畢業(yè)論文_錐齒環(huán)精鍛成形工藝

1、第1章 緒論1.1 研究來(lái)源本課題所研究的對(duì)象是錐齒環(huán)精鍛成形工藝。來(lái)源于東風(fēng)汽車公司變速箱有限公司的輕型車變速箱中的二檔同步器錐齒環(huán)精鍛的要求。目標(biāo)是采用精鍛成形工藝精鍛出該錐齒環(huán)的齒形，取代目前的普通開(kāi)式模鍛制坯和齒形的部分或全部切削加工工藝，提高零件的綜合性能，節(jié)材節(jié)能，節(jié)省機(jī)電加工費(fèi)用，降低成本。21 世紀(jì)是信息的時(shí)代,計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將滲透到社會(huì)生活的各個(gè)方面,包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造過(guò)程。在這個(gè)背景下,利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界的技術(shù)將得到充分的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展和對(duì)塑性成形規(guī)律的深入研究，塑性加工過(guò)程的有限元模擬技術(shù)近年來(lái)取得了很大的進(jìn)展。通過(guò)模擬，不僅能獲得塑性

2、加工過(guò)程中工件和模具的位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，還能預(yù)測(cè)工件微觀組織和性能的變化。利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)將這些分析結(jié)果直觀地呈現(xiàn)在研究設(shè)計(jì)人員面前，使他們能通過(guò)研究虛擬的塑性成形過(guò)程來(lái)檢驗(yàn)工件的最終形狀、尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求，是否會(huì)產(chǎn)生折疊、裂紋和充不滿等缺陷,根據(jù)金屬微觀組織的變化預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用性能；還能根據(jù)模具的受力狀況校核其強(qiáng)度、剛度，預(yù)測(cè)模具的磨損,確定壓力機(jī)壓下量的補(bǔ)償值等。通過(guò)對(duì)塑性加工過(guò)程的模擬,可以在塑性加工工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)初步方案完成后立即對(duì)其可行性進(jìn)行檢驗(yàn),并提供修改方案所需的詳盡資料。經(jīng)模擬檢驗(yàn)后,再完成詳細(xì)設(shè)計(jì)并進(jìn)行模具制造。這樣，就能從根本上改變以往由于缺

3、乏對(duì)塑性加工過(guò)程的科學(xué)分析手段而只能憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模具,通過(guò)反復(fù)的工藝試驗(yàn)修改模具和工藝參數(shù)的狀況，極大地降低了生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品交貨期。 加工過(guò)程模擬與人工智能技術(shù)相結(jié)合,將成為塑性加工中設(shè)計(jì)和制造智能化的有力工具。塑性加工過(guò)程模擬在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入實(shí)用階段,如美國(guó)三大汽車公司在汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)制造中，都要求在設(shè)計(jì)完成后必須經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬檢驗(yàn)，才能投入試驗(yàn)軟模的制造。這樣可以大大節(jié)省制造試驗(yàn)軟模的昂貴費(fèi)用和試驗(yàn)周期，其經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。基于有限元法的數(shù)值模擬仿真技術(shù)已有幾十年的歷史，數(shù)值模擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為塑性加工領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，它將對(duì)金屬塑性成形技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作

4、用。精鍛工藝屬于金屬塑性加工的先進(jìn)工藝，具有生產(chǎn)率高、節(jié)約原材料、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，精鍛技術(shù)也取得了巨大的進(jìn)步。本文中先利用模具Pro/E技術(shù)對(duì)錐齒環(huán)進(jìn)行三維實(shí)體建模，并進(jìn)行翻模、修改模具，然后應(yīng)用精鍛理論、數(shù)值模擬仿真技術(shù)等對(duì)錐齒環(huán)的成形工藝過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真分析。研究了金屬在成形過(guò)程中各種場(chǎng)變量的變化，預(yù)測(cè)金屬流動(dòng)趨勢(shì)，優(yōu)化其成形工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)，利用模擬優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，并將數(shù)值模擬結(jié)果與生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，提出了改進(jìn)措施。通過(guò)本課題的研究，將精鍛理論，數(shù)值模擬仿真技術(shù)及模具 CAD/CAM 技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期

5、、提高模具壽命、降低成本等目的。對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，21世紀(jì)的競(jìng)爭(zhēng)核心將是新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，正是贏得這一競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。為了提高錐齒環(huán)的綜合機(jī)械性能和使用壽命，達(dá)到節(jié)能降耗、降低成本的目的，擬采用基于剛粘塑性有限元法的數(shù)值模擬仿真技術(shù)對(duì)其成形過(guò)程進(jìn)行研究。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和預(yù)測(cè)1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀精密成形技術(shù)是第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)而發(fā)展起來(lái)的一種少無(wú)切削的新工藝。精密成形技術(shù)是指零件成形后，僅需少量加工或不再加工（近凈成形技術(shù)或凈成形技術(shù)），就可用作機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)。全國(guó)的地方鍛造廠、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了一些采用精密成形技

6、術(shù)，生產(chǎn)附加值高的精密鍛件的鍛造廠。這些廠設(shè)備先進(jìn)，大多引進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)，并擁有先進(jìn)的模具制造設(shè)備。但是，精密成形技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用范圍、所達(dá)到的精度等級(jí)，在汽車(尤其是輕、轎)鍛件中所占比例，工藝、設(shè)備及其配套技術(shù)方面，與汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比有很大差距。在轎車、輕型車的高精度鍛件方面，生產(chǎn)工藝、裝備及所產(chǎn)鍛件能達(dá)到轎車、輕型車要求的，為數(shù)不多。轎車國(guó)產(chǎn)化，都面臨著轎車高精度鍛件的精化攻關(guān)。國(guó)外汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，采用精密成形技術(shù)生產(chǎn)的汽車鍛件占有很大的比重，水平最高，研究開(kāi)發(fā)出節(jié)能節(jié)材、精化鍛件、減少和代替切削加工的許多專用技術(shù)、設(shè)備、模具裝置、模具制造技術(shù)等等，包括許多專用成套技術(shù)和專利技術(shù)

7、。近年來(lái),錐齒環(huán)的制造技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：采用新型材料,采取新型成型工藝設(shè)備，但由于材料成本較高，成形工藝復(fù)雜，因此所生產(chǎn)零件的成本相對(duì)較高。1.2.2 新領(lǐng)域的發(fā)展從七十年代初劃開(kāi)始，計(jì)算機(jī)在體積成形中的應(yīng)用日益增加。迄今為止，其應(yīng)用還局限于少數(shù)制件的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)。諸如美國(guó)伯特爾-哥倫布實(shí)驗(yàn)室在這方面做了大量的工作，推出了錐齒輪精鍛模CAD/CAE系統(tǒng)、葉片類模鍛CAD/CAM/CAE系統(tǒng)、鋁制件模CAD/CAM/CAE系統(tǒng)；英國(guó)伯明翰大學(xué)研究的CIRCON系統(tǒng)對(duì)軸類件鍛模的CAD/CAM/CAE進(jìn)行了一定的研究。美國(guó)的Saginaw已經(jīng)成熟的將計(jì)算機(jī)集成化生

