算的精度，同时又可以极大的减少单元数目，这样能够减少计算量，提高计算的效率。因为当轧制进入稳定阶段后即可认为轧制结束，所以为了提高效率，减少计算时间，只需轧制部分齿轮。坯料的材料为碳钢（45钢），轧制温度为800，摩擦系数

17、为0.1，齿辊的模数为1.5mm，压力角为20，分度圆直径144mm，齿顶圆直径147mm，齿根圆直径140.25mm，齿距为4.7mm，齿厚为2.35mm，齿顶高为1.5mm,齿根高为1.875mm,齿全高为3.375mm,转速为1rad/s；坯料直径43.2mm；转筒直径 26mm，转速为3.3rad/s；转筒与齿辊的传动比i=3.3。齿辊转筒坯料图2-1 热轧法制造齿轮有限元分析几何模型2.2 网格划分网格的划分是建立有限元模型的一个重要环节,它要求考虑的因素较多,需要的工作量较大,所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建立正确的有限元模型,划分网格时应考虑网格数目、网格

18、疏密、单元阶次和网格质量等因素。本次设计将坯料以0.5mm为边长划分出三角形单元格，如图2-2变形工件单元划分所示。图2-2 变形工件单元划分3 结果与分析3.1 轧制过程变形分析本部分主要分析了坯料由热轧形成齿轮的工艺仿真过程，以及在成形过程中坯料的变形过程，坯料内部应力、应变的分布情况及金属的流动规律。齿轮热轧的有限元模拟过程如图3-1所示。(a)(b)(c)(d)图3-1 齿轮热轧加工过程有限元模拟图3-1(a)给出了热轧过程开始，坯料接触齿辊后发生的变形情况，从图上可以看出，变形仅发生在坯料与齿辊接触处，并未渗透到坯料内部区域，且此时接触处受到的等效应变很大。如图3-1(b)所示，第一

19、个齿廓形成不好，而第二个齿廓形成较好，主要是由于刚开始接触时坯料只受到齿辊上一个齿廓的影响，金属的流动方向比较自由，难以进行控制，因而造成第一个齿廓难以成形，该齿廓可以通过齿辊与工件第二次啮合或者多次啮合加工，使该区域形成齿顶和齿根。轧制主要以塑性变形为主，因此在变形过程中会形成带状的纤维组织，纤维组织会沿坯料的外形轮廓连续分布，能够适应工件工作时的受力情况。而采用切削加工的方法，会造成纤维组织的断裂，使工件强度下降。如图3-1（c）所示,轧制过程中坯料表层应变分布不均匀，应变分布主要发生在轧成的齿廓的周围，且应变较大，而坯料心部区域应变较小，几乎没有发生应变。在塑性加工生产中，冷加工会产生加

20、工硬化现象，给金属继续进行塑性变形带来困难。当金属在高温下受力发生变形时，加工硬化和再结晶过程同时存在。由于变形中的加工硬化随时都被再结晶过程所消除，所以变形后没有加工硬化现象。由图3-1(d)可以看出，在齿轮轧制过程中，轧出的齿廓表层发生的应变很大，可以达到1.685，如此大的应变，金属在高温下很容易发生再结晶，从而改变了粗大的组织，获得细化的再结晶组织，金属的微观组织晶粒得到进一步细化，有利于提高强度和硬度，使齿轮表面耐磨性增强。3.2 转矩分析本部分主要研究分析了齿辊在轧制过程中的转矩，转矩是热轧成形过程中一个重要的工艺参数，转矩的大小主要是受转筒的扭矩、工件力和摩擦力等综合因素的影响。

21、坯料的转动主要是由转筒提供的，而转筒的运动又是由齿辊的转矩所决定的，因为轧制过程中坯料的变形很大，所以齿辊驱动所需要的转矩也相当大。因此，确定齿辊转矩的大小对于生产能力的确定，动力部分电机的选择及校核有很重要的实践意义。正确计算转矩避免了轧制过程中齿辊由于电机提供不了相应的功率而导致轧制过程无法进行，图3-2为齿辊对z轴的转矩，此转矩主要为选择所需要的电机提供依据，以满足齿辊在轧制时所需要的功率。图3-2 齿辊对z轴的转矩3.3 受力分析本部分主要对转筒的受力情况进行了分析。坯料需要固定在转筒上来进行转动，但是为了保证坯料表面的齿廓能够和齿辊正确的啮合，只能让其作圆周运动，而不能出现位移现象，

22、因此，确定转筒的受力大小有利于对转筒的刚度进行计算，也有利于得到更好的齿形。受力过大，转筒会发生一定的变形，从而使得转筒与齿辊的中心距发生一定的扩大，齿廓与齿辊不能很好的啮合在一起，使得轧出的齿形不能满足需要。所以对转筒进行受力分析，得出其在x、y轴所受到的力，这对于转筒的定位，夹具的选择及校核也是一个很重要的参数。转筒的受力如图3-3所示。(a)(b)图3-3 转筒的受力分析，（a）在x轴的受力分析，（b）在y轴的受力分析4 结论与展望本论文主要借助有限元软件msc.marc对45钢热轧形成齿轮的过程进行仿真，完成了轧制过程中坯料内部应力、应变分布情况，轧制力的大小，轧制力矩等的分析。通过分

23、析可以看出，热轧过程中坯料表面的应变较大，而内部的应变较小，心部几乎没有发生应变，这样通过热轧的方法，极易使齿廓区域附近的金属发生再结晶，细化晶粒，从而提高金属的强度和硬度，使得齿轮具有更高的耐磨性。通过对齿辊转矩的分析可以更好的选择传动部分电动机的大小。对转筒的受力分析可以更好地选择夹具及转筒与齿辊位置的固定。参考文献1 康永林.轧制工程学m.北京:冶金工业出版社，2004: 1-2.2 邓文英，宋力宏.金属工艺学m.北京：高等教育出版社，2008： 110-111.3 张远明，吕广庶. 工程材料及成形技术基础m.北京:高等教育出版社，2011： 233-234.4 杨曼云. 轴承滚子冷锻加工过程数值成形技术的研究与应用d.昆明：昆明理工大学，2005.5 赵维涛，陈孝珍. 有限元法基础m.北京：科学出版社，2009：1-3.6 薛守义.