圓柱直齒輪冷鍛成形工藝分析
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論文導(dǎo)讀：冷鍛成形與熱成形工藝相比，成形件的尺寸精度高，可以省去后續(xù)的切削加工，冷成形件的表面光潔，強(qiáng)度大，冷成形件表面光潔，尺寸精度高，強(qiáng)度在，可以免去加熱工序，材料利用率高。本文研究采用冷鍛成形工藝，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)軸分流分流和浮動(dòng)凹模耦合成形工藝過程進(jìn)行研究。等效應(yīng)變場(chǎng)、等效應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)是圓柱直齒輪塑性成形的重要信息,綜合反映了直齒輪成形的金屬流動(dòng)規(guī)律,以及成形壓力-位移的變化曲線,決定圓柱直齒輪的鍛壓成形質(zhì)量，所以研究這方面參數(shù),對(duì)精密冷鍛成形具有一定的理論參考,從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。通過有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)軸分流分流和浮動(dòng)凹模耦合工藝成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合模擬結(jié)果可知，可較好的成形出直齒圓柱齒輪的齒形。
關(guān)鍵詞：軸分流，冷鍛，圓柱直齒輪，數(shù)值模擬
齒輪是一種典型的機(jī)械傳動(dòng)零件，傳統(tǒng)的直齒輪的機(jī)械加工方法，材料利用率低，生產(chǎn)率低，產(chǎn)品成本高，同時(shí)加工時(shí)齒形部分的纖維被切斷，齒輪強(qiáng)度不高，影響其承載能力。免費(fèi)論文網(wǎng)。免費(fèi)論文網(wǎng)。
冷鍛成形與熱成形工藝相比，成形件的尺寸精度高，可以省去后續(xù)的切削加工，冷成形件的表面光潔，強(qiáng)度大，冷成形件表面光潔，尺寸精度高，強(qiáng)度在，可以免去加熱工序，材料利用率高。
采用冷鍛成形工藝加工圓柱直齒輪，提高零件的內(nèi)在和表面質(zhì)量, 提高材料利用率, 減少加工工時(shí)，降低能耗，同時(shí)可獲得合理的金屬流線分布，提高承載能力[1-4]。
本文研究采用冷鍛成形工藝，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)軸分流分流和浮動(dòng)凹模耦合成形工藝過程進(jìn)行研究。
1 有限元分析模型的建立
本文研究的齒輪模數(shù)為m=2mm，齒數(shù)為Z=18，齒寬為h=10mm，法向壓力角a=20o，變位系數(shù)x=0.0。
現(xiàn)利用建模軟件完成鍛件上模、浮動(dòng)凹模和下模的三維造型圖，上下模中心分流孔直徑為10mm。免費(fèi)論文網(wǎng)。坯料為圓柱體，在利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬前，根據(jù)冷鍛前后體積不變條件及考慮冷鍛后必要的切削余量而給予修正的原則[5]，確定毛坯的尺寸，現(xiàn)設(shè)計(jì)坯料為Ф30mm×15mm。
考慮到齒輪本身的幾何對(duì)稱性，為減小計(jì)算規(guī)模，節(jié)省CPU時(shí)間，提高計(jì)算效率，取變形體的1/4作為有限元的模擬對(duì)象[6]，建立的幾何模型如圖1所示。模型建立完后，運(yùn)用有限元模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。在齒輪冷鍛成形過程中，模具設(shè)為剛性，坯料選用AISI-4140 (cold)，坯料視為塑性體，模具與坯料之間為剪切摩擦，摩擦系數(shù)為0.12，采用四面體網(wǎng)格對(duì)坯料進(jìn)行劃分如圖2所示，上模和浮動(dòng)凹模速度為1mm/s。
圖1幾何模型圖 圖2坯料網(wǎng)格圖
2 圓柱直齒輪數(shù)值模擬分析
等效應(yīng)變場(chǎng)、等效應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)是圓柱直齒輪塑性成形的重要信息, 綜合反映了直齒輪成形的金屬流動(dòng)規(guī)律, 以及成形壓力-位移的變化曲線, 決定圓柱直齒輪的鍛壓成形質(zhì)量，所以研究這方面參數(shù), 對(duì)精密冷鍛成形具有一定的理論參考, 從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。在模擬結(jié)束后，提取等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖（圖3）、等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖（圖4）、速度場(chǎng)分布圖（圖5）、成形載荷-位移曲線圖（圖6）。