8、產(chǎn)(CIMS)應(yīng)用于圓錐齒輪精鍛模具的設(shè)計(jì)、分析和制造中。其過(guò)程為：第一步，構(gòu)造出要成形的齒輪的三維計(jì)算機(jī)模型；第二步，用“ALPID”塑性有限元分析樣序來(lái)模擬鍛造過(guò)程，并決定所需要的模具齒形和I電極齒形的修征量；第三步，采用電火化機(jī)床(EDM)用電極加工出鍛模。我國(guó)的體積成形模具CAD/CAM研究工作開(kāi)始于七十年代末。不少高校、研究單位先后開(kāi)展了這方面的研究，在理論、方法和系統(tǒng)研制等方面取得了一些成果。立如：南昌大學(xué)的江雄心利用上限元法建立直齒圓柱齒輪精鍛過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，利用該模型對(duì)直齒輪精鍛過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了金屬流動(dòng)規(guī)律，為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、合理選擇模具尺寸等工藝參數(shù)提供依據(jù)。只有通過(guò)計(jì)算

9、機(jī)模擬體積成形過(guò)程的金屬流動(dòng)，才能更大地獲得體積成形模具CAD/CAE/CAM的優(yōu)越性。因?yàn)檫@時(shí)模鍛工藝試驗(yàn)可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)次數(shù)可大大降低，乃至完全取消。由于體積成形過(guò)程中塑形變形非常復(fù)雜，目前，模擬體積成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)程序只能應(yīng)用于平面應(yīng)變和軸對(duì)稱兩種簡(jiǎn)單情形，對(duì)于復(fù)雜的變形體，會(huì)屬流動(dòng)模擬只能在選定的部分進(jìn)行。所以，要提高體積成形的CAD/CAM/CAE的應(yīng)用水平有賴于理論水平的提高。CAM技術(shù)是近十年發(fā)展起來(lái)的一種高新技術(shù)，CAM技術(shù)一般應(yīng)包括數(shù)控加工、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、成組技術(shù)、機(jī)器人以及質(zhì)量控制等。目前，國(guó)外CAM技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用很廣，主要應(yīng)用于數(shù)控加工方面；國(guó)內(nèi)開(kāi)展這方面的研

10、究起步較晚，但發(fā)展很快，這與CAM技術(shù)的實(shí)用性是分不開(kāi)的。CAM在模具中的應(yīng)用主要用于復(fù)雜型腔、高精度模具及電極的加工問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于橡塑模的制造中，研究和應(yīng)用于精鍛模制造的單位較少。1.3 論文概述1.3.1 研究?jī)?nèi)容運(yùn)用Pro/E和Deform軟件，對(duì)毛坯進(jìn)行精鍛加工數(shù)值模擬仿真研究。首先，利用Pro/E軟件設(shè)計(jì)出相應(yīng)的鍛造模具。然后，運(yùn)用Deform軟件對(duì)毛坯進(jìn)行精鍛加工成形分析，找出引起不良加工效果的模具參數(shù)。對(duì)模具參數(shù)進(jìn)行修正，優(yōu)化處理。最后，設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到實(shí)際需要求的錐齒環(huán)精鍛模具。1.3.2 研究目的和意義錐齒環(huán)作為汽車變速箱中換擋操作的關(guān)鍵零件之一，在汽車行業(yè)中應(yīng)用量相當(dāng)

11、大。傳統(tǒng)的齒切削加工技術(shù)存在著金屬纖維被切斷而降低了齒形強(qiáng)度，材料利用率較低，能源和工時(shí)消耗較大等不足。因此國(guó)內(nèi)外曾對(duì)軋制，精鍛，粉末鍛造，精密沖裁齒輪等少無(wú)切削技術(shù)進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)。目前，齒類零件精鍛技術(shù)日益受到了國(guó)內(nèi)外的高度重視，德國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面的研究已取得相當(dāng)成功。他們已成功精鍛出齒環(huán)、齒輪、齒輪軸、等速萬(wàn)向節(jié)等，其尺寸精度已高到不再需要機(jī)械加工的地步，而且生產(chǎn)率高。面對(duì)“入世”的挑戰(zhàn)，我國(guó)的汽車，摩托車制造業(yè)要想在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立穩(wěn)腳跟，與發(fā)達(dá)國(guó)家一爭(zhēng)高低，必須緊追國(guó)際先進(jìn)水平，不斷提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量，作為重要傳動(dòng)零件-錐齒環(huán)的加工在很大程度上影響了汽車的汽車換檔的平穩(wěn)性。因

12、而，齒輪精鍛技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)具有相當(dāng)重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)本項(xiàng)目在其他行業(yè)（如兵器、航空航天、船舶等）也有著廣泛的應(yīng)用前景，項(xiàng)目研究成果不但可以提高我國(guó)齒輪制造技術(shù)水平，提高國(guó)產(chǎn)汽車、摩托車在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，而且還可以以此作為一個(gè)重要突破口，帶動(dòng)和促進(jìn)相關(guān)設(shè)備及輔助裝置的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新。錐齒環(huán)精鍛就是通過(guò)精密鍛造直接獲得完整齒形，且齒面不需或僅需少許精加工即可使用的齒輪制造技術(shù)。其特點(diǎn)是： 改善了齒輪的組織和性能精鍛使金屬三向受壓，晶粒及組織變細(xì)，致密度提高，微觀缺陷減少；精鍛還使金屬流線沿齒形連續(xù)均勻分布，提高了齒輪的機(jī)械性能。一般來(lái)說(shuō)，精鍛可使輪齒強(qiáng)度提高20%以上，抗沖擊強(qiáng)度

13、提高約15%，抗彎曲疲勞強(qiáng)度提高約 20%，齒輪的使用壽命延長(zhǎng)1倍以上。 精度能達(dá)到精密級(jí)公差、余量標(biāo)準(zhǔn)工件不需或者只需少量精加工就可進(jìn)行熱處理或直接使用，提高了生產(chǎn)效率及材料利用率，降低了生產(chǎn)成本。一般來(lái)說(shuō)，精鍛可使生產(chǎn)效率提高 1 倍以上，材料利用率提高 40%左右，批量生產(chǎn)成本降低 30%以上。因此大大提高了齒輪的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。1.3.3 研究的可行性采用當(dāng)今世界上最先進(jìn)，也是最有效的體積成形模擬軟件DEFORM 來(lái)全面分析錐齒環(huán)精密成形過(guò)程的金屬流動(dòng)及應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，以達(dá)到預(yù)測(cè)和消除成形缺陷、優(yōu)化工藝及模具參數(shù)、預(yù)測(cè)模具中的應(yīng)力分布并防止模具過(guò)早失效，從而大大減少工藝及模具試驗(yàn)次數(shù)，

14、確保工藝及模具設(shè)計(jì)的正確性和試驗(yàn)的成功等目的；結(jié)合國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)資料，研究和設(shè)計(jì)汽車錐齒環(huán)精鍛成形工藝、具良好互換性的熱鍛模具。以上的軟件和硬件設(shè)施為本課題的順利進(jìn)行提供了有力的保障。1.4 精鍛技術(shù)展望精密鍛造是近期發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，是塑性成形技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。下一世紀(jì)精密塑性成形技術(shù)將會(huì)迅速發(fā)展，加工范圍也會(huì)不斷擴(kuò)大。近來(lái)該領(lǐng)域涌現(xiàn)一些新技術(shù)動(dòng)向，如：FCF(Flowing control form)成形技術(shù)；通過(guò)專家知識(shí)系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)工程，對(duì)各種加工工藝進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，它是一種人工智能技術(shù)；塑性成形設(shè)備及其與工藝、模具的一體化；NDT&E(Nondestructive Tes

