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直齿轮冷精锻成形数值模拟分析与实验研究

作　者: 胡成亮
导　师: 刘全坤
学　校: 合肥工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 直齿轮挤压闭式锻造数值模拟
分类号: TG316
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文将无限多预成形连续成形的设计思想和分流原理结合起来,初步确定了直齿轮冷挤压成形工艺方案。该方案通过连续渐变的齿廓曲面迫使金属向齿顶方向逐步流动,减小了金属充填齿腔的阻力,从而可以在改善齿轮充填性的同时降低成形力。利用三维造型软件建立凹模型腔曲面,并通过模拟软件仿真齿轮挤压过程中的金属流动过程。模拟结果表明,齿腔充填饱满且无塌角缺陷。采用方案比较法,基于模具形状对传统的直齿轮闭式锻造成形方案进行改进。在多方案比较时,采用二维模拟的方法,节省了计算时间,降低了计算成本。简单地探讨了成形过程中的金属流动规律,认为径向流动速度分布可以作为设计方案的评价标准。最终得到一种合理可行的改进方案,即将凸模端面设计成“～”形,凹模型腔底面设计成“～”形,对齿轮成形有利。通过对三维数值模拟实施过程中几何建模、接触、网格自适应和重划分等关键技术问题的处理,顺利完成传统方案和改进方案的模拟。由两方案的数值模拟结果对比可知:改进方案的应力应变及径向流动速度分布均匀;改进方案的成形效果好,克服了齿轮上下角隅充填不满的缺陷,同时降低了成形力及能耗。实验结果和模拟结果具有良好的一致性,从而进一步证明本文所提出的改进方案是合理可行的。

全文目录

第一章绪论  14-18
  1．1 引言  14
  1．2 直齿轮冷精锻技术的现状  14-16
    1．2．1 变形规律分析  15
    1．2．2 工艺和模具设计  15-16
    1．2．3 质量和精度控制  16
  1．3 直齿轮冷精锻技术存在的主要问题  16-17
  1．4 课题来源及研究内容  17-18
    1．4．1 课题来源  17
    1．4．2 研究内容  17-18
第二章塑性成形模拟及其基本分析方法  18-21
  2．1 塑性成形工艺特点  18-19
    2．1．1 多种成形工艺并存  18
    2．1．2 变形行为复杂  18-19
  2．2 塑性成形模拟分析的一般流程  19
  2．3 塑性成形模拟的基本分析方法  19-20
    2．3．1 基本分析方法简介  19-20
    2．3．2 有限单元法的优点  20
  2．4 体积成形特点及模拟软件简介  20-21
    2．4．1 体积成形特点  20
    2．4．2 模拟软件 MSC．Spuerform简介  20-21
第三章刚塑性有限元理论基础  21-24
  3．1 刚塑性材料的基本假设  21
  3．2 刚塑性材料的边值问题  21-22
  3．3 刚塑性材料的变分原理  22-23
    3．3．1 理想刚塑性材料的变分原理  22
    3．3．2 刚塑性材料不完全广义变分原理  22-23
  3．4 刚塑性有限元法求解过程  23-24
第四章直齿轮成形工艺方案的确定  24-35
  4．1 成形方案1(冷挤压)  24-29
    4．1．1 无限多预成形连续成形的设计思想  24-25
    4．1．2 分流原理及其方法  25-27
      4．1．2．1 分流基本原理  25-26
      4．1．2．2 分流基本方法  26-27
    4．1．3 相似成形  27-28
    4．1．4 齿轮冷挤压工艺方案的初步设计  28-29
  4．2 成形方案2(闭式锻造)  29-35
    4．2．1 设计方案的比较  29-34
      4．2．1．1 方案比较的思路  29
      4．2．1．2 方案比较的方法  29-31
      4．2．1．3 四种方案的比较  31-33
      4．2．1．4 方案比较的结果  33-34
    4．2．2 改进方案的力学分析  34-35
第五章三维数值模拟实施中的关键问题处理  35-46
  5．1 几何建模与模型转换  35-38
    5．1．1 直齿轮的三维参数化设计  35-37
    5．1．2 直齿轮挤压方案有限元模型的建立  37-38
    5．1．3 直齿轮闭式锻造方案有限元模型的建立  38
  5．2 坯料的网格划分  38-40
    5．2．1 六面体单元和四面体单元  38
    5．2．2 网格的数量和质量  38-39
    5．2．3 半自动网格生成方法  39-40
  5．3 材料参数的定义  40-41
  5．4 接触处理  41-42
    5．4．1 接触问题的描述方法  41-42
    5．4．2 接触体的具体定义  42
  5．5 网格自适应与重划分  42-44
    5．5．1 网格自适应技术  42-43
    5．5．2 网格重划分技术  43-44
      5．5．2．1 四面体网格重划分的准则  43-44
      5．5．2．2 网格局部细化技术的应用  44
  5．6 求解方法  44-46
    5．6．1 更新的拉格朗日法和欧拉法  44-45
    5．6．2 非线性方程组的求解及收敛控制  45
    5．6．3 求解器的选择  45-46
第六章直齿轮成形的数值模拟结果分析  46-55
  6．1 直齿轮挤压数值模拟结果分析  46-49
    6．1．1 应变场分析  46-48
    6．1．2 速度场分析  48-49
    6．1．3 摩擦力分析  49
  6．2 直齿轮锻造数值模拟结果分析  49-55
    6．2．1 应力场对比  50-51
    6．2．2 应变场对比  51-52
    6．2．3 速度场对比  52-53
    6．2．4 位移场对比  53
    6．2．5 成形效果对比  53
    6．2．6 成形力能对比  53-55
第七章直齿轮闭式锻造实验研究及结果分析  55-59
  7．1 实验目的  55
  7．2 试样制备  55
  7．3 实验模具设计与加工  55-57
    7．3．1 简易模具设计  55-56
    7．3．2 简易模具加工  56-57
  7．4 实验过程  57-58
  7．5 实验结果与数值模拟结果的对比分析  58-59
    7．5．1 成形效果的对比分析  58
    7．5．2 成形力的对比分析  58-59
第八章结束语  59-61
  8．1 完成主要的工作及结论  59-60
  8．2 研究展望  60-61
参考文献  61-64
硕士期间发表论文及参与的科研项目  64

直齿轮冷精锻成形数值模拟分析与实验研究

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