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圆柱直齿轮精锻成形工艺试验及数值模拟研究

作　者: 刘霞
导　师: 谭险峰
学　校: 南昌航空大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 圆柱直齿轮精锻工艺试验数值模拟积极摩擦作用凹模形式
分类号: TG61
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

圆柱直齿轮作为广泛应用的典型机械传动零件,其精锻成形工艺是一种先进的齿轮加工技术,具有机械性能好、生产效率高、节约材料、精度和表面质量好等诸多优点,适应高效、精密、绿色清洁的21世纪先进制造技术的发展趋势,逐渐成为未来齿轮加工变革的主要方法之一。本文针对目前直齿轮精锻成形工艺中存在齿形充填困难和成形载荷大两个主要问题,依据积极摩擦和约束分流基本原理,以齿数为18,模数为2.5的带孔小齿轮为研究对象,采用物理试验和数值模拟相结合的方法,分别对实心坯料和空心坯料下圆柱直齿轮精锻成形工艺进行了深入研究。物理试验结果表明,积极摩擦作用不仅有利于降低实心坯料直齿轮精锻成形的成形力,还能得到良好的充填效果;而空心坯料无论有无积极摩擦,齿轮充填效果都较好,且对成形力的影响也较小。同时通过对比分析各种方案下的齿轮成形效果和最终载荷的大小,提出了比较优化的工艺方案:若使用实心坯料,当冲孔连皮的位置在齿轮件的中上部位时,齿轮成形较好,为最佳连皮位置;若使用空心坯料,采用“浮动凹模+小芯棒约束分流”方式,坯料尺寸为Φ38 mm×Φ16 mm×27.3 mm充填性最好,成形力最小;采用“固定凹模+凸缘分流”方式,坯料尺寸为Φ38 mm×Φ18 mm×25.7 mm充填性最好,成形力最小。基于DEFORM-3D商用有限元仿真软件,采用与试验条件相一致的工艺及参数设置,建立了各种方案下的圆柱直齿轮精锻成形工艺有限元模型,进行了数值求解,并同试验结果相比较,无论从齿轮成形效果还是力-行程曲线,可见两者均吻合较好,表明数值分析模型的建立是可行的,以此为基础,进一步模拟研究了直齿轮精锻成形过程金属流动规律和工艺参数对成形力的影响。分析表明,在充填较困难的区域(一般为齿轮的渐开线与齿根圆的过渡圆角处和齿顶上下角隙处),应力、应变、温度和成形力均较高;圆角半径、挤压速度和摩擦条件等工艺参数是影响齿轮最终成形力大小的主要因素,在实际生产中应慎重选择。最后,根据提出的优化方案和工艺参数,对钢质坯料下的直齿轮挤压成形过程也进行了仿真分析。模拟结果显示实心坯料和空心坯料下齿轮件成形效果均良好且载荷与行程的关系曲线与铅质坯料曲线变化趋势基本一致,为实际生产提供了可借鉴的依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-20
  1.1 引言  10-11
  1.2 圆柱直齿轮精锻成形工艺  11-16
    1.2.1 圆柱直齿轮精锻技术简介  11
    1.2.2 圆柱直齿轮精锻成形方法  11-12
    1.2.3 圆柱直齿轮精锻成形工艺研究概述  12-16
  1.3 塑性成形过程模拟分析方法及应用  16-18
    1.3.1 基本分析方法  16-17
    1.3.2 模拟分析方法在齿轮精锻中的应用  17-18
  1.4 本课题的主要研究内容  18-20
第2章圆柱直齿轮精锻成形试验方案及模具设计  20-30
  2.1 圆柱直齿轮精锻成形试验方案  20-24
    2.1.1 零件结构特点  20-21
    2.1.2 实心坯料精锻成形工艺  21-23
      2.1.2.1 固定凹模成形方式  21-22
      2.1.2.2 不同连皮位置的浮动凹模成形方式  22-23
      2.1.2.3 不同连皮厚度的浮动凹模成形方式  23
    2.1.3 空心坯料精锻成形工艺  23-24
      2.1.3.1 小芯棒约束分流成形方式  23-24
      2.1.3.2 凸缘分流成形方式  24
      2.1.3.3 浮动凹模下分流成形方式  24
  2.2 试验模具设计与加工  24-29
    2.2.1 试验材料及压力机的选择  25-26
      2.2.1.1 试验材料的选择  25
      2.2.1.2 压力机的选择  25-26
    2.2.2 试验模具设计  26-27
    2.2.3 关键零件的设计与加工  27-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章圆柱直齿轮精锻工艺物理模拟试验  30-46
  3.1 试验工艺条件  30-32
    3.1.1 坯料尺寸的确定  30-31
    3.1.2 试样的制备  31-32
    3.1.3 润滑剂的选择  32
  3.2 物理模拟试验过程  32-35
    3.2.1 试验装置  32-33
    3.2.2 试验工艺流程  33
    3.2.3 试验测量数据  33-35
  3.3 试验结果与分析  35-44
    3.3.1 实心坯料试验结果分析  35-40
      3.3.1.1 齿轮件成形效果分析  35-39
      3.3.1.2 力-行程曲线分析  39-40
    3.3.2 空心坯料试验结果分析  40-44
      3.3.2.1 齿轮件成形效果分析  40-43
      3.3.2.2 力-行程曲线分析  43-44
  3.4 本章小结  44-46
第4章圆柱直齿轮精锻工艺数值模拟研究  46-68
  4.1 模具的三维参数化建模  46-49
    4.1.1 渐开线齿轮成形原理  46-47
    4.1.2 实体模型的建立  47-49
  4.2 有限元模拟条件  49-53
    4.2.1 有限元模型的建立  49
    4.2.2 模拟流程  49-50
    4.2.3 模拟条件及参数的选择  50-53
  4.3 模拟结果与分析  53-67
    4.3.1 实心坯料数值模拟结果分析  54-61
      4.3.1.1 金属流动规律  54-55
      4.3.1.2 等效应力分布  55-56
      4.3.1.3 速度场分布  56-57
      4.3.1.4 温度场分布  57-58
      4.3.1.5 成形力影响因素分析  58-61
    4.3.2 空心坯料数值模拟结果分析  61-67
      4.3.2.1 金属流动规律  62-63
      4.3.2.2 等效应力分布  63-64
      4.3.2.3 速度场分布  64
      4.3.2.4 温度场分布  64-65
      4.3.2.5 成形力影响因素分析  65-67
  4.4 本章小结  67-68
第5章优化方案下钢质齿轮数值模拟研究  68-74
  5.1 数值模拟参数的设定  68-69
    5.1.1 材料的流动应力-应变曲线  68-69
    5.1.2 坯料和模具温度的确定  69
    5.1.3 其他模拟条件的设定  69
  5.2 实心坯料数值模拟结果分析  69-71
  5.3 空心坯料数值模拟结果分析  71-73
  5.4 本章小结  73-74
第6章结论与展望  74-77
  6.1 论文总结  74-75
  6.2 研究展望  75-77
参考文献  77-80
攻读硕士学位期间发表论文  80-81
致谢  81-82
附录A-模具装配图  82-83
附录B-模具零件图  83-86

圆柱直齿轮精锻成形工艺试验及数值模拟研究

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