15、ting and Evaluation)技術(shù)的應(yīng)用，即無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)。第2章 金屬塑性成形過(guò)程的分析方法2.1 概述金屬塑性成形過(guò)程的分析方法主要可分為兩大類。一類是解析計(jì)算方法，其中包括主應(yīng)力法、滑移線法、界限法（包括上限法和下限法）、功平衡法等。這類方法一般用來(lái)計(jì)算成形過(guò)程所需的力和能。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易行并能得到問(wèn)題的解析解，但只適于簡(jiǎn)單的成形問(wèn)題。另一類是數(shù)值方法，其中包括有限差分法、有限元法和邊界元法。這類方法能用于獲得金屬塑性成形過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布，成形缺陷等詳盡的數(shù)值解，能用于分析十分復(fù)雜的成形過(guò)程。在金屬成形過(guò)程中，工件發(fā)生很大的塑性變形，在位移與應(yīng)變的關(guān)系中存在幾何非

16、線性，在材料的本構(gòu)關(guān)系（應(yīng)力-應(yīng)變）中存在材料非線性，即物理非線性。不僅如此，模具型面的幾何形狀往往比較復(fù)雜，工件與模具的接觸狀態(tài)不斷改變，摩擦規(guī)律也難以準(zhǔn)確描述。由于以上種種原因，金屬塑性成形問(wèn)題難于求得精確解。有限元法是目前進(jìn)行非線性分析的最強(qiáng)有力的工具，因此也成為金屬塑性成形過(guò)程模擬最流行的方法。采用有限元法模擬塑性成形的主要優(yōu)點(diǎn)：首先，能求出變形體的成形速度、位移、應(yīng)變、應(yīng)力和接觸面上的壓力分布等各種變量，為工藝分析提供科學(xué)依據(jù)；其次，模擬分析軟件可方便地用于分析同類型的各種零件的成形過(guò)程。2.2 金屬塑性成形過(guò)程的有限元仿真技術(shù)2.2.1 金屬塑性成形過(guò)程的有限元仿真技術(shù)概述對(duì)于制造

17、業(yè)來(lái)說(shuō)，21 世紀(jì)的競(jìng)爭(zhēng)核心將是新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，正是贏得這一競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。金屬塑性成形過(guò)程的仿真技術(shù)也正是在這樣的世界科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)下出現(xiàn)的多學(xué)科交叉技術(shù)。金屬塑性成形過(guò)程的仿真技術(shù)目前也成為模具CAD/CAM/CAE技術(shù)的重要核心技術(shù)之一?；谒苄杂邢拊ǖ姆抡婕夹g(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛的成功應(yīng)用。它將金屬塑性成形工藝學(xué)、塑性力學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)金屬塑性成形過(guò)程進(jìn)行時(shí)實(shí)跟蹤描述，給出金屬的流動(dòng)模式、各種物理場(chǎng)的分布規(guī)律、詳盡的塑性變形過(guò)程的力學(xué)參數(shù)，而且還能預(yù)測(cè)塑性成形過(guò)程的缺陷，優(yōu)化塑性成形過(guò)程。進(jìn)入 90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)的

18、運(yùn)算速度和存儲(chǔ)量得到了很大的提高。大量的高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)已投入了工程應(yīng)用。隨之而得到的計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，使得CAD/CAM/CAE 技術(shù)在各類工程問(wèn)題的應(yīng)用中得到了巨大的成功。其中，模具CAD/CAM/CAE 技術(shù)已成為改造金屬塑性成形傳統(tǒng)工藝的重要工具。尤其是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與有限元法以及成形工藝學(xué)的有機(jī)結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)了金屬塑性成形過(guò)程仿真（Simulation of Metal Forming Process）的新途徑。所謂成形過(guò)程仿真就是：在計(jì)算機(jī)上對(duì)金屬塑性成形過(guò)程進(jìn)行時(shí)實(shí)跟蹤描述，并通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)演示整個(gè)成形過(guò)程，從而揭示金屬的流動(dòng)規(guī)律、各種因素對(duì)金屬變形的影響以及成形過(guò)程中變形體和模

19、具的各種力學(xué)場(chǎng)的分布。目前成形過(guò)程仿真已成為虛擬現(xiàn)實(shí)制造（Virtual Manufacturing）技術(shù)的核心技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)短周期、高質(zhì)量、低成本目標(biāo)的重要手段。有限元仿真技術(shù)將對(duì)金屬塑性成形技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生巨大的推動(dòng)。就金屬塑性成形而言，有限元法大致可分為兩類：一類是固體型塑性有限元法（Solid Formulation），包括小變形和大變形彈塑性有限元法。彈塑性有限元最早是由 Marcal 和 King 于 1967 年提出的。它同時(shí)考慮彈性變形與塑性變形，彈性區(qū)采用 Hook 定律，塑性區(qū)采用 Prandtl-Reuss 方程和Mises 屈服準(zhǔn)則。小變形彈塑性有限元法以小

20、變形理論為基礎(chǔ)，忽略微元的局部變形并認(rèn)為位移與應(yīng)變呈線性關(guān)系，只適合分析金屬塑性成形的初期。大變形彈塑性有限元法以有限變形理論為基礎(chǔ)，考慮到了大變形過(guò)程中由于大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)單元形狀及有限元計(jì)算的影響。采用彈塑性有限元法分析金屬塑性成形過(guò)程，不僅能按照變形路徑得到塑性區(qū)的變化，變形體的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律和大小以及幾何形狀的變化，而且還能有效地處理卸載問(wèn)題，計(jì)算殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變，從而可以進(jìn)行回彈計(jì)算及缺陷預(yù)測(cè)分析。但是，彈塑性有限元法由于考慮變形歷史的相關(guān)性，須采用增量加載，在每一增量加載步驟中，都須作彈性計(jì)算來(lái)判斷原來(lái)處于彈性區(qū)的單元是否已進(jìn)入屈服，對(duì)進(jìn)入屈服后的單元就要采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，

21、從而改變了單元?jiǎng)偠染仃?。為了保證精度和解的收斂性，每次加載不能使很多單元同時(shí)屈服，這就使得每次計(jì)算時(shí)的變形增量不能太大，所以對(duì)大變形問(wèn)題計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低。另一類是流動(dòng)型塑性有限元（Folw Formulation），包括剛塑性有限元法和剛粘塑性有限元法。這類有限元法不計(jì)彈性變形，采用 Levy-Mises 方程作為本構(gòu)方程，滿足體積不變條件，并采用率方程描述，變形后物體的形狀通過(guò)在離散空間上對(duì)速度積分而獲得，從而避開(kāi)了有限變形中的幾何非線形問(wèn)題。同時(shí)，可運(yùn)用比彈塑性有限元法大的增量步長(zhǎng)來(lái)達(dá)到減少計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算效率的目的，并能保證足夠的工程精度。但是，由于忽略了彈性變形，這類有限元法不

22、能處理卸載問(wèn)題和計(jì)算殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變以及回彈。2.2.2 金屬塑性成形過(guò)程的剛（粘）塑性有限元法概述剛塑性有限元最初是將上限法用有限單元求極小值開(kāi)始發(fā)展的，在70年代初期，Lee和Kobayashi 等人使用拉格朗日未定乘子法所用的變分原理處理體積不可壓縮條件，使應(yīng)力計(jì)算成為可能，并將這種方法命名為剛塑性分析的矩陣法。在剛塑性有限元分析中，必須隨時(shí)間向前攜帶的歷史變量?jī)H僅是與材料結(jié)構(gòu)變化（例如加工硬化）有關(guān)的變量；它通常采用率方程，即列式本身是根據(jù)小應(yīng)變?cè)隽拷⒌?，這樣，變形后的構(gòu)形可通過(guò)在離散空間上對(duì)速度積分而獲得，從而避開(kāi)了幾何非線性問(wèn)題。由于簡(jiǎn)單性和效率，使其可方便地分析穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)大

