齿轮闭式锻造新工艺方案的数值模拟研究
齿轮毛坯锻造成形的数值模拟
成形过程 的数值 进行模拟对保证齿轮机械性能和材料 的合理选 择是至关重要 的。 关键 词 ： 齿轮 精锻 数值 模 拟 工艺
齿轮是机 械装 备 的主 要基础 件之一 ， 很多机械 的传 动 是由齿 轮组成 的机 构实现 的， 它在起 重 ， 船舶 ， 轧钢 ，
矿山等工程领 域有 着非常广泛 的应用。 传统 工艺 上齿轮 加工要 经过 毛坯 热 处 理 、 坯 加工 、 形 加工 、 端加 齿 齿 齿
的圆盘状 零件 ， 材料为 ４ ５号 钢 ， 因此 ， 毛坯选用 ４＃棒 及前后处 理等许 多方面 较 国内产 品有 很大优势 。 ５ 软件 的
料。 毛坯 形状 较 为简 单 ， 以一 次锻压 成 形 。 据初 步 工作原 理如 图 ２所 示， 分 ５个模 块 ： 可 根 共
于 受到运 输重量 和外形尺寸 等的影 响， 车架 的结 构型式
使 用 ＭＡＲ ．ｕ ｅＦ ｒ 模拟软件进 行齿轮毛坯锻 Ｃ Ｓ ｐ ｒｏｍ 压成 形过程 的数值 模拟 。 软件 是国外 的一款体 积成 形 该
１ 典型齿轮 零件简介
图 １是一个典 型的齿轮毛坯零 件 图。 齿轮是典型 有 限元 模 拟软件 ， 图形处 理 、 该 在 用户界面 、 据 结构 以 数
（） 拟结果可视化处 理模 块 ： ５模 用户要求计算 机能
“ Ａ Ｘ ．Ｅ Ｌ Ｅ Ｍ ＥＮ Ｔ Ｄ Ｇ Ｅ ＬＥ Ｎ Ｇ ＴＨ ： ３”一 一 Ｍ Ｅ ０．
“ ＲＥＭＥｓ ＢＯＤＹ： Ｈ ＷＯＲＫ Ｐ ＥＣＥ” 变形力 选 择 Ｉ ： “ ＨＹＤＲ ＡＵＬ Ｃ Ｐ Ｓ Ｔ Ｅ ， 形过程终止定 Ｉ ＲＥ Ｓ Ｓ ＡＧ ” 变
工、 齿面 热处 理 、 精基 准修 正及齿 形 精 加工等过 程 。 近 年来 ， 以精 锻 工艺加工齿 轮是一种具 有 良好 开发前 景的
双联齿轮精锻成形工艺及数值模拟分析_张清萍
双联齿轮精锻成形工艺及数值模拟分析张清萍1尚 勇2王玉增1赵国群21.济南大学,济南,2500222.山东大学,济南,250061摘要:针对双联齿轮的结构特点,提出了两种双联齿轮成形工艺,设计了坯料的合理形状,建立了三维有限元分析模型。
通过工艺分析和不同工艺条件下的材料流动过程三维有限元动态仿真,研究了变形全过程的材料塑性变形行为、流动规律、几何尺寸变化以及成形件几何质量和缺陷等。
对比有限元模拟结果发现:闭式模锻工艺齿形填充较差,产生折叠缺陷或充不满现象;挤压成形工艺齿形填充良好,是双联齿轮精锻成形的优选方案。
研究结果为双联齿轮成形工艺实用化研究提供了理论指导或技术支持。
关键词:双联齿轮;精锻;数值模拟;有限元中图分类号:T G376 文章编号:1004)132X(2006)S2)0119)04Numerical Simulation of Precision Forging Process for Duplicate Gear Zhang Qing ping 1 Shang Yong 2 Wang Yuzeng 1 Zhao Guoqun 21.Jinan University,Jinan,250022 2.Shando ng U niversity,Jinan,250061Abstract :Precision forging pr ocess of gears has advantage in saving material and ener gy consump -tion,reducing the cost and improv ing product quality.Duplicate g ears have co mplicated g eo metr ies,and are difficult in precision defo rmatio n.Tw o for ging processes o f duplicate gear are put forw ard ac -cording to its structure characteristic.The appropriate geom etries of billets are designed,and 3D FEM model for the precision forg ing pr ocesses is established.The form ing law s,m aterial plastic behavior,chang ed g