圆柱直齿轮冷闭式锻造有限元模拟
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２有 限元 建 模
在 研 究 圆柱 直 齿 轮 冷 闭 式 锻 造 时 金 属 流动 规 律 的影 响 时 ，为 简 化
一一
ｍ 一
ｉ
研究 对象 ， 忽略工具 的弹性变形 ， 材料符合刚塑性 硬化模型 ， 模拟 材料 为 Ａ ｌ０ ； 坯 模 具 的 摩 擦 方 式 为 剪 切 峰 擦 模 型 ， 擦 系 数 定 义 为 Ｌ １０ 毛 摩 ０１ ； ． 忽略温度效 应 ， ２ 取模 具 和试样温 度 同为 ２ ； 轮参数 为 ： 数 ０ 齿 模 ｍ＝ ｒｍ， ２ ａ 齿数 ｚ １ ， ＝ 压力角 ｏ ２ 。坯料 外径取 略小于齿根 圆直径 ， ８ ｃ ０； ＝ 为了 节 省有 限元分析时间 ， 考虑到齿轮零件的近似对称性 ， 取其 中两个齿作 为模拟分析对象 建立如图 １所示有 限元分析模型 。
１引言 ．
一
Ⅲ
ｍ
“●■●ｌ
圆柱直齿轮是一种在机械行业黾应用最为广泛的传 动零件 。目前 ， 圆柱直齿轮 主要是通过传统 的切 削加 工或采用 热模锻 坯与切削加工相 结合 的方法来制造 ， 生产成本高 ， 效率低 ， 而且 由于切 削加 工齿形 时 ， 切 断了齿部 的金属纤维流线 ， 导致该 丁艺加工 的齿轮强度低 ， 耐磨 性和抗 冲击 性 差 。 柱 直 齿 轮 闭 式 锻 造 ， 于利 用 金属 材 料 的流 动 性 去充 填 齿 圆 由
凸模 的继续下 行 ， 在成形终 ｒ阶段 ， 图 ２ 如 ｃ所示 ， 齿形 已完全充 满 ， 成 形质量较高 ， 齿腔处 由于金属 变形量较大 ， 应变值 达到峰值 ２６ 。图 ３ ．８ 为等效应力分布图 ， 图 ２的三个 阶段相对应 ， 与 其分布规律和等效应变 场 规 律 基 本 一 致 。 可 以 看 出 应 力 最 大 部 位 在 齿 腔 转 角 处 ，最 大 值 为 形型腔 ， 最后齿部不需进行切削加 ＿或 只留极小 的切 削加 工余量 ， Ｉ ： 保证 了较 完整的齿部纤维流线 ， 从而加 丁的齿轮性 能高 ， 而且 生产效率也得 到了极 大的提高 】本文以圆柱直齿 轮为研 究对象 ， 。 基于 刚塑性有限元 理论 ， 利用有限元分析软件为Ｔ具 ， 圆柱 直齿 轮冷闭式锻造工艺展开 对 研究 ， 寻其流动成形规律 ， 探 为其生产应用提供参考。
科技信息
专题 论 述
圆柱直齿轮 冷闭式锻造有 限元模拟
合肥 汽 车锻件 有 限责任公 司 陈 国强
［ 摘 要］ 本文针对 圆柱直齿轮切 削加工 ， 存在生产效率低 ， 能耗 大等 问题 ， 出冷闭式锻造工艺。利用三维有限元仿 真软件 ， 提 模拟其 成形过程 。通过提取等效应力 、 等效应 变和行程载荷曲线 ， 分析 了金属流动规律 ， 圆柱直齿轮的实际生产提供参 考。 为 ［ 关键词 ］ 圆柱直齿轮 冷 闭式锻造 有限元
（） ５ ３ ６： — ０ ２
［］ ３ 寇淑清 ， 杨慎华 ， 勇． 维复杂锻 造过程数值模拟及 直齿轮冷 赵 三
精 锻 成 形 研 究 ． 业机 械 学报 ，０ １ ３ （ ）９ — ８ 农 ２ ０ ，２ １ ：５ ９
图 ３等 效 应 力 分 布 图
应变场 、 应力场综合反映 ＿圆柱直齿 轮成形 时的金属流动规律 ， ｒ 决 定了其成形的质量 。 ２为圆柱直齿轮等效应变分布 图。 以看 出在压 图 可 下 量 为 ２ ％时 ， 料 开 始 流入 模 具 齿 腔 ， ０ 材 因为 材 料 流 动 时 ， 经过 齿 腔 转 角部位 ， 以该处 的应 变值略微增 大 ， 所 当压下量达到 ５％时 ， 料流动 ０ 材 加剧 ， 齿腔转 角处等效应变值继 续增加 ， 齿形 部已聚集较多材 料 ； 随着
［］ ４ 夏世 升， 王广春 ， 国群 ， 赵 张清萍． 直齿圆柱齿轮 冷精锻新 ｄ艺数 －
出现峰值一
参 考 文 献