23、塑性變形問(wèn)題，得到了廣泛應(yīng)用，也成為一些軟件（如 DEFORM）的核心算法。剛塑性有限元法也有明顯的局限性。由于忽略了彈性變形，這種方法僅適合于塑性變形區(qū)的分析，不能直接分析彈性區(qū)的變形和應(yīng)力狀態(tài)；它不能處理卸載問(wèn)題和計(jì)算由此帶來(lái)的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變。與大變形彈塑性有限元法相比，在變形量很小的場(chǎng)合，剛塑性有限元分析精度較差。但是，如果變形很大，彈性變形所占比重就很小，采用剛塑性模型也是合理的。對(duì)速率敏感性材料的塑性加工，須采用粘塑性模型分析，剛粘塑性有限元法僅是剛塑性有限元法的擴(kuò)展，在工程上，也得到了很好的應(yīng)用。現(xiàn)在，剛塑性有限元法已可以把材料的變形流動(dòng)與熱傳導(dǎo)進(jìn)行耦合分析。金屬成形過(guò)程中，材

24、料塑性變形的物理過(guò)程甚為復(fù)雜。為便于數(shù)學(xué)上的處理和簡(jiǎn)化計(jì)算，需要對(duì)材料性能和變形過(guò)程作出一些必要的假設(shè)。用剛粘塑性有限元法分析大變形塑性問(wèn)題時(shí)的基本假設(shè)有： 忽略材料的彈性變形，即： 材料的體積不可壓縮； 忽略成形過(guò)程中的Bauschinger效應(yīng)； 材料具有均質(zhì)各向同性； 不計(jì)體積力（重力和慣性力等）的影響。剛（粘）塑性有限元數(shù)值模擬系統(tǒng)的程序流程如圖2.1所示：圖 2.1 有限元模擬系統(tǒng)程序簡(jiǎn)圖2.2.3 金屬體積成形的有限元模擬概述體積成形是金屬塑性成形中一類應(yīng)用廣泛的工藝方法，對(duì)于體積成形過(guò)程，其初始毛坯一般為方坯、圓棒或厚板，而且在成形過(guò)程中發(fā)生塑性變形部分材料的表面與體積的比率顯著

25、增大。體積成形過(guò)程有兩個(gè)顯著特征：一、工件發(fā)生了大的塑性變形，并且伴隨著顯著的形狀變化與截面的改變；二、工件發(fā)生永久性塑性變形的變形量遠(yuǎn)大于彈性變形量，因此彈性回復(fù)可以忽略不計(jì)。屬于體積成形范疇的塑性成形工藝如鐓粗、閉式模鍛、開(kāi)式模鍛、自由鍛、徑向鍛造、正精鍛、反精鍛、復(fù)合精鍛、軋厚板、軋管、型軋、旋壓、擺碾、拉拔等。體積成形時(shí)，工件在模具的作用下產(chǎn)生塑性變形。通過(guò)金屬體積的大量轉(zhuǎn)移獲得機(jī)器（零件）的各種型材。體積成形的重要特征是金屬材料產(chǎn)生較大塑性變形，而彈性變形相對(duì)較小。在體積成形問(wèn)題中，變形材料與模具間的接觸問(wèn)題以及接觸面間的摩擦問(wèn)題對(duì)其成形過(guò)程有顯著的影響。由于體積成形過(guò)程中塑性變形部

26、分遠(yuǎn)大于彈性變形部分的變形量，即彈性變形可忽略不記，因此，對(duì)于體積成形過(guò)程的分析通常采用剛（粘）塑性有限元法。目前，剛（粘）塑性有限元法在體積成形方面的應(yīng)用已由二維問(wèn)題擴(kuò)展到三維問(wèn)題，并且可以從成品的形狀尺寸反向模擬出合理的毛坯尺寸。目前，在二維體積成形問(wèn)題的分析技術(shù)方面，已經(jīng)比較成熟。除了能模擬普通的平面應(yīng)變、平面應(yīng)力和軸對(duì)稱成形過(guò)程外，還能夠優(yōu)化預(yù)成形過(guò)程，預(yù)測(cè)成形過(guò)程中的表面和內(nèi)部缺陷，模擬像雙金屬和粉末燒結(jié)體金屬這樣的特殊塑性成形過(guò)程。在三維體積成形問(wèn)題的有限元模擬技術(shù)方面，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的大幅度提高和存儲(chǔ)量的大大增加，三維剛（粘）塑性有限元法逐漸在復(fù)雜體積成形過(guò)程的分析與仿真中顯

27、示出了優(yōu)勢(shì)。尤其是三維網(wǎng)格再劃分技術(shù)的日益成熟，使三維剛（粘）塑性有限元仿真技術(shù)以在鍛造、精鍛、旋壓等方面得到了成功的應(yīng)用。目前，具有代表性的大型體積成形仿真系統(tǒng)有美國(guó)的 DEFORM 和AOTU-FORGE、法國(guó)的FORGE。第3章 有限元理論與DEFORM建模3.1 有限元模擬理論數(shù)值模擬方法的基本特點(diǎn)是將微分方程邊值問(wèn)題的求解域進(jìn)行離散化，將原來(lái)求得在求解域內(nèi)處處滿足場(chǎng)方程、在邊界上處處滿足邊界條件的解析解的要求降低為求得在給定的離散點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))上滿足由場(chǎng)方程和邊界條件所導(dǎo)出的一組代數(shù)方程的數(shù)值解。這樣，就使一個(gè)連續(xù)的、無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的、有限自由度問(wèn)題。已經(jīng)發(fā)展的數(shù)值模擬方法可以分

28、為兩大類：有限元法與有限差分法。有限元方法是用于求解工程中各類問(wèn)題的數(shù)值方法。應(yīng)力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的或非線性的問(wèn)題以及熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和電磁學(xué)中的問(wèn)題都可以用有限元方法進(jìn)行分析解決。有限元法的特點(diǎn)是將求解域離散為一組有限個(gè)形狀簡(jiǎn)單且僅在節(jié)點(diǎn)處相互連接的單元的集合體，在每個(gè)單元內(nèi)用一個(gè)滿足一定要求的插值函數(shù)描述基本未知量在其中的分布。隨著單元尺寸的縮小，近似的數(shù)值解將會(huì)越來(lái)越逼近精確解。有限元法適應(yīng)任意復(fù)雜的和變動(dòng)的邊界。根據(jù)齒輪成形過(guò)程的特點(diǎn)，有限元法適于作為齒輪成形過(guò)程數(shù)值模擬的方法。有限元分析的基本步驟如下：(1) 建立求解域并將之離散化成有限元，即將問(wèn)題分解成節(jié)點(diǎn)和單元。(2)

29、 假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。(3) 對(duì)單元建立方程。(4) 將單元組合成總體的問(wèn)題，構(gòu)造總體剛度矩陣。(5) 應(yīng)用邊界條件、初值條件和負(fù)荷。(6) 求解線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點(diǎn)的值。(7) 得到其他重要信息，如應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。3.2 DEFORM工作流程DEFORM冷擠壓工作流程如下：(1) 預(yù)處理設(shè)定模擬控制參數(shù)(英制/國(guó)際單位制)、為每個(gè)對(duì)象定義對(duì)象數(shù)據(jù)資料、定義預(yù)處理設(shè)置(模擬控制、接觸)、生成數(shù)據(jù)庫(kù)：a) 創(chuàng)建新作業(yè)；新建作業(yè)，進(jìn)入前處理模塊，定義作業(yè)名稱。b) 設(shè)定模擬控制參數(shù)模擬控制中的選項(xiàng)管理著模擬分析的數(shù)字化方式。主選項(xiàng)(ma