�。╝）第60增量步(b) 第75增量步(c) 第89增量步
圖3 等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖
（a）第60增量步 (b)第75增量步(c) 第89增量步
圖4 等效應(yīng)變力分布圖
�。╝）第60增量步(b) 第75增量步(c) 第89增量步
圖5 速度分布圖
圖6 行程-載荷曲線圖
在等效應(yīng)變圖（圖3）中可以看出，在成形過程中，齒形部分的等效應(yīng)變大于中心軸部分的等效應(yīng)變，在齒腔和上下模轉(zhuǎn)角部分有較大的等效應(yīng)變，在此處的材料變形較大。在齒形完全充填時(shí)，基本上整個(gè)齒形部分都有很大變形，這樣鍛出來的齒輪齒形部分質(zhì)量高。從等效應(yīng)力圖（圖4）中可得，中心孔部分的材料等效應(yīng)力最少，而整個(gè)齒形部分的等效應(yīng)力大，而等效應(yīng)力大，有利于愈合金屬內(nèi)部的缺陷與損傷。
在成形過程前期中，因?yàn)榕髁舷螨X腔流動(dòng)的阻力小于向中心孔的阻力，從圖5中可得，材料向齒腔流動(dòng)的速度大，因?yàn)楦?dòng)凹模的作用，有齒腔部分軸向力的作用有利于下齒端的充填，又由于上模向下運(yùn)動(dòng)而下模保持靜止，所以坯料上半部分的流動(dòng)速度大于下半部分的流動(dòng)速度，當(dāng)成形到終了階段，此時(shí)坯料向齒腔流動(dòng)受到三向壓應(yīng)力的作用，等效應(yīng)力較大，而此時(shí)坯料在中心孔受兩向壓應(yīng)力作用，等效應(yīng)力較齒腔部分小，坯料流向中心孔部分的流動(dòng)速度大于齒形部分的流動(dòng)速度。
如圖6行程載荷曲線圖所示，成形開始時(shí)，上模與坯料接觸載荷線性上升，隨后金屬的變形相當(dāng)于鐓粗，此時(shí)載荷上升緩慢，成形力也小；當(dāng)坯料與開始進(jìn)行齒腔時(shí)成形載荷線性上升后，隨著上模的不斷下行，坯料逐漸的流向凹模型腔，齒腔部分充填越來越多，少量的坯料流向中心孔，成形力緩慢增大，自由面越來越少，材料流動(dòng)速度快，等效應(yīng)力和等效應(yīng)變都明顯增大；在成形終了階段，坯料壓下量非常小，而變形力卻急劇增加，曲線幾乎成直線上升，因齒腔已基本充滿，此時(shí)坯料不斷的流向中心孔部分，但齒腔角隅部分的成形時(shí)，材料處于三向靜水壓力狀態(tài)，成形載荷急劇上升，此時(shí)等效應(yīng)力和等效應(yīng)變值也達(dá)到最大值。
3 結(jié) 語
通過有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)軸分流分流和浮動(dòng)凹模耦合工藝成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合模擬結(jié)果可知，可較好的成形出直齒圓柱齒輪的齒形。通過對(duì)等效應(yīng)變場(chǎng)、等效應(yīng)力場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布分析可知，成形過程中材料先大量流向齒腔部分，等效應(yīng)力等效應(yīng)變不斷的增大。在終鍛階段，由于在最后成形期，齒腔角隅處留有很小的自由面，因此將導(dǎo)致終鍛期成形力急劇上升，齒形部分的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變達(dá)到最大值，但因?yàn)橹行目撞糠肿杂擅娴拇嬖冢髁洗罅康牧飨蛑行目撞糠帧Ｍㄟ^對(duì)直齒輪冷鍛成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)成形過程進(jìn)行數(shù)值分析，有利于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程中對(duì)成形過程的良好控制，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。
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