［ ］ 宗强 ， Ｉ 孙 １ 田福 祥． 直齿 圆柱齿轮 精锻研 究的现 状及发展趋 势 青 岛建筑工程学院学报 ，０），４ ：８ １２ ２ （ （ ）９ — ０ （ ） ［ 利 ， 希 － ２蔡 张 圆柱齿 轮 冷 锻 成 形 技 术 探 讨 ． 属 成 形 工 艺 ，０ １ ９ 金 ２０ ， １
４结论 ．
（） １ 利用有限元分析软件对 圆柱直齿轮冷闭式锻造过程进行模拟仿 真， 可以极大地提高＿艺设计效率 。 ＿ ｆ ＝ （） ２ 网梓直齿轮 冷闭式锻造分 为二 个阶段 ： 三 镦粗 阶段 、 充填齿 腔阶 段 和 充 满 齿腔 阶段 ＝ 腔 角隅 处 是 最 难 充 填 的 部 位 ， 齿 成形 载荷 在 该 阶 段
三
３有 限元 模 拟 结 果
２６ ８
Ｓ ｒ ｋ ｍｍ） ｔｏ ｅ（
：
（ ）０ ａ２ ％压 下量 （ ５ ％压 下 量 ｈ）０ （・１０ （ ０ ％压 ＿量 ） Ｆ
网 ４行 程 载荷 曲线 图 ４为圆柱直齿轮冷闭式锻造行程载荷 曲线 图，可 以看 出在其成 形的过程 ， 大致可以分为三个阶段 ， 第一个阶段 ， 载荷呈直线 升 ， 阶 此 段为坯料还为未进入型腔阶段 ， 因为坯料外径略小于齿根 圆， 故其与模 具 有微小间隙 ， 陔阶段 类似于镦粗 ； 第二 阶段 ， 载荷 卜 升较 为平缓 ， 此 阶 段 为 材 料 进 入 杖 腔 ， 始 充填 齿 腔 阶 段 ， 着 坯 料 自 由流 动 面积 的 减 ｆ 开 随 少， 成形载荷逐渐上升， 该阶段持续 时间较长 ； 第三阶段 ， 以看 出曲线 可 在 较 短 的行 程 下 ， 直 线 上 升 ， 茼 增 加 非 常 迅 速 ， 阶段 是 充 满 齿 腔 呈 载 此 阶段 ， 为 在 第 二 阶段 材 料 已 大 部 分 充满 齿 腔 ， 最 后 的 成 形 角 隅 处 ， 凶 在 自由面非常小 ， 材料要克服三向静水压力 ， 将局部角隅处 充满就必然需 要 极 大 的 盛形 力
在 研 究 圆柱 直 齿 轮 冷 闭 式 锻 造 时 金 属 流动 规 律 的影 响 时 ，为 简 化
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研究 对象 ， 忽略工具 的弹性变形 ， 材料符合刚塑性 硬化模型 ， 模拟 材料 为 Ａ ｌ０ ； 坯 模 具 的 摩 擦 方 式 为 剪 切 峰 擦 模 型 ， 擦 系 数 定 义 为 Ｌ １０ 毛 摩 ０１ ； ． 忽略温度效 应 ， ２ 取模 具 和试样温 度 同为 ２ ； 轮参数 为 ： 数 ０ 齿 模 ｍ＝ ｒｍ， ２ ａ 齿数 ｚ １ ， ＝ 压力角 ｏ ２ 。坯料 外径取 略小于齿根 圆直径 ， ８ ｃ ０； ＝ 为了 节 省有 限元分析时间 ， 考虑到齿轮零件的近似对称性 ， 取其 中两个齿作 为模拟分析对象 建立如图 １所示有 限元分析模型 。
１引言 ．
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“●■●ｌ
圆柱直齿轮是一种在机械行业黾应用最为广泛的传 动零件 。目前 ， 圆柱直齿轮 主要是通过传统 的切 削加 工或采用 热模锻 坯与切削加工相 结合 的方法来制造 ， 生产成本高 ， 效率低 ， 而且 由于切 削加 工齿形 时 ， 切 断了齿部 的金属纤维流线 ， 导致该 丁艺加工 的齿轮强度低 ， 耐磨 性和抗 冲击 性 差 。 柱 直 齿 轮 闭 式 锻 造 ， 于利 用 金属 材 料 的流 动 性 去充 填 齿 圆 由