30、in)詳細(xì)設(shè)置了模擬的名稱、單位體系、幾何類型等。停止和步進(jìn)控制選項(xiàng)則用來(lái)指定每步的時(shí)間、總共多少步以及停止模擬的條件標(biāo)準(zhǔn)。操作條件像環(huán)境溫度、導(dǎo)熱系數(shù)在操作條件中設(shè)定。c) 輸入對(duì)象數(shù)據(jù)對(duì)象數(shù)據(jù)選單用來(lái)導(dǎo)入和定義工件、模具的幾何特征，將工件網(wǎng)格化，定義材質(zhì)，設(shè)定邊界條件，定義對(duì)象的移動(dòng)，定義初始條件等。d) 設(shè)置材料性能為了得到高精確度的模擬結(jié)果，需要詳細(xì)的定義材料的各項(xiàng)特性。在材料數(shù)據(jù)中需要設(shè)置的材料的特性包括：彈性、塑性、傳熱、擴(kuò)散、硬度估算、斷裂等。e) 模型定位導(dǎo)入的對(duì)象幾何體不一定會(huì)在希望的位置上，因此必須通過(guò)調(diào)節(jié)?？梢杂密浖峁┑氖髽?biāo)定位、偏移、旋轉(zhuǎn)等方法，也可以在模具建模的時(shí)候

31、，預(yù)先設(shè)置好各零部件的位置。f) 對(duì)象間界面定位主要是設(shè)置接觸面之間的摩擦系數(shù)。根據(jù)毛坯的熱處理情況及皂化、磷化處理情況設(shè)定工件與模具之間的摩擦系數(shù)。曲生成作業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)(2) 執(zhí)行模擬軟件根據(jù)預(yù)處理的設(shè)定進(jìn)行模擬分析計(jì)算。(3) 后置處理后處理器根據(jù)用戶要求輸出所需的模擬信息，用于進(jìn)行工藝分析。位、偏移、旋轉(zhuǎn)等方法也可以在模具建模的時(shí)候，預(yù)先設(shè)置好各零部件的位置。3.3 有限元分析模型在DEFORM中的建立3.3.1 初步建模將在PRO/ENGINEER中建立的模具三維模型保存為STL文件，導(dǎo)入至DEFORM-3D中，建立擠壓成形模擬模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，忽略壓桿與頂桿及模具的變形量，假設(shè)它們

32、均為剛體。3.3.2 有限元網(wǎng)格畸變與網(wǎng)格的重劃分金屬塑性成形屬于大變形問(wèn)題，原始坯料與成形工件在尺寸和形狀上有很大不同。隨著增量的加載，工件形狀不斷變化，網(wǎng)格單元形狀也隨之變化。當(dāng)加載到一定程度時(shí)，網(wǎng)格單元會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，甚至發(fā)生畸變。若把這種已經(jīng)畸變的網(wǎng)格形狀作為增量分析的參考狀態(tài)，將導(dǎo)致計(jì)算精度大大降低，甚至不能收斂：另外，在變形過(guò)程中，變形工件與模具型腔表面有很大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得工件的某些邊界網(wǎng)格與模具發(fā)生邊界干涉，此時(shí)網(wǎng)格邊界所描述的工件外形與模具型腔形狀相差很大，將會(huì)使模擬結(jié)果產(chǎn)生誤差。為了解決上述問(wèn)題，就需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分，以新網(wǎng)格為基礎(chǔ)，進(jìn)行計(jì)算。DEFORM-3D提供的可

33、以自動(dòng)生成的四面體單元，可以根據(jù)工作界面形狀的復(fù)雜程度、溫度分布、應(yīng)力應(yīng)變(應(yīng)變速率)分布等作為權(quán)值來(lái)決定網(wǎng)格單元的相對(duì)密度和分布情況，也可以由用戶通過(guò)定義邊界或選擇區(qū)域窗口的形式自定義網(wǎng)格的相對(duì)密度和分布情況。DEFORM-3D可以設(shè)定網(wǎng)格干涉深度(相對(duì)或絕對(duì)深度)，當(dāng)變形程度達(dá)到時(shí)，網(wǎng)格自動(dòng)會(huì)重劃分。3.4 小結(jié)本章首先對(duì)有限元理論進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，介紹了有限元分析的基本步驟。主要闡述了本文采用的剛塑性有限元法的原理及一般分析模擬步驟。介紹了DEFORM軟件應(yīng)用于本文的冷擠壓工作流程。最后在DEFORM軟件中進(jìn)行建模，確定了數(shù)值模擬工藝參數(shù)，并討論了有限元網(wǎng)格畸變與網(wǎng)格點(diǎn)重劃分問(wèn)題。第4章

34、零件成形工藝及模具確定4.1 零件工藝性分析4.1.1 錐齒環(huán)的三維實(shí)體模型 圖 4.1 同步器齒環(huán)的三維實(shí)體模型4.1.2 零件工作特性同步器齒環(huán)是汽車的變速箱的重要零件，在機(jī)械傳動(dòng)中占有重要的地位，其在工作時(shí)，受各種沖擊載荷的作用，熱負(fù)荷較高。還受到接觸應(yīng)力，脈沖應(yīng)力和摩擦力的作用，齒環(huán)表面很容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，表面強(qiáng)度下降，精度降低等問(wèn)題。為保證其運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，傳動(dòng)的平穩(wěn)性，以及載荷分布的均勻性，使汽車換檔時(shí)平穩(wěn)、靈活、可靠，齒環(huán)應(yīng)該具有良好的耐磨性和較高的表面精度，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)齒環(huán)的正常工作。4.2 工藝方案制定錐齒環(huán)原工藝為: 擴(kuò)環(huán)車坯中頻加熱墩坯1050預(yù)鍛終鍛整形等溫正火噴丸處理機(jī)加

35、壓淬噴沙處理機(jī)加（鍵槽）噴鉬。上述工藝存在能耗多，材料利用率低，加工效率低，模具壽命短等諸多問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，現(xiàn)通過(guò)模擬仿真，研制出了節(jié)能、省料、高效的熱精鍛工藝。新工藝流程為：擴(kuò)環(huán)車坯中頻加熱墩坯950熱精鍛溫精整等溫正火噴丸處理機(jī)加壓淬（滲碳）噴沙處理機(jī)加（內(nèi)錐螺紋）噴鉬。該工藝與原工藝相比，同步器齒環(huán)用精鍛的方法生產(chǎn)后，除中間螺紋部分及兩端面需機(jī)加工外，其余部分均在鍛造時(shí)成形。精鍛件的尺寸精度波動(dòng)不大，工藝生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)品精度高。本課題就主要針對(duì)該種新工藝方案進(jìn)行成形模擬與試驗(yàn)研究。4.3 模具設(shè)計(jì)精鍛模具設(shè)計(jì)是否合理、制造質(zhì)量的好壞，是決定模具使用壽命、金屬成形性能以及產(chǎn)品質(zhì)量好壞