eo metr ies and the qualities of the w o rkpieces are ex plor ed by finite elem ent sim ulation.Ac -cording to the simulation r esults,the g ear teeth ar e filled badly w ith fold flaw in clo se die forg ing pro cess.The extrusion process in w hich the gear teeth are filled w ell is a feasible process.The study pro vides a techno logy foundation for pr actical production.Key words :duplicate g ear;precisio n fo rging;numerical simulation;FEM收稿日期:2006)08)08基金项目:济南大学博士启动基金资助项目(B0423)0 引言双联齿轮是汽车工业中常用的关键零件。
闭式锻造工艺方案设计方法
闭式锻造工艺方案设计方法一、闭式锻造工艺的基础理解。
1.1 闭式锻造工艺是啥呢？简单来讲，就像是给金属来一场“密室塑形”。
它是在封闭的模具型腔里对金属材料进行锻造的一种工艺。
这种工艺可不像在开放环境里锻造那么随性，它更像是一场精心编排的舞蹈，每一个动作都得精准到位。
1.2 它的好处可不少啊。
就好比“一箭双雕”，既能提高材料的利用率，又能让锻造出来的零件尺寸精度高。
这就好比做一件衣服，布料用得恰到好处，而且做出来的衣服尺寸还特别合身。
二、工艺方案设计的关键因素。
2.1 材料的选择那可是重中之重。
不同的材料就像不同性格的人，有的“温顺”，有的“倔强”。
比如低碳钢就比较好塑形，像个听话的孩子；而高合金钢可能就比较难搞，就像个叛逆的少年。
所以在设计工艺方案的时候，得先摸清楚材料的“脾气”。
2.2 模具的设计那得像打造一个精密的仪器。
模具的型腔形状、尺寸公差都得精心考量。
这就如同盖房子，房子的户型、每个房间的尺寸都得规划得严丝合缝。
而且模具的材料也要耐磨、抗压，就像一个坚强的卫士，能经得住锻造过程中的各种“考验”。
2.3 锻造设备的选择也不能马虎。
就像挑马要挑强壮有力的一样，锻造设备得有足够的力量和精度。
如果设备力量不够，就像小马拉大车，根本完不成任务；要是精度不够，那锻造出来的零件就会像个歪瓜裂枣，不符合要求。
三、工艺方案设计的步骤。
3.1 首先得进行工艺分析。
这就像是医生看病前的诊断，要把材料、零件的形状、尺寸要求等都研究透彻。
比如说要锻造一个复杂形状的零件，那就得好好琢磨怎么在闭式模具里让金属乖乖听话，变成想要的形状。
3.2 然后就是制定详细的工艺参数。
这包括锻造的温度、压力、变形速度等。
这些参数就像做菜时的调料用量，多一点少一点都可能影响最后的“口味”。
温度太高，材料可能就像被烤焦的面包，变形过度；压力不够，零件就可能“发育不良”，达不到尺寸要求。
闭式锻造工艺方案设计可不是一件简单的事儿，就像走钢丝，得小心翼翼，每个环节都得考虑周全。
齿套闭塞式锻造成形研究
第14卷 第2期 精 密 成 形 工 程2022年2月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING33收稿日期：2021-07-05基金项目：校企合作项目（W2021JSKF0334） 作者简介：闫中原（1996—），男，硕士生，主要研究方向为材料成形过程与技术。
通讯作者：李萍（1973—），女，博士，教授，主要研究方向为精密塑性成形工艺与仿真。
齿套闭塞式锻造成形研究闫中原，张晓波，徐洪磊，刘乐，纪小虎，李萍（合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 230009）摘要：目的 为了解决某截齿齿套锻压载荷大、模具寿命低、齿套腔充填难等技术问题。
方法 采用数值模拟的方法，选取不同的始锻温度和冲头进给速度，对截齿齿套热锻成形过程进行模拟分析，根据模拟结果优化参数。
结果 研究发现上下冲头载荷的增长趋势基本一致，但在成形伞头侧壁及伞头尾部时，下冲头成形载荷的增长率相较于上冲头有所增加。