凸模 的继续下 行 ， 在成形终 ｒ阶段 ， 图 ２ 如 ｃ所示 ， 齿形 已完全充 满 ， 成 形质量较高 ， 齿腔处 由于金属 变形量较大 ， 应变值 达到峰值 ２６ 。图 ３ ．８ 为等效应力分布图 ， 图 ２的三个 阶段相对应 ， 与 其分布规律和等效应变 场 规 律 基 本 一 致 。 可 以 看 出 应 力 最 大 部 位 在 齿 腔 转 角 处 ，最 大 值 为 形型腔 ， 最后齿部不需进行切削加 ＿或 只留极小 的切 削加 工余量 ， Ｉ ： 保证 了较 完整的齿部纤维流线 ， 从而加 丁的齿轮性 能高 ， 而且 生产效率也得 到了极 大的提高 】本文以圆柱直齿 轮为研 究对象 ， 。 基于 刚塑性有限元 理论 ， 利用有限元分析软件为Ｔ具 ， 圆柱 直齿 轮冷闭式锻造工艺展开 对 研究 ， 寻其流动成形规律 ， 探 为其生产应用提供参考。
科技信息
专题 论 述
圆柱直齿轮 冷闭式锻造有 限元模拟
合肥 汽 车锻件 有 限责任公 司 陈 国强
［ 摘 要］ 本文针对 圆柱直齿轮切 削加工 ， 存在生产效率低 ， 能耗 大等 问题 ， 出冷闭式锻造工艺。利用三维有限元仿 真软件 ， 提 模拟其 成形过程 。通过提取等效应力 、 等效应 变和行程载荷曲线 ， 分析 了金属流动规律 ， 圆柱直齿轮的实际生产提供参 考。 为 ［ 关键词 ］ 圆柱直齿轮 冷 闭式锻造 有限元
（） ５ ３ ６： — ０ ２
［］ ３ 寇淑清 ， 杨慎华 ， 勇． 维复杂锻 造过程数值模拟及 直齿轮冷 赵 三
精 锻 成 形 研 究 ． 业机 械 学报 ，０ １ ３ （ ）９ — ８ 农 ２ ０ ，２ １ ：５ ９
图 ３等 效 应 力 分 布 图
应变场 、 应力场综合反映 ＿圆柱直齿 轮成形 时的金属流动规律 ， ｒ 决 定了其成形的质量 。 ２为圆柱直齿轮等效应变分布 图。 以看 出在压 图 可 下 量 为 ２ ％时 ， 料 开 始 流入 模 具 齿 腔 ， ０ 材 因为 材 料 流 动 时 ， 经过 齿 腔 转 角部位 ， 以该处 的应 变值略微增 大 ， 所 当压下量达到 ５％时 ， 料流动 ０ 材 加剧 ， 齿腔转 角处等效应变值继 续增加 ， 齿形 部已聚集较多材 料 ； 随着
［］ ４ 夏世 升， 王广春 ， 国群 ， 赵 张清萍． 直齿圆柱齿轮 冷精锻新 ｄ艺数 －
出现峰值一
参 考 文 献
［ ］ 宗强 ， Ｉ 孙 １ 田福 祥． 直齿 圆柱齿轮 精锻研 究的现 状及发展趋 势 青 岛建筑工程学院学报 ，０），４ ：８ １２ ２ （ （ ）９ — ０ （ ） ［ 利 ， 希 － ２蔡 张 圆柱齿 轮 冷 锻 成 形 技 术 探 讨 ． 属 成 形 工 艺 ，０ １ ９ 金 ２０ ， １
４结论 ．
（） １ 利用有限元分析软件对 圆柱直齿轮冷闭式锻造过程进行模拟仿 真， 可以极大地提高＿艺设计效率 。 ＿ ｆ ＝ （） ２ 网梓直齿轮 冷闭式锻造分 为二 个阶段 ： 三 镦粗 阶段 、 充填齿 腔阶 段 和 充 满 齿腔 阶段 ＝ 腔 角隅 处 是 最 难 充 填 的 部 位 ， 齿 成形 载荷 在 该 阶 段
三
３有 限元 模 拟 结 果
２６ ８
Ｓ ｒ ｋ ｍｍ） ｔｏ ｅ（
：
（ ）０ ａ２ ％压 下量 （ ５ ％压 下 量 ｈ）０ （・１０ （ ０ ％压 ＿量 ） Ｆ
网 ４行 程 载荷 曲线 图 ４为圆柱直齿轮冷闭式锻造行程载荷 曲线 图，可 以看 出在其成 形的过程 ， 大致可以分为三个阶段 ， 第一个阶段 ， 载荷呈直线 升 ， 阶 此 段为坯料还为未进入型腔阶段 ， 因为坯料外径略小于齿根 圆， 故其与模 具 有微小间隙 ， 陔阶段 类似于镦粗 ； 第二 阶段 ， 载荷 卜 升较 为平缓 ， 此 阶 段 为 材 料 进 入 杖 腔 ， 始 充填 齿 腔 阶 段 ， 着 坯 料 自 由流 动 面积 的 减 ｆ 开 随 少， 成形载荷逐渐上升， 该阶段持续 时间较长 ； 第三阶段 ， 以看 出曲线 可 在 较 短 的行 程 下 ， 直 线 上 升 ， 茼 增 加 非 常 迅 速 ， 阶段 是 充 满 齿 腔 呈 载 此 阶段 ， 为 在 第 二 阶段 材 料 已 大 部 分 充满 齿 腔 ， 最 后 的 成 形 角 隅 处 ， 凶 在 自由面非常小 ， 材料要克服三向静水压力 ， 将局部角隅处 充满就必然需 要 极 大 的 盛形 力