36、的主要條件之一。在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)上，齒形模具的設(shè)計(jì)和制造水平是決定能否精鍛出合格的齒類零件的最重要環(huán)節(jié)。精密模鍛模具精度要求高，模具工作表面粗糙度低。齒形模具通常是由電極加工出來(lái)的，其精度要靠電極制造的精度來(lái)保證。齒形部分的處理是精鍛齒輪類零件制造技術(shù)的難點(diǎn)、關(guān)鍵。4.3.1 閉式擠壓模具結(jié)構(gòu)的確定通過(guò)前面對(duì)齒輪成形方式的討論，我們知道必須保持一封閉的型腔才能夠保證在擠壓階段時(shí)坯料金屬朝齒腔部分順利流動(dòng)，否則金屬過(guò)早流失，將導(dǎo)致鍛件充不滿等缺陷。因此采用閉式模鍛有利于齒腔的充滿。從理論上講，要完全在封閉的型腔鐓、擠金屬使其充滿型腔是不可能的。因?yàn)榇藭r(shí)需要無(wú)限大的擠鐓力，再加上下料的不確

37、定性和一般壓力機(jī)有確定的行程等因素的限制，導(dǎo)致閉式鍛造可操作性極差。為此，通常閉式鍛模需要設(shè)置分流器來(lái)解決這一問(wèn)題，即設(shè)置工藝補(bǔ)償空間，像開(kāi)式模鍛一樣，當(dāng)模膛充滿后多余金屬被擠入分流器，但比開(kāi)始模鍛時(shí)飛邊金屬損耗小。設(shè)置分流器后，使閉式模鍛的適用范圍大為擴(kuò)展。分流器的設(shè)置原則：(1) 分流器的位置應(yīng)選擇在模膛最后充滿的位置，避免金屬過(guò)早流入分流器；(2) 多余金屬擠入分流器時(shí)不應(yīng)伴隨變形阻力的提高，以免增加總的模鍛力和加快模膛的磨損；(3) 側(cè)向分流器應(yīng)設(shè)置與鍛件最大橫向投影面積對(duì)應(yīng)的模膛(沿分摸面)周圍，便于切掉小飛邊。根據(jù)這一原則，設(shè)計(jì)的模具使金屬完全封閉在型腔中，在輪轂部分設(shè)有背壓裝置，

38、坯料多余金屬可以流向輪轂部分。一定的背壓力可以阻止過(guò)多的金屬流入輪轂腔。同時(shí)背壓裝置還可以作為頂件裝置。因?yàn)槎嘤嘟饘傩纬奢嗇灪?，?jīng)車削便可很容易去除。4.3.2 組合凹模優(yōu)化設(shè)計(jì)凹模的預(yù)應(yīng)力問(wèn)題是一項(xiàng)比較重要的技術(shù)。如果這個(gè)問(wèn)題解決不好，就往往在生產(chǎn)中發(fā)生凹模齒根處縱向開(kāi)裂等現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力組合凹模的主要優(yōu)點(diǎn)是在同樣凹模外形尺寸的條件下，它的強(qiáng)度要比整體式單層凹模的大得多。這里根據(jù)拉美公式、熱應(yīng)力計(jì)算公式和剪切強(qiáng)度理論，考慮溫度分布對(duì)模具結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布的影響，建立溫度分布為T=T(R)的熱態(tài)下的優(yōu)化模型和強(qiáng)度校核模型。應(yīng)用MATLAB優(yōu)化軟件求解組合凹模的各層直徑，然后計(jì)算出的允許最大內(nèi)壓力及配合

39、直徑的過(guò)盈量使組合凹模處于晟佳工作狀態(tài)；最后，進(jìn)行模具的應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核，檢驗(yàn)?zāi)＞呤欠裉幱诎踩ぷ鳡顟B(tài)。4.3.2.1 設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的修正項(xiàng)如下：(1)應(yīng)力集中 當(dāng)凹模內(nèi)腔斷面復(fù)雜時(shí)，其轉(zhuǎn)角處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中?？紤]應(yīng)力集中因素后，應(yīng)將Pmax作為在凹模壁上作用的設(shè)計(jì)內(nèi)壓力：其值為Pmax=S·P式中 P-凹模側(cè)壁的平均徑向內(nèi)壓力；S-安全系數(shù)，一般取1.11.5。(2)凹模溫度上升的修正 若為冷鍛，則不需要這一修正項(xiàng)。若為熱鍛，則由于在鍛造時(shí)熱鍛件的熱量傳遞給凹模鑲塊，導(dǎo)致凹模內(nèi)壁比外圈溫度高，形成溫度梯度場(chǎng)。由于凹模鑲塊與預(yù)應(yīng)力圈的平均溫度差，熱膨脹程度也存在差別，因而過(guò)盈量比初選

40、的最佳設(shè)計(jì)值大，所以需要修正。設(shè)模具鑲塊與預(yù)應(yīng)力圈的平均溫度差T，凹模鑲塊的外徑為d2，熱膨脹系數(shù)為，則過(guò)盈量的修正值為=d2T(3)過(guò)盈量的公差 配合直徑d2、d3處的公差直接影響對(duì)凹模鑲塊的預(yù)壓應(yīng)力，即影響組合凹模的強(qiáng)度，因此應(yīng)盡可能提高其精度。加工誤差分為各層的內(nèi)外徑誤差與形狀誤差(錐度等)。內(nèi)外徑的公差應(yīng)為最佳的過(guò)盈量的計(jì)算值的±5。而形狀公差應(yīng)取內(nèi)外徑公差的30-50以下。4.3.2.2 組合凹模的強(qiáng)度計(jì)算 設(shè)計(jì)計(jì)算出的模具結(jié)構(gòu)尺寸和過(guò)盈量是否正確，可用強(qiáng)度理論核算進(jìn)行驗(yàn)證。能滿足原設(shè)計(jì)的計(jì)算條件是正確的，否則計(jì)算就有問(wèn)題。組合凹模強(qiáng)度校核的基本方法是把組合凹模劃分成若干個(gè)

41、厚壁圓筒利用拉美公式計(jì)算出工作狀態(tài)下組合凹模每層內(nèi)壁和外壁的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，還應(yīng)考慮到修正項(xiàng)，再利用第三強(qiáng)度理論即最大剪應(yīng)力理論(也可用能量理論，但不如最大剪應(yīng)力理論安全)對(duì)每一層進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，即r其中為模具材料的許用慮力。如滿足該不等式，則組合凹模處于安全工作狀態(tài)；如不滿足，則需對(duì)組合凹模重新設(shè)計(jì)。4.3.2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果如下：設(shè)工作內(nèi)壓P1=1000MPa，d1=354.4mm，1=1400MPa，2=1300Mpa；采用二層預(yù)應(yīng)力組合凹模，外徑固定(受模架限制)d3=720mm，波松比為0.3。在優(yōu)化軟件MATLAB環(huán)境下將目標(biāo)函數(shù)與約束條件按規(guī)定格式編成程序。由于此時(shí)外徑固定，

42、還要給出另一約束條件，即d3-720=0。運(yùn)行結(jié)果為：D2=630.40772mm 則可計(jì)算出：發(fā)=0.39985mm；Pmax=1083.86873MPa；檢驗(yàn)計(jì)算表明各層未屈服。第5章 模擬分析本文所設(shè)計(jì)的汽車同步器齒環(huán)原工藝是在1050°C 預(yù)鍛，970°C 精鍛和冷精整形。該工藝需要在630t 的摩擦式壓力機(jī)上進(jìn)行，由于工藝及模具設(shè)計(jì)方面存在一定的不合理性，所以存在如齒頂部分充不滿，預(yù)鍛件飛邊較大，及在精鍛過(guò)程中產(chǎn)生鍛件內(nèi)孔出現(xiàn)折迭等缺陷。本文在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)。采用剛粘塑性有限元法（FEM），利用先進(jìn)成熟的美國(guó) SFTC 公司的DEFORM三