采用上冲头进给速度为10 mm/s ，下冲头进给速度为23.50 mm/s ，始锻温度为1000 ℃的优化参数，其最大成形载荷不会出现明显增加，另外最大等效应力和最大损伤因子皆较小，并且金属填充效果良好。
结论 通过分析始锻温度和冲头进给速度对截齿齿套成形的影响，并对其进行优化和控制，得出了最优工艺参数区间，为实际生产提供了参考依据和理论指导。
关键词：齿套；闭塞式锻造；始锻温度；冲头进给速度DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.006中图分类号：TG316.3 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2022)02-0033-06Closed Die Forging Forming of the Truncated Tooth Sleeve YAN Zhong-yuan , ZHANG Xiao-bo , XU Hong-lei , LIU Le , JI Xiao-hu , LI Ping(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)ABSTRACT: The work aims to solve the technical problems in forging of truncated tooth sleeve such as high forging load, low die life and difficulty in filling the cavity. Numerical simulation was used to simulate and analyze the hot forging forming proc-ess of a truncated tooth sleeve by selecting different starting forging temperature and punch feed rates, and the parameters were optimized according to the simulation results. The growth trend of the load on the upper and lower punches was basically the same. However, in the forming of side wall and end of the umbrella head, the growth rate of the forming load on the lower punch increased compared to that on the upper punch. With the optimized parameters of an upper punch feed rate of 10 mm/s, a lower punch feed rate of 23.50 mm/s and a starting forging temperature of 1000 ℃, the maximum forming load did not increase significantly. In addition, the maximum effective stress and the maximum damage factor were smaller, and the metal filling ef-fect was better. The effects of the starting forging temperature and punch feed rate on the forming of truncated tooth sleeve are analyzed and the starting forging temperature and punch feed rate are optimized to obtain the optimum process parameters, which provides a reference basis and theoretical guidance for practical production.KEY WORDS: truncated tooth sleeve; closed die forging forming; starting forging temperature; punch feed rate矿用截齿齿套是采煤机上重要的连接部件，起到装夹截齿，使之固定于截齿座的作用[1]，其中齿套是采煤机、刨煤机以及掘进机等采掘机械用在煤矿开采、巷道掘进以及隧道建设等工程中进行破岩落煤的. All Rights Reserved.34精密成形工程 2022年2月关键部件[2]，但由于工况环境较为恶劣，齿套和截齿磨损消耗较为严重[3]。
