圓柱螺旋齒精密成形規(guī)律與工藝優(yōu)化的研究.pdf

1、圓柱螺旋齒輪因其重合度大、嚙合性好、傳動(dòng)平穩(wěn),是機(jī)械行業(yè)中重要的傳動(dòng)零件,在汽車、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。目前,圓柱螺旋齒輪仍然是采用傳統(tǒng)的切削加工方法來生產(chǎn)制造,材料利用率低,產(chǎn)品成本高,金屬纖維被切斷而使齒輪強(qiáng)度降低,難以滿足社會(huì)生產(chǎn)的需求。而齒輪的精密成形工藝因其材料利用率高、生產(chǎn)率高、精度高、成本低、產(chǎn)品性能好而越來越受到人們的重視。圓柱螺旋齒輪的精密成形是多因素耦合非常復(fù)雜的成形工藝,由于因其結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,在成形過程中

2、,變形抗力大,齒輪角隅部分難以充滿、材料的塑性流動(dòng)復(fù)雜、產(chǎn)品的質(zhì)量難以控制。本文利用分流的原理,提出了孔分流的閉式鐓擠工藝成形圓柱螺旋齒輪。利用有限元模擬技術(shù)對(duì)圓柱螺旋齒輪的冷、溫精密成形過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,主要內(nèi)容和研究成果如下:
　　 (1)根據(jù)螺旋齒輪的漸開線的特點(diǎn),基于Pro／EWildfire環(huán)境,將其漸開線方程在直角坐標(biāo)系進(jìn)行參數(shù)化,然后結(jié)合參數(shù)化命令和關(guān)系式命令,建立齒輪的參數(shù)化模型。并且通過反算的方法,以參數(shù)化

3、的齒輪為基礎(chǔ),利用MOLD／DESIGN模塊獲得了齒輪型腔的幾何模型,以提高造型的精度和效率。
　　 (2)基于剛粘塑性理論,通過解決建立有限元模型時(shí)的表面單元數(shù)的確定、網(wǎng)格的細(xì)化及重畫技術(shù)的確定、邊界條件、模擬步長(zhǎng)、迭代算法等關(guān)鍵技術(shù)在DEFORM-3D軟件中建立了圓柱螺旋齒輪的冷、溫精密成形的三維有限元模型。分析了不同的分流孔徑、成形速度、摩擦系數(shù)對(duì)齒輪成形過程的影響。研究結(jié)果表明:選擇適當(dāng)?shù)姆至骺讖娇梢越档统尚屋d荷；摩擦因

4、子越大成形力越大,坯料等效應(yīng)力的分布變得不均勻,齒頂?shù)牡刃?yīng)變?cè)龃螅怀尚嗡俣葘?duì)齒輪的成形力、等效應(yīng)變的分布影響不大,但隨著速度的增大,坯料的等效應(yīng)力分布不均勻性增大。
　　 (3)提出了基于Taguchi的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和有限元模擬相結(jié)合的優(yōu)化技術(shù),以分流孔徑、摩擦因子、成形速度為影響因素,以最大成形力、變形均勻性、鍛件內(nèi)部的損傷值為優(yōu)化目標(biāo),通過信噪比(S／Nratio)分析和方差分析(ANOVA),確定了影響各優(yōu)化目標(biāo)的主要因

5、素。為了得到綜合性能較好的終鍛件,利用線性加權(quán)和的方法進(jìn)行了多目標(biāo)的優(yōu)化,得到了最佳的成形工藝參數(shù)組合方案。
　　 (4)以優(yōu)化的組合參數(shù)方案為研究對(duì)象,揭示了圓柱螺旋齒輪冷精密成形過程中金屬流動(dòng)的速度場(chǎng)、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、鍛件內(nèi)部的最大損失值的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明:在整個(gè)成形的過程中,坯料的流動(dòng)速度、等效應(yīng)力與等效應(yīng)變均隨著變形的進(jìn)行而增加；由于分流孔的存在,在坯料的分流孔與齒根之間形成一個(gè)分流面,材料一部分作向心運(yùn)動(dòng)閉合

6、分流孔,另一部分作離心運(yùn)動(dòng)充填齒形；等效應(yīng)變沿周向分布均勻,沿徑向和軸向分布均不均勻；最大等效應(yīng)變位于坯料凹齒面齒根的中間區(qū)域以及分流孔靠近底部區(qū)域。等效應(yīng)力在軸向和周向分布較均勻,齒頂上端部的等效應(yīng)力略大于齒根處。在終成形的齒輪零件上,最大損傷值位于齒頂?shù)纳隙恕?br>　　 (5)對(duì)圓柱螺旋齒輪的溫成形過程進(jìn)行了三維熱力耦合數(shù)值模擬,獲得了坯料溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、等效應(yīng)力場(chǎng)、等效應(yīng)變場(chǎng)的分布,以及載荷一行程曲線,揭示了圓柱螺旋齒輪的溫精

7、密成形規(guī)律。研究結(jié)果表明:在圓柱螺旋齒輪溫鍛成形過程中,隨著模具下壓量的增大,坯料的溫度會(huì)升高,齒頂是變形最劇烈的部位,也是高溫度區(qū)；隨著摩擦因子的增大,坯料表面的最高溫度先升后降；隨上模下壓速度增加,齒頂?shù)淖罡邷囟纫约芭c模具接觸的坯料表面的最低溫度單調(diào)升高；提高模具預(yù)熱溫度,可以減弱冷卻導(dǎo)致的溫度下降;隨著坯料變形溫度的升高,成形力和最大等效應(yīng)力減?。浑S著壓下量的增加,坯料的流動(dòng)速度由齒根向齒頂逐漸增大,在成形終了時(shí),僅僅溫度較高的齒