43、維模擬軟件，對(duì)錐齒環(huán)成形工藝的鍛壓過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真，為毛坯成形工藝優(yōu)化、模具修改提供理論依據(jù)，并根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果優(yōu)化整個(gè)成形工藝，實(shí)現(xiàn)零件毛坯精化。通過(guò)模擬原成形工藝，從中發(fā)現(xiàn)出存在的一些問(wèn)題，并以此為依據(jù)進(jìn)行工藝及模具的優(yōu)化，提出更加合理的工藝方案后再次進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析改進(jìn)后的工藝及模具的可行性。5.1 三維速度奇異點(diǎn)的處理在體積成形三維模擬分析時(shí)，接觸模具的那些節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱觸模節(jié)點(diǎn)）的法向速度分量必須與模具在該點(diǎn)的法向速度分量保持一致，如模具和工件的接觸面存在尖角、棱邊或微間隙，此時(shí)無(wú)法確定該處的模具外法線方向，故工件的觸模節(jié)點(diǎn)在該處的速度不是唯一的，這將導(dǎo)致DEFORM3D

44、 分析無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，這種尖角、棱邊或微間隙處的觸摸節(jié)點(diǎn)稱為速度奇異點(diǎn)。對(duì)這些奇異點(diǎn)的處理，常采用的方法是：將模具三維模型的尖角或棱邊處倒一極小的圓角，使模具在該處能光滑過(guò)渡；由于凸凹模具之間存在著間隙，在三維模擬過(guò)程中，金屬將被擠入該間隙中，形成縱向毛刺，從而產(chǎn)生速度奇異點(diǎn)。對(duì)此，在進(jìn)行三維建模時(shí)，有意將凸凹模之間的間隙設(shè)定為零或?qū)⑼鼓３叽缭O(shè)為大于凹模尺寸0.1mm，從而有效地解決了速度奇變的問(wèn)題，減少不必要的網(wǎng)格重劃分，提高運(yùn)算效率。首先按照原設(shè)計(jì)工藝對(duì)預(yù)鍛及精鍛進(jìn)行數(shù)值模擬,由于冷精整所需的變形力相對(duì)比較小,所以可以不進(jìn)行精整的模擬。5.2 模具設(shè)計(jì)在模具設(shè)計(jì)中，齒模的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。模具齒形

45、與冷態(tài)鍛件之間的相互關(guān)系是模具齒形設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。圖5.1 模具拆模示意圖此模具的工作原理如下： 利用圓環(huán)坯料的外徑在凹模模膛內(nèi)定位，定位迅速準(zhǔn)確。 鍛壓時(shí)，將毛坯放入型腔，凸模隨滑塊壓下，將材料往下擠和往橫向精鍛，填滿齒形。在成形過(guò)程中，隨著凸模的繼續(xù)下移，齒形部分和凸臺(tái)部分逐漸被成形出來(lái)。滑塊上升后，由下頂出器將鍛件推出凹模。錐齒環(huán)的凸臺(tái)及齒形部分是在凹模型腔中成形的，在成形錐齒環(huán)的過(guò)程中，隨凸模的壓下，向下壓坯料，凸臺(tái)部分直接由坯料成形出來(lái)，在凸模往徑向精鍛坯料時(shí)，齒形部分才開(kāi)始成形。5.3 數(shù)值模擬分析5.3.1 第一次模擬分析： 模型簡(jiǎn)化及模擬初始條件設(shè)置：a.變形材料：45鋼 b.

46、原始坯料尺寸：外徑512mm，內(nèi)徑354mm，高450mm，圓角R=3mm；c.變形溫度：1050；d.壓機(jī)速度：200mm/s；e.摩擦條件：剪切摩擦，摩擦因子m=0.25；f.模擬步長(zhǎng)：0.2mm/次；初始的坯料網(wǎng)格如圖5.2所示：圖5.2 坯料網(wǎng)格圖 鍛壓工藝模擬結(jié)果：圖5.3 坯料的應(yīng)力變化圖5.4 坯料的應(yīng)變變化圖5.5 鍛壓結(jié)束后坯料的網(wǎng)格圖圖5.6 行程載荷曲線圖5.7 鍛壓結(jié)束時(shí)模具及坯料的狀態(tài)由圖5.4可以看出齒頂部分的應(yīng)變分布并不是均勻的而是離凸臺(tái)越近的齒其齒頂部分的應(yīng)變?cè)叫?，遠(yuǎn)離凸臺(tái)的齒形其齒頂部分應(yīng)變?cè)酱?。由圖5.3看出坯料整體所受應(yīng)力比較均勻。這主要是因?yàn)榭拷古_(tái)處的

47、材料流動(dòng)比較容易，越遠(yuǎn)離凸臺(tái)材料越難流動(dòng)，因?yàn)椴牧狭鲃?dòng)的不均勻造成其應(yīng)變的分布不均勻。圖5.8 鍛壓結(jié)束后齒頂?shù)奶畛淝闆r5.3.2 原工藝模擬的結(jié)論：通過(guò) DEFORM3D模擬得出以下結(jié)論：圖 5.4可以看出遠(yuǎn)離凸臺(tái)的齒頂部分變形應(yīng)變是最大的，材料在齒形處徑向流動(dòng)困難，造成齒形充型不滿（如圖5.8所示）。 坯料偏大造成鍛件飛邊較大。5.3.3 可能的改進(jìn)與優(yōu)化途徑：提高材料的徑向流動(dòng)能力，可以通過(guò)優(yōu)化坯料，坯料高度由450mm改為400mm，增大模具圓角，將模具圓角R改為6mm，優(yōu)化凸模圓角過(guò)渡，減小應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)。5.3.4 改進(jìn)后的工藝數(shù)值模擬結(jié)果及分析：根據(jù)前期模擬結(jié)果中出現(xiàn)的飛邊大，坯料尺

48、寸不合理等現(xiàn)象對(duì)坯料的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。模型簡(jiǎn)化及模擬初始條件設(shè)置：a.變形溫度：1050；b.壓機(jī)速度：200mm/S；c.坯料尺寸：外徑512mm,內(nèi)徑354mm，高400mm，圓角R=6mm；d.摩擦條件：剪切摩擦因子取m=0.25；e.模擬步長(zhǎng)：0.2mm/次；工藝改進(jìn)后的模擬結(jié)果：圖5.9 改進(jìn)后的坯料應(yīng)力變化圖5.9 改進(jìn)后的坯料應(yīng)變變化圖5.10 改進(jìn)后的行程-載荷曲線 圖5.11 改進(jìn)后鍛壓坯料網(wǎng)格圖圖5.12 改進(jìn)后齒形部分的填充情況由圖5.11和圖5.12可以看出，改進(jìn)后坯料的充填性大大提高，齒頂部分比較飽滿且鍛件飛邊適當(dāng)。第6章 結(jié)果與討論6.1 模擬過(guò)程中的變形為了直觀的

49、反應(yīng)坯料變形過(guò)程中應(yīng)變變化情況，在坯料上選取三個(gè)點(diǎn)：P1:x=-93.039 y=220.215 z=-70.916P2:x=-24.542 y=220.385 z=-90.792P3:x=13.779 y=244.123 z=-74.930以下是坯料上選定三點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變、速度雖鍛壓過(guò)程的變化情況： 圖6.1 應(yīng)變-時(shí)間分布圖圖6.2 速度分布圖 圖6.3 坯料變形各階段應(yīng)力變化6.2 鍛模模具結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)完成的模具裝配圖如圖6.4所示，圖6.4 鍛模模具結(jié)構(gòu)圖 1-下模座 2-頂出器 3-凹模墊板 4-凹模固定板 5-凹模 6-預(yù)應(yīng)力圈 7-螺釘 8-導(dǎo)柱 9-凸模 10-上模座 11-凸模

