齿轮轴热锻组织与流动形态模拟及模具磨损分析

论文摘要

齿轮轴是机械传动中不可或缺的部件之一,具有传动效率高、结构紧凑和使用寿命长等一系列优点。传统的齿轮轴的切削加工生产方式已逐步被精密锻造成形工艺取代,并取得了良好的效果。根据齿轮轴的工况要求,在锻造生产中提高齿轮轴锻件的力学性能与尺寸精度是改进产品质量的重要手段。锻造过程中,在保证齿轮轴锻件成形性的前提下,研究内部组织形态的变化,并改进工艺方案以获得更加均匀细小且分布合理的微观组织,是提高锻件性能的有效措施。同时,减小锻造过程中模具磨损,也是提高锻件精度,节约模具成本的重要方法。本文应用三维有限元数值模拟技术研究齿轮轴的精锻成形,获得了变形过程中的流动规律,温度变化,应力应变等参数,并且通过结合不同的模型计算,得到了齿轮轴锻件内部微观组织与成形模具磨损的分布,并提出工艺改进方法。对单工步及多工步成形方案进行模拟,基于Yada动态再结晶理论公式,分析坯料初始温度、压下速度及摩擦系数等因素对热锻过程中的锻件内部再结晶的影响规律,比较了不同成形方案的内部组织演化过程。使用Deform软件中Flownet功能,模拟不同工艺条件锻造流线分布。为改善成形中材料流动均匀性,提出局部控温工艺,并分析了控温后的材料流动形态。基于改进后的Archard模型磨损公式,对Defrom软件二次开发,分析不同工艺下齿轮轴热锻模具的影响,同时模拟了采用浮动模结构的工艺过程,得出浮动模移动速度对模具磨损的影响规律。综合比较,齿轮轴热锻多工步成形在改善组织分布、流线形态及模具磨损方面比单工步成形取得了更理想的效果。根据数值分析结果,进行齿轮轴热锻成形实验,选取内部材料分析金相组织,并制作锻造流线样本,对比模拟结果,验证了数值模拟结果的可靠性。在数值模拟和实验研究的基础上,对实用化工艺提出指导建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 精密锻造概述
• 1.2 齿轮轴精密锻造
• 1.2.1 齿轮轴精密锻造介绍
• 1.2.2 齿轮轴精密锻造工艺方法
• 1.2.3 齿轮及齿轮轴精密锻造研究进展
• 1.2.4 齿轮轴精密锻造存在问题
• 1.3 课题的提出
• 1.3.1 问题提出
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究方法与技术路线
• 第二章 热锻组织模拟与磨损分析基础理论
• 2.1 有限元方法
• 2.1.1 有限元基础理论
• 2.1.2 Deform有限元分析软件简介
• 2.2 热锻微观组织模拟方法
• 2.2.1 晶粒尺寸与性能的关系
• 2.2.2 金属热锻微观组织演变
• 2.2.3 微观组织模拟研究进展
• 2.2.4 齿轮轴热锻组织模拟
• 2.3 热锻过程中模具磨损理论
• 2.3.1 热锻模具磨损研究现状
• 2.3.2 Deform-3D模具磨损模拟方法
• 2.4 小结
• 第三章 齿轮轴热锻成形微观组织模拟分析
• 3.1 圆柱热镦粗成形组织模拟与实验验证
• 3.1.1 圆柱热镦粗成形组织模拟
• 3.1.2 圆柱热镦粗实验
• 3.2 研究模型确定及三维建模
• 3.3 齿轮轴单工步成形组织演化模拟
• 3.3.1 坯料形状对再结晶影响
• 3.3.2 成形过程中工艺条件的影响
• 3.4 多工步成形过程组织模拟分析
• 3.5 单工步与多工步成形组织形态对比
• 3.6 小结
• 第四章 齿轮轴热锻过程材料流动分析
• 4.1 齿轮轴成形流动形态模拟
• 4.1.1 Deform-3D流动形态模拟介绍
• 4.1.2 单工步成形流动形态模拟
• 4.1.3 多工步成形流动状态模拟
• 4.2 局部控温成形流动过程分析
• 4.2.1 不同位置局部降温成形模拟
• 4.2.2 不同范围局部降温成形模拟
• 4.3 小结
• 第五章 齿轮轴热锻成形模具磨损分析
• 5.1 单步成形与多工步成形锻造过程模具磨损对比
• 5.2 浮动模结构成形过程磨损分析
• 5.3 浮动结构模具在多工步成形中的应用
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表