斜齿圆柱齿轮冷精密成形工艺及数值模拟研究

论文摘要

齿轮作为汽车的一个重要传动零件,近年来,随着汽车工业的迅速发展,对其生产已有更高的要求。目前,齿轮的主要加工方式仍然是切削加工或者先热锻,后机加工,这导致生产成本昂贵,效率低下。冷精锻齿轮与传统加工方法生产的齿轮相比,具有节约材料、机械性能好、生产效率高等优点,是当今齿轮特别是轿车齿轮生产的发展趋势。根据冷精锻齿轮技术的迅速发展和课题组承担的国家“十一五”科技支撑计划项目的需要,本文针对斜齿圆柱齿轮精锻工艺相关技术进行了研究。本文采用数值模拟和实验研究相结合的手段进行研究。利用三维造型软件PROE完成了渐开线斜齿圆柱齿轮的参数化CAD设计,模具的几何造型和模型的建立;介绍了刚塑性有限元法基本原理,并探讨了网格重分、体积变化、迭代收敛等实现有限元数值模拟中的关键技术。分析浮动凹模和中空分流法在齿轮冷锻成形过程中的作用,并在此基础上提出了双向可控镦挤成形新工艺,该工艺充分利用了浮动凹模和分流减压的原理,并把二者有效的结合起来,对降低成形载荷、提高充填性具有积极的作用。对斜齿轮的各种精锻成形工艺的成形过程进行了数值模拟分析,对不同工艺的齿形充填情况和成形载荷进行了比较分析,同时获得了变形过程中的等效应力应变分布情况、金属流动速度分布情况,定性地研究了成形过程中金属流动规律。最后对双向可控分流镦挤成形过程进行了实物实验,实验结果与数值模拟结果基本吻合,从而进一步验证了本文提出的双向可控分流镦挤成形方案是合理可行的,这对于今后同类齿轮成形有重要的现实意义和推广价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 精密成形技术简介
• 1.2 课题的背景和意义
• 1.2.1 传统齿轮制造方法
• 1.2.2 齿轮精密锻造的优点
• 1.2.3 齿轮精锻效益分析
• 1.3 国内外齿轮精锻技术研究现状
• 1.3.1 国内外齿轮精锻技术研究现状
• 1.3.2 国内外斜齿圆柱齿轮精锻技术研究现状
• 1.3.3 国内外圆柱齿轮精锻技术目前存在的问题
• 1.4 数值模拟技术研究与应用现状
• 1.5 本课题来源和研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 主要研究内容
• 第二章 刚塑性有限元法的基本原理及其关键技术
• 2.1 刚塑性有限元法基本理论
• 2.1.1 刚塑性材料的基本假设
• 2.1.2 刚塑性材料的边值问题
• 2.2 刚塑性有限元法变分原理
• 2.2.1 理想刚塑性材料的变分原理
• 2.2.2 一般刚塑性材料不完全广义变分原理
• 2.3 刚塑性有限元求解过程
• 2.4 实现有限元数值模拟的关键技术
• 2.4.1 非线性迭代收敛判据的确立
• 2.4.2 摩擦边界条件的处理
• 2.4.3 模拟中材料体积损失问题的讨论
• 2.4.3.1 模拟中材料的体积损失问题
• 2.4.3.2 影响体积损失的因素
• 2.4.3.3 体积变化的控制方法
• 2.4.4 模拟中网格畸变判据及网格重分
• 2.4.4.1 网格畸变及重分判据
• 2.4.4.2 新网格系统的生成
• 2.4.4.3 频繁网格重划分的防止措施
• 2.5 小结
• 第三章 标准渐开线斜齿圆柱齿轮几何造型和DEFORM-3D数值模拟建模
• 3.1 Pro/Engineer软件简介
• 3.2 渐开线斜齿圆柱齿轮齿廓构成及相关尺寸计算
• 3.2.1 渐开线斜齿圆柱齿轮齿廓构成
• 3.2.2 渐开线齿形参数计算
• 3.3 斜齿轮的精确建模
• 3.3.1 理论依据及实现方式
• 3.3.2 设置参数和定义关系
• 3.3.3 绘制斜齿轮的渐开线
• 3.3.3.1 渐开线的形成及其数学关系
• 3.3.3.2 渐开线的绘制
• 3.3.4 绘制端面齿廓的扫描路径螺旋线
• 3.3.5 绘制过渡曲线
• 3.3.6 斜齿轮三维模型的形成
• 3.4 DEFORM-3D数据输入
• 3.5 小结
• 第四章 斜齿轮成形工艺方案理论分析
• 4.1 圆柱齿轮冷锻成形工艺简介
• 4.2 分流减压原理
• 4.3 浮动凹模原理
• 4.4 齿轮成形效果因素分析
• 4.4.1 摩擦力的影响
• 4.4.2 金属各部分之间的关系对塑性流动的影响
• 4.4.3 模具形状对金属流动的影响
• 4.5 双向可控分流镦挤成形工艺
• 4.6 小结
• 第五章 斜齿圆柱齿轮冷锻过程数值模拟分析
• 5.1 有限元模拟软件DEFORM-3D
• 5.1.1 Deform简介
• 5.1.2 Deform-3D的系统结构
• 5.2 不同工艺数值模拟分析
• 5.2.1 传统的闭式模锻工艺
• 5.2.2 浮动凹模成形工艺
• 5.2.3 分流成形工艺
• 5.2.4 约束孔分流成形工艺
• 5.2.5 双向可控分流镦挤成形工艺
• 5.2.5.1 双向可控压力分流镦挤成形工艺
• 5.2.5.2 双向可控距离分流镦挤成形工艺
• 5.2.5.3 双向可控速度分流镦挤成形工艺
• 5.3 小结
• 第六章 实验研究及结果分析
• 6.1 实验目的
• 6.2 实验条件
• 6.2.1 模拟材料选择
• 6.2.2 试样的制作及润滑
• 6.2.3 实验设备及实验模具
• 6.3 实验方案
• 6.4 实验结果分析
• 6.4.1 成形过程、成形效果分析
• 6.4.2 成形力的对比分析
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 完成的主要工作及结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