50、墊板 12-螺釘 13-凸模固定板 14-導(dǎo)套 15-芯軸錐齒環(huán)的鍛模具結(jié)構(gòu)如上圖，凹模 5 與預(yù)應(yīng)力圈 6 過(guò)盈配合為一體，利用凹模的直口在凹模固定板 4 上定位，通過(guò)螺釘緊固。凸模 9 是通過(guò)凸模固定12在上模座上定位并用螺釘緊固。芯軸 15 不僅保證了齒環(huán)的內(nèi)壁尺度，而且在鍛壓過(guò)程中約束坯料流動(dòng)方向，起到了導(dǎo)向作用。以下簡(jiǎn)要介紹模具設(shè)計(jì)中主要部分的設(shè)計(jì)： 導(dǎo)向裝置摩擦壓力機(jī)自身導(dǎo)向精度不能滿足精鍛的要求，設(shè)計(jì)采用導(dǎo)柱、導(dǎo)套型式的導(dǎo)向裝置。根據(jù)壓力機(jī)的特點(diǎn)，選用中間滑動(dòng)導(dǎo)柱。根據(jù)壓力機(jī)的最小閉合高度，設(shè)計(jì)導(dǎo)柱、導(dǎo)套。 頂料機(jī)構(gòu)錐齒環(huán)完全在凹模內(nèi)成形，成形結(jié)束后，鍛件留在凹模模膛內(nèi)，因此需設(shè)

51、計(jì)下頂出機(jī)構(gòu)。錐齒環(huán)的頂出裝置在設(shè)計(jì)時(shí)遇到了一些問(wèn)題。錐齒環(huán)不宜采用彈性卸料，頂桿在最高位置時(shí)會(huì)影響坯料在模膛中的定位。因錐齒環(huán)成形后，在齒端面及內(nèi)圈都有飛邊產(chǎn)生，可從飛邊將鍛件頂出，將頂出器的位置設(shè)在中間。成形結(jié)束后，由壓力機(jī)上的下頂出機(jī)構(gòu)推動(dòng)頂出器，將鍛件頂出凹模模膛。該鍛模模架結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，凸凹模的定位容易，直接用直口定位，不需再用定位銷來(lái)定位。模具的裝配和拆卸的比較方便。模架具有通用性，精整時(shí)，只需更換凸凹模即可。 結(jié) 論錐齒環(huán)是機(jī)械結(jié)構(gòu)中的重要傳動(dòng)部件，尺寸精度、表面質(zhì)量及其綜合機(jī)械性能要求高，由于精密成型技術(shù)有其優(yōu)質(zhì)、高效率、低成本、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足使用要求，成

52、為當(dāng)今復(fù)雜齒形零件發(fā)展的主流技術(shù)。本文主要探討了錐齒環(huán)精密鍛造的可行性，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。過(guò)模擬對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，主要為坯料尺寸的優(yōu)化，將坯料高度由450mm改為400mm后，毛坯毛邊明顯減小，解決了原工藝中出現(xiàn)的坯料尺寸不合理現(xiàn)象。優(yōu)化凸模圓角過(guò)渡后，解決了鍛件齒頂部分充不滿，內(nèi)壁產(chǎn)生迭等缺陷。并且在精鍛載荷、應(yīng)力-應(yīng)變分布、節(jié)點(diǎn)速度分布等方面也較為理想。另外模擬發(fā)現(xiàn)，在變形結(jié)束時(shí)，齒頂及凸臺(tái)部分的應(yīng)變比較大，這樣對(duì)齒頂部分的模具強(qiáng)韌性要求較高，對(duì)整個(gè)模具的壽命都有較大的影響。坯料整體所受應(yīng)力較大，因此成型過(guò)程對(duì)模具要求較高，可以通過(guò)使用更好的模具材料或者改進(jìn)模具制造工

53、藝如進(jìn)行表面處理等方式來(lái)提高模具的壽命，但這樣必將增加成本。本文對(duì)齒環(huán)精密成形的理論方面做了一定的研究，但對(duì)于實(shí)驗(yàn)部分，還要進(jìn)一步驗(yàn)證。另外對(duì)于齒類零件來(lái)說(shuō)，精控制非常重要特別是齒的精度控制尤其重要，通過(guò)模擬我們也可以發(fā)現(xiàn)成型過(guò)程中，凸臺(tái)周圍的齒形的應(yīng)力分布是不均勻的，這樣勢(shì)必造成齒形的成型情況有細(xì)微的差別。而對(duì)于精度要求較高的零件來(lái)說(shuō)可能會(huì)造成精度超差。在本文中我們并沒(méi)有對(duì)這些問(wèn)題深入討論，但在實(shí)際的生產(chǎn)中卻經(jīng)常會(huì)遇到類似的問(wèn)題。致 謝本論文是在老師趙軍博士的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下完成的，論文的選題、實(shí)驗(yàn)方案的確定、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和論文的寫作無(wú)不凝聚著老師的心血。在四年的大學(xué)生學(xué)習(xí)生活中，老師

54、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新的工作精神、淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)、敏銳的洞察力以及忘我工作的敬業(yè)精神和謙和的待人方式已深深的銘記在我的心中，是我學(xué)習(xí)的楷模，將永遠(yuǎn)激勵(lì)我?jiàn)^發(fā)向上。在此，謹(jǐn)致以我衷心的感謝和崇高的敬意，謝謝趙老師在多方面對(duì)我的培養(yǎng)和在生活中對(duì)我的關(guān)心、照顧。在論文工作期間，有幸先后得到了材料系專業(yè)老師們的精心指導(dǎo)和親切關(guān)懷。在此，表示深深的謝意!同時(shí)要感謝其他同學(xué)的大力支持和幫助。在此，謹(jǐn)向所有給予我關(guān)心、幫助和指導(dǎo)的老師和同學(xué)們致以誠(chéng)摯的謝意!感謝北華航天工業(yè)學(xué)院基金資助（KY-2010-02-B）!參 考 文 獻(xiàn)1 藤川真一郎.3 次元鍛造-課題與展望.塑性加工.19992S.Kobayash

55、i,S.I.OhandT.Altan,MetalFormingandtheFiniteElementMethod,NYork, OxfordUniversityPress, 1989 No.53 彭穎紅.金屬塑性成形仿真技術(shù).上海：上海交通大學(xué)出版社.1999.P3-4,714 夏巨諶，丁永祥，胡國(guó)安.閉式模鍛.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1993.P15 金炫琪,山中 雅仁.鍛造分野 -技術(shù) 利用狀塑性加工.1999,No.56 張文芹.滾碾法生產(chǎn)汽車用同步器齒環(huán).上海有色金屬.2005.37 夏巨諶，閉式模鍛分流器的設(shè)計(jì)，鍛壓技術(shù)，1989，N018 謝談，錐齒輪精鍛分析的新工藝，鍛壓技術(shù)，1992，N049 夏巨諶，冷擠壓組合凹模的有限元計(jì)算，鍛壓技術(shù)，1983，N0510 王學(xué)文，擠壓組合凹模的設(shè)計(jì)，國(guó)防工業(yè)出版社，p505211 Kazuyoshi Kondo，精密冷模鍛新工藝的開(kāi)發(fā)，世界塑性加工最新技術(shù)譯文集，機(jī)械工業(yè)出版社，198712 楊志敏，我國(guó)鍛壓技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展，鍛壓技術(shù)，1987，N0513 胡亞民，車路長(zhǎng)，精鍛成形技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展，鍛壓機(jī)械