齿轮精锻的数值模拟与实验研究_江雄心
第9卷第1期2002年3月塑性工程学报JOURNAL OF PLAST ICITY ENGINEERINGVol 9 No 1Mar 2002齿轮精锻的数值模拟与实验研究*(南昌大学机电工程学院 330029)江雄心 万平荣 扶名福 林治平摘 要:本文对空心直齿圆柱齿轮的精锻成形过程进行三维刚塑性有限元模拟和实验研究。
通过有限元数值模拟和实验研究,得出了直齿圆柱齿轮精锻过程的金属流动规律和变形力学特征,揭示了直齿圆柱齿轮精锻过程的变形机理,数值模拟结果与实验结果吻合较好。
关键词:齿轮;精锻;有限元法;数值模拟;实验研究中图分类号:T G316/TH132 417*江西省科研课题资助项目;华中理工大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室资助项目。
收稿日期:2001 05 21;修订日期:2001 10 191 引 言齿轮精锻属于三维非稳态塑性成形过程,一般不能简化为平面或轴对称问题近似处理。
在成形过程中,既存在材料非线性,又有几何非线性,同时还存在边界条件非线性,变形机制十分复杂,并且接触边界和摩擦边界也难于描述。
有限元技术的迅速发展使得求解这类问题已成为可能。
目前,刚(粘)塑性有限元法是国内外学者公认的分析金属塑性变形问题的最先进的方法之一。
Yang [1]采用模块方法对圆柱直齿轮锻造过程进行刚塑性有限元分析,获得了变形过程中的坯料外形变化、力 行程曲线、变形体内的等效应变分布和平均应力分布。
我国从80年代中期开始研究应用三维塑性有限元法,取得了喜人的成果。
但对于复杂三维问题的有限元模拟研究仍有大量的工作可做。
长期以来,我国金属塑性成形的工艺设计和模具设计一直采用传统的凭经验、实验和规范的方法。
即在工艺设计和模具设计中,不是以金属在成形过程中的真实流动规律和具体流动状态为基础,而是依赖经验数据和经验公式,加上设计人员的估计和判断进行设计。
这种设计方法难以满足净形制造工艺的要求。
因此,利用塑性有限元等数值计算方法研究金属变形问题,特别是复杂的三维变形问题,既有理论意义,又有实用价值。
齿轮毛坯闭式锻造问题探讨
随 着 锻 造 技 术 的 发展 ，已经 有 越 来 越 多 的 锻件
要 指 上 下模 配合 间 隙 ，因为 闭式 模具 的上 模 要进 入
采用 闭式模锻技术。尤其是盘齿类的锻件 ，采用闭
式 模 锻 不 仅 能 够提 高材 料 的 利 用 率 ，而 且 省 去 了切
则 外径
（ ）为Ａ ，个 别 不需 要 拆 装 的部 分 甚 至 要 选 择 轴
过盈压装。
１ 选择 合理的封 闭高 度或打击力 ．
在 保证 下料 精 确 度 的前 提 下 ，一 定要 选 择 合 适 的封 闭高 度 （ 模 锻 压 力机 ）或 打 击 力 （ 热 螺旋 压 力 机 ） ，在 试锻 时 模 具 的封 闭高 度 可 从较 大 值 开始 试 验 ，逐 次 减 小 ，直 到 保 证 锻 件 充 满 且 不 出 毛 刺 为
严重情况还会造成锻件错位超差的缺陷。
二 、相关对策
图 ３
针对 以上 问 题 的 产 生原 因 ，综 合 实 际生 产 中的 经验 ，在 闭式 模 锻 的 工艺 和 模 具设 计 过 程 中应 从 以 下 几 个 方面 引起 注 意 。
如模 套和模具 配合处 内径 （ ）为 Ａ 孔
所 不 同 的是 开 式 锻 造 中的 飞 边是 存在 的 ，在 成
形过程中起 一定的作用 ；而闭式锻造 中的毛 刺则是
我 们 不希 望 得 到 的 ，一 般 应 控 制在 高 度 ２ ｒ以下 ， ｕ ｔｎ
厚度ｌ ｌ以下 。通过调整模具 及工艺 ，闭式锻造的 ｍＴ ｉ 毛刺也是可 以完全消除。产生毛刺的原因主要有以
越小越好。工装定位间隙是指上下模 中心之间的偏
铸造数值模拟仿真报告
本科生课程考核试卷科目：教师：姓名：学号：专业：上课时间： 20 年月至20 年月考生成绩：阅卷教师 (签名)一、前言计算机辅助设计（Computer Aided Design,简称CAD）：是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论证、产品总体设计、技术设计、零部件设计和产品图绘制等。
