机电一体化专业论文—直齿圆柱齿轮冲挤精锻变形分析

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2、应变分布提供了依据。 关键词：直齿圆柱齿轮；冲挤精锻；密栅云纹法 一、引言 对直齿圆柱齿轮精锻这类三维非稳态非线性大变形问题，用理论方法难以获得其变形全过程金属流动的位移场和应变场。密栅云纹法作为一种实验解析方法，能够利用云纹图像真实地记录变形体的全场位移，经过解析可以获得应变信息，从而可以识别变形体的宏观塑性流动规律。所以把密栅云纹法引入齿轮精锻研究是恰当的。本文以某型号拖拉机减速小齿轮1(齿数15，模数3.5，高度变位系数0.395，齿轮厚度26.5mm，图1)为研究对象，采用面内密栅图云纹法的“位移增量微分法”原理2获取冲挤精锻该齿轮锻件的分流面变形的云纹图象，进而求解位移速度场，分析金

3、属的变形规律。 图1减速小齿轮零件二、云纹实验 冲挤精锻模拟实验是用工业纯铅实心圆柱坯料在图2所示的专用模具1内进行的。该模具为可分式，采用组合式浮动凹模保证齿顶下角部充满，上模设有分流冲头和飞边槽以保证齿顶上角部充满。冲头半径为10mm，并带有拔模斜度。凹模内设有顶杆，以保证锻件出模。实验成形设备为YE-1000型液压式压力试验机。根据位移增量微分法，在坯料冲挤精锻至变形终了阶段时，将坯料取出按分流面(由于齿轮齿数为奇数，分流面一侧有齿，一侧无齿)中剖，贴上云纹栅片，再入模给一增量变形，拍摄下相应的云纹图像(图3)。变形情况见表1，所用的基准栅和试件栅栅线密度均为12l/mm。 图2直齿圆柱

4、齿轮冲挤精锻可分式模具简图表1云纹实验情况 试样尺寸(mm)试样材料冲头下锻件底厚(mm)冲头下锻件z向平均应变0成形方式增量变形前增量变形后46×38工业纯铅5.524.350.2120浮动凹模精锻图3工业纯铅模拟热态钢冲挤精锻直齿圆柱齿轮终了阶段云纹图 (a)场云纹(b)场云纹三、位移速度场求取 上述云纹图像实质上就是一定比例的位移速度场。以锻件中心轴为z轴，其方向朝上，建立rz圆柱直角坐标系。根据云纹图像作出云纹黑带中心线，确定云纹级数，并沿r向和z向划分扫描网格(图4)。网格间距取25mm，云纹较密的区域，其应变梯度较大，网格应取密些，反之则取稀些。网格划分完毕后，对云纹黑带

5、中心线图场沿z向网格截面扫描，场沿r向网格截面扫描，即得云纹黑带中心坐标位置(r，z)与位移速度分量(和)的关系数据。为了消除扫描误差，根据有关数值方法3编程对这些数据进行拟合处理，再根据拟合后的数据，作出了分流面位移速度场-r、-z、-r和-z等曲线(图512)。 图4场(a)、场(b)云纹黑带中心线及扫描网格划分图5分流面左半部(有齿)-r曲线图6分流面右半部(无齿)-r曲线图7分流面左半部(有齿)-z曲线图8分流面右半部(无齿)-z曲线图9分流面左半部(有齿)-r曲线图10分流面右半部(无齿)-r曲线图11分流面左半部(有齿)-z曲线图12分流面右半部(无齿)-z曲线四、结果分析 1.云

6、纹图象 由图3、4所示场和场云纹图可见： (1)在冲头端面和齿顶小凸包附近，云纹十分密集，说明这些区域的金属塑性变形和应变较大。其它区域的云纹相对稀疏，应变相对较小。 (2)在齿底角部和冲头根部没有云纹，说明这些区域可能是刚性区或粘滞区。 (3)由于分流面左右部分不对称，云纹在整体上也不对称，但在一些局部对称区域如冲头端面及凹模顶杆外缘附近，云纹较对称，说明这些区域的变形体位移和应变较对称。 (4)在冲头附近区域，场云纹和场云纹基本上和基准栅栅线平行，说明这些区域主要存在正应变。其它区域云纹基本上与基准栅栅线斜交，说明正应变和剪应变均有一定的量值。 (5)各级云纹在顶杆顶部外缘处(r15mm)

7、汇集，形成放射状云纹，说明此处的金属变形流动十分激烈，存在应变集中现象，其应变源集中在云纹射线的中心。从实际情况看，是因为有少量金属从此处凹模芯和顶杆间的结合缝隙中挤出。 (6)冲头圆角处、顶杆外缘和齿部小凸包等区域是位移速度的“奇异点”，各种不同的流动速度均在此处汇合。 2.位移速度场 由图512所示位移速度场曲线可知： (1)变形金属径向位移速度是这样分布的：其方向一直与r轴相同，其值在锻件中心处为零，然后沿r轴正向逐渐增大，在某处达到最大后，又转而递减，直到在凹模壁处减小到再次为零为止。取得最大值的区域分布在冲头圆角(r=910mm,z4.35mm)、冲头侧壁和凹模壁之间(r1820mm，z4.35mm)等处。不过由于坯料被剖分贴密栅片，金属流到凹模壁处有少许被挤入缝隙，稍大于零。 (2)轴向位移速度作者：南昌大学 陈泽中 林治平 连书勤              &#