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汽车结合齿冷锻数值模拟与工艺研究

作　者: 曾德涛
导　师: 周杰
学　校: 重庆大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 结合齿轮闭式锻造分流锻造刚塑性有限元分布规律
分类号: TH132.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

齿轮作为一种重要的传动零件，在汽车、轮船、飞机、机床、精密仪器仪表等各类产品中广泛应用，特别是在汽车传动中，齿轮的用量高达几十件。随着汽车工业的不断发展，对齿轮性能的要求也不断提高，在几十年的发展中，汽车齿轮逐渐形成了以精密模锻为目标的生产模式，其中已有近一半的汽车齿轮可用精密模锻方式生产，如起动齿轮、星形齿轮、同步器齿环以及部分直齿轮等。精锻齿轮与传统机加工方法生产的齿轮相比，具有材料利用率高、齿轮机械性能好、生产效率高、节约能源、降低成本、环境污染小等优点，提高了产品的竞争力，创造了显著的经济与社会效益。结合齿是汽车变速箱中的重要传动零部件，但由于结合齿结构较复杂、成形极为困难，不能用传统的锻造一次成形，在精锻技术研究领域很少见到报导。在国外，德国和日本已有公司研发出结合齿轮的精锻成形工艺并用于生产，但由于技术保密，未见其发表论文。本文以实现结合齿的精密模锻为目标，采用经典塑性成形理论、有限元模拟的方法对结合齿分流锻造成形机理及应用技术进行研究。针对结合齿不能顺利出模的问题，将成形工艺分为两步，即先成形直齿，后再挤压倒锥。采用有限元数值模拟技术模拟了闭式精锻成形过程，研究了不同坯料对成形过程的影响，得到了金属流动的规律。阶梯状中空坯料成形，金属以径向充填为主，金属有回流现象，结合齿锁止角为最后充填区域，在齿形内端有折叠产生，成形载荷前期变化缓慢，后期变化剧烈。环状坯料成形，金属以轴向流动为主，充填顺序合理，整个过程载荷平缓增加，成形良好。但最终两者成形载荷都较大。采用分流锻造原理，对模具结构进行优化，使成形过程全以轴向挤压填充，同时也降低了成形载荷。分析了锻件尺寸对成形载荷的影响规律。内孔直径直接影响接触面积和金属自由流动的空间的变化，随着直径的增加，两者对成形载荷影响的主导地位不断变化，使得成形载荷先下降后又上升。随着圆角和齿形长度的增加，成形载荷分别呈现减小和增加的单一趋势。本文还分析了锻件的温度，应力，应变和损伤的分布情况。在成形过程中温度达200℃以上，最大值位于齿根圆角处。等效应力达800Mpa以上，主要分布在中间待变形区和齿形已变形区。等效应变在所选路径上呈波动状态，齿根圆上路径A呈单峰波动，齿顶圆上路径C双峰波动，总体而言路径A的等效应变比路径C的等效应变大，就各点而言，其等效应变在整个成形过程中都是不断增加的。锻件从齿形内端至外端其损伤总体均呈上升趋势，而且越靠近大端，损伤增长速度越快，齿顶圆处的损伤普遍大于齿根圆处的损伤。而在齿顶圆中间部位，由于挤压过程中材料的汇聚导致损伤值分布曲线上出现较小的波峰。本文采用有限元模拟辅助设计的方法开发新工艺，改变了以往完全依赖于设计者的经验来设计模具的局面、提高了模具设计的可靠性、缩短了产品开发的周期、节约开发成本、避免了可能产生的错误，有利于提高企业市场竞争力。本文所得结论及规律可应用于其他同类齿轮产品的优化设计，为新产品的开发及优化设计提供了有效的技术支持。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-13
  1.1 引言  9-10
  1.2 国内外结合齿倒锥加工的现状  10-11
    1.2.1 国内倒锥加工趋势及现状  10-11
    1.2.2 国外倒锥加工趋势及现状  11
  1.3 课题背景  11-12
  1.4 研究目的、内容及意义  12-13
    1.4.1 本课题研究内容  12
    1.4.2 本课题研究目的及意义  12-13
2 精密成形技术及刚塑性成形理论  13-21
  2.1 精密成形技术  13-16
    2.1.1 精密成形技术的内涵和基本类型  13-14
    2.1.2 精密成形技术的特点及应用  14-15
    2.1.3 精密成形技术的发展趋势  15-16
  2.2 刚塑性有限元基本理论  16-18
    2.2.1 刚塑性材料的基本假设  16
    2.2.2 刚塑性材料的边值问题  16-17
    2.2.3 刚塑性材料的变分原理  17-18
  2.3 体积成形数值模拟软件简介  18-20
    2.3.1 DEFORM 简介  18-19
    2.3.2 DEFORM 主要功能  19
    2.3.3 DEFORM 系统组成  19-20
  2.4 本章小结  20-21
3 结合齿工艺分析及数值模拟  21-35
  3.1 结合齿的功能与结构  21-22
  3.2 结合齿冷锻件的工艺分析  22-26
    3.2.1 结合齿主要的加工方法  22
    3.2.2 工艺流程的确定  22-23
    3.2.3 零件结构分析及冷锻件图的制定  23-24
    3.2.4 毛坯的尺寸计算及处理  24-25
    3.2.5 整体精锻工艺的研究目标  25-26
  3.3 初始工艺方案有限元数值模拟  26-33
    3.3.1 有限元模拟模型及参数设置  26-27
    3.3.2 模拟情况分析  27-33
    3.3.3 初始工艺方案的比较  33
  3.4 本章小结  33-35
4 工艺优化研究及倒锥成形  35-52
  4.1 引言  35
  4.2 模具结构的优化  35-38
  4.3 终锻件形状对成形载荷的影响  38-41
    4.3.1 内孔直径对成形载荷的影响  38-39
    4.3.2 圆角大小对成形载荷的影响  39-40
    4.3.3 齿形长度对成形载荷的影响  40-41
  4.4 摩擦条件对成形过程的影响  41-43
  4.5 成形过程中应力，应变和损伤的分布情况及分析  43-49
    4.5.1 成形过程中应力的分布情况及分析  43-44
    4.5.2 成形过程中应变的分布情况及分析  44-46
    4.5.3 成形过程中损伤的分布情况及分析  46-49
  4.6 倒锥成形模拟结果及分析  49-50
  4.7 本章小结  50-52
5 冷锻成形模具设计  52-57
  5.1 引言  52
  5.2 冷锻成形模具设计  52-54
    5.2.1 冷段模具的要求及设计要点  52-53
    5.2.2 结合齿模具设计  53-54
  5.3 倒锥成形模具设计  54-57
6 结论与展望  57-59
  6.1 结论  57-58
  6.2 展望  58-59
致谢  59-60
参考文献  60-63
附录  63
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  63

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