狭义铸造工艺CAD：即工艺设计，指用计算机软件在计算机上设计浇注系统、冒口、溢流槽、排气槽、冷铁、型芯等。
并进行工艺图绘制。
铸造工艺CAD可将计算机的快速、准确和设计人员的经验、智慧结合起来。
改变上千年的手工设计方式，缩短工艺设计周期，提高设计水平，提高产品的质量和竞争力。
二、产品分析及初步方案图1 图2如图1和图2所示，该产品为方向盘，此模型是一个方向盘，结构复杂，并且在实际使用过程中，需要承受较大的扭转力，一般为锌合金，或者铝合金，我们做模拟时就采用更便宜、更轻的镁合金并采用压铸工艺生产。
初步拟定工艺设计过程如下：1. 初步方案设计2.压铸工艺有关参数的选取3.根据产品体积，确定内浇口面积及形状。
4.横浇道和直浇道方案设计5.根据确定的参数，利用CATIA软件作出浇注系统三维模型。
6.利用Anycasting模拟充型过程三、具体设计过程1.初步方案设计图3金输液流动方向如图3所示，此零件结构复杂，在高压浇注过程中，充型速度很快，易产生激溅、铁豆，且型腔中气体不易于排除，所以根据上述易产生的缺陷，应采用底注式浇注系统，它不但能改善上述缺陷，还可以使内浇道很快被金属液淹没，实现快速平稳充型。
同时型腔中液面升高后使横浇道较快充满，较好挡渣，利于得到外形精美、质量优良的铸件。
由于此零件模型中间部分较为复杂，四周比较简单，中间位置充型易出现问题，所以浇注系统的位置应该选在下面部位上。
2.压铸工艺有关参数的选取图4铸件材料为AZ91D镁合金，铸件体积经UG计算为V铸 =m/p =760/1.8=422.2 cm3 金属液质量G=0.76kg液态金属密度p =1.8g/cm2充填速度Vg=40m/s型腔的充填时间 t=0.05s根据产品体积，确定内浇口面积及形状。
行星齿轮冷闭塞式锻造工艺数值模拟和试验研究
摘 要 ：针 对 行 星 齿 轮 ， 究 了 基 于 液 压 模 架 的 行 星 齿 轮 冷 闭 塞 式 锻 造 工 艺 。 应 用 Ｄｅｏ ｍ一 Ｄ 软 件 对 闭 研 ｆｒ ３
塞 式 锻 造 过 程 进 行 数 值 模 拟 ， 析 了该 工 艺 的 成 形 效 果 和 载 荷 情 况 ； 入 分 流 型 腔 结 构 ， 低 了 成 形 载 荷 。 分 引 降
工工 时 长 ， 本高 效 率 低 ， 仅 质 量不 易保 证 ， 成 不 而且
零 件 强 度 也 不 高 ， 难 满 足 现 代 工 业 发 展 的 需 很
要 一 。
企业 集 团研究 了闭塞 液 压 模 架 ， 压模 架 将 液 压 油 液
取代 了弹性元 件模 架 的弹 性元 件 ， 工 作 原 理跟 弹 其 性元 件模 架 的相似 。 文 中对行 星齿 轮 的液压模 架 闭塞式 锻造 工艺 进
Ｋｅ ｒ ｓ：ｐｌｎｅ ａ ｙ ｇ ａ ｙ ｗｏ ｄ ａ ｔ ｒ ｅ ｒ；ｈｙｄ ａ ｌｃ ｄｉ ｅ ｒ ｕ ｉ ｅ ｓ ｔ；ｃｏｓ ｄ ｄｉ ｏ ｇ ｎ ｌ ｅ ｅ ｆ ｒ ｉ ｇ；ｎｕｍ ｅ ｉａ ｉ ｕｌｔｏｎ ｒｃ ｌｓ ｍ ａ ｉ
圆柱 锥 齿轮传 统 的加 工方法 是采 用模 锻 制坯再
试 验 验 证 了 该 工 艺 的合 理 可 行 性 。
关 键 词 ： 星 齿 轮 ； 压 模 架 ；闭 塞 式 锻 造 ； 值 模 拟 行 液 数 中 图 分 类 号 ： Ｇ３ ６ ３ Ｔ １ ． 文 献标 识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：１ ７ —４ ７ ２ １ ） ６０ ０ —４ ６ ４６ ５ （ ０ ２ ０ —０ ５０
带轴齿轮坯闭式精锻成形数值模拟与实验研究
带轴齿轮坯闭式精锻成形数值模拟与实验研究孙建辉;谢瑞;薛克敏;汪长开【摘要】To study the closed precision-forging for shaft gear billet, a reasonable forming process was defined according to the special structure of the gear billet. The simulation analysis of closed precision-forging process was carried out by finite ele-ment analysis software. Corresponding physical experiment was carried out to validate the simulation results. Effective stress and strain distribution, metal flow pattern, temperature distribution and load change in the forming process were obtained through finite element simulation. The product made in experiment met the requirements and approximately agreed with the si-mulation results. In conclusion, gear billet made by closed warm precision-forging process meets the dimensional requirements. Therefore the process scheme is feasible. The simulation results are accurate and reliable and have a certain guiding function for actual production.%目的：研究带轴齿轮坯闭式温精锻成形的工艺过程。
轿车齿轮闭式冷精锻近净成形关键技术研究
背景
轿车车身覆盖件冲压成形技术是一种将金属板料通过模具在冲压机上加工成 形的工艺方法。在现代轿车制造中，冲压成形技术已成为车身覆盖件制造的关键 技术之一。车身覆盖件冲压成形技术要求高精度、高质量的材料流动控制，以保 证成形件的形状、尺寸和性能的稳定性。
应用关键技术
1、冲压工艺：冲压工艺参数的优化是冲压成形技术的关键，包括冲压速度、 冲压次数、板料温度等。通过优化冲压工艺参数，可以提高材料流动的均匀性， 减小成形缺陷，提高生产效率。
背景
轿车齿轮闭式冷精锻近净成形技术是在传统齿轮制造工艺的基础上发展而来， 通过采用先进的闭式冷精锻工艺，使毛坯在三向受压的情况下发生塑性变形，从 而获得具有高精度、高强度、低耗高效的齿轮。该技术对提高齿轮制造质量、缩 短生产周期、降低生产成本具有重要意义，是现代轿车齿轮制造业的发展趋势。
关键技术
4、精度检测与质量控制：通过精密的测量仪器和方法，对齿轮的尺寸、形 状、位置精度进行检测，以确保齿轮的质量和性能符合要求。
4、精度检测与质量控制：通过 精密的测量仪器和方法
1、采用新型的表面处理技术，提高毛坯的表面质量和材料利用率；
2、设计新型高精度、高稳定的模具，降低模具制造成本，提高成形过程的 稳定性；
轿车齿轮闭式冷精锻近净成形关键技术主要包括以下几个方面：
1、毛坯准备：选用合适的材料和规格的毛坯，进行表面处理，以保证毛坯 的表面质量和使用性能。
2、模具设计：根据齿轮的形状和精度要求，设计制造高精度、高稳定的模 具，以保证成形过程的稳定性和齿轮精度。
3、冷精锻成形：在精准控制的条件下，使毛坯在三向受压的状态下发生塑 性变形，进而获得具有高精度、高强度的齿轮。
三、钛及钛合金近净成形技术研 究进展
闭挤式精冲工艺的数值模拟及参数优化
闭挤式精冲工艺的数值模拟及参数优化齿圈压板精冲是制造板状精密轮廓零件的先进技术,但对材料的塑性要求较高,且可精冲材料的厚度有限。
闭挤式精冲是主要针对低塑性、厚板材料的一种新型精冲技术。
目前,该项技术已经获得了发明专利,并进行了一些初步研究,但该新工艺在工程实际中应用所需的基础研究进行得还不够,特别是所涉及的工艺参数优化问题还未得到解决。
本课题拟通过数值模拟和物理实验相结合的方法,对闭挤式精冲的工艺规律进行研究,并对相关工艺参数进行优化,以丰富其技术体系,为该新工艺的工业应用创造条件。
本文首先通过对材料进行拉伸试验,在获得材料性能参数的基础上求出了材料的流动应力方程,并通过体积相等理论计算出了坯料的体积计算公式,建立了有限元模拟模型,采用体积成形模拟软件—Deform 2D,对闭挤式精冲过程进行了有限元模拟。
其次,在借鉴以往研究和实验的基础上,分析了变形区材料所受应力状态对其断裂损伤的影响规律。
然后,在综合简单对比试验和正交试验各自优点的基础上,通过大量有限元模拟的方法,研究了反顶力和模具各工