螺旋伞齿轮毛坯锻造成形数值模拟

论文摘要

螺旋伞齿轮是一类齿形复杂的齿轮,具有传动效率高、传动比稳定、承载能力高等特点,被广泛应用于汽车、航空航天、工程机械等行业领域。作为机械装备业的核心零部件,螺旋伞齿轮的制造水平一定程度上代表了一个国家机械装备业的发展水平。目前,我国螺旋伞齿轮的生产大部分还是依靠传统的“热锻造+机加工”的方式。如何在现有生产设备的基础上提高生产效率和齿轮的制造质量是企业非常关心的问题。本文的研究内容正是基于了企业的这种需求。本文提出了齿轮毛坯锻造过程数值模拟的多步分析方法,运用有限元软件DEFORM-3D分别对主动螺旋伞齿轮毛坯的拔长过程、模锻过程和对从动螺旋伞齿轮毛坯的镦粗过程、模锻过程进行了多步分析。得到了主、从动螺旋伞齿轮毛坯锻造成形过程中的金属流动规律,得到了锻造过程中应力、应变和温度随时间的变化曲线,得到了毛坯终锻时的应力、应变和温度分布,得到了锻造过程的行程-载荷曲线和迭代步-能耗曲线等数据。结果表明,锻造成形过程中金属材料在阶梯处流动较困难,导致毛坯锻造过程中和终锻时阶梯处出现大的应力、应变和高的温度。本文研究了模具结构、始锻温度和摩擦系数对锻造成形效果的影响。对模具结构进行了改进,数值模拟了模具结构改进后的锻造过程,对比了模具结构改进前后毛坯终锻时的应力、应变和温度分布。结果表明,对模具结构进行合理地改进能有效改善材料的成形效果,数值模拟结果可为模具结构设计与改进提供指导。数值模拟了始锻温度分别为1000℃、1050℃和1100℃,摩擦系数分别为0.3和0.7时的锻造过程,对比了不同始锻温度和摩擦系数下毛坯终锻时的应力应变、行程-载荷曲线和迭代步-能耗曲线。结果表明,在1000℃-1100℃范围内,当始锻温度越高,摩擦系数越小时,毛坯终锻时的应力应变也越小,温度越低,成形载荷越小,锻造能耗越少,成形效果越好。针对主动螺旋伞齿轮毛坯拔长工步中由于自由锻拔长工艺而引起的锻件弯曲的问题,提出了采用挤压成形方法来拔长棒料。运用DEFORM-3D对挤压成形过程进行了数值模拟,得到了挤压成形后坯料的形状、应力应变和温度分布等数据,并结合模锻过程进行了多步分析。挤压成形方法解决了锻件弯曲问题,但挤压成形方法存在生产效率低和能耗大的问题,本文又提出了旋压成形方法。设计了一个旋压装置以用于旋压成形,运用SOLIDWORKS软件对旋压装置进行了几何建模,并运用有限元软件ABAQUS对旋压成形过程进行了数值模拟,得到了旋压成形后坯料的形状、应力云图和应变云图等数据,验证了使用旋压成形方法代替自由锻拔长的可行性。将旋压成形的能耗与挤压成形的进行了对比,旋压成形比挤压成形节省能量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 齿轮锻造的国内外研究概况
• 1.3 数值模拟技术在齿轮锻造中的应用
• 1.4 课题来源、研究意义和研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究意义
• 1.4.3 研究内容
• 第二章 锻造成形数值模拟相关理论知识
• 2.1 塑性力学的基本假设
• 2.2 两个屈服准则
• 2.2.1 屈雷斯加屈服准则
• 2.2.2 米赛斯屈服准则
• 2.3 刚塑性有限元法
• 2.3.1 刚塑性有限元法基本方程
• 2.3.2 刚塑性有限元法变分原理
• 2.4 模拟软件介绍
• 2.4.1 DEFORM-3D简介
• 2.4.2 ABAQUS简介
• 2.5 本章小结
• 第三章 从动螺旋伞齿轮毛坯锻造过程数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 镦粗过程数值模拟
• 3.2.1 几何模型建立
• 3.2.2 有限元模型建立
• 3.2.3 镦粗成形过程金属流动规律
• 3.2.4 镦粗后数值模拟结果分析
• 3.3 模锻过程数值模拟
• 3.3.1 模锻模具几何模型建立
• 3.3.2 模锻过程有限元模型建立
• 3.3.3 模锻成形过程金属流动规律
• 3.3.4 终锻时等效应力分析
• 3.3.5 终锻时等效应变分析
• 3.3.6 终锻时温度分析
• 3.4 锻造过程中应力应变和温度随时间变化分析
• 3.5 锻造总过程行程-载荷曲线分析
• 3.6 数值模拟结果与实物对比分析
• 3.7 模具结构对成形效果的影响
• 3.7.1 模具改进后应力分析
• 3.7.2 模具改进后应变分析
• 3.7.3 模具改进后温度分析
• 3.7.4 模具改进前后行程-载荷曲线分析
• 3.7.5 模具改进前后行程-能耗曲线分析
• 3.8 始锻温度和摩擦系数对成形效果的影响
• 3.8.1 不同条件下的等效应力应变分布
• 3.8.2 不同条件下的行程-载荷曲线
• 3.9 锻造能耗与始锻温度的关系
• 3.10 本章小结
• 第四章 主动螺旋伞齿轮毛坯锻造过程数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 拔长成形方法
• 4.3 挤压过程数值模拟
• 4.3.1 几何模型建立
• 4.3.2 有限元模型建立
• 4.3.3 挤压成形过程金属流动规律
• 4.3.4 挤压后数值模拟结果分析
• 4.4 模锻过程数值模拟
• 4.4.1 模具几何模型建立
• 4.4.2 模锻过程有限元模型建立
• 4.4.3 模锻成形过程金属流动规律
• 4.4.4 终锻时等效应力分析
• 4.4.5 终锻时等效应变分析
• 4.4.6 终锻时温度分析
• 4.5 锻造过程中应力应变和温度随时间变化分析
• 4.6 成形总过程迭代步-载荷曲线分析
• 4.7 模具结构对成形效果的影响
• 4.7.1 模具改进后数值模拟结果分析
• 4.7.2 模具改进前后迭代步-载荷曲线分析
• 4.7.3 模具改进前后迭代步-能耗曲线分析
• 4.8 始锻温度和摩擦系数对成形效果的影响
• 4.8.1 不同条件下的等效应力应变分布
• 4.8.2 不同条件下的迭代步-能耗曲线
• 4.9 本章小结
• 第五章 旋压装置设计及数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 旋压装置设计
• 5.2.1 旋压装置几何模型及组成
• 5.2.2 旋压装置工作原理
• 5.3 旋压过程数值模拟
• 5.3.1 旋压模型的简化
• 5.3.2 模拟软件的选用
• 5.3.3 有限元模型的建立
• 5.3.4 模拟结果分析
• 5.4 旋压成形和挤压成形能耗对比
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文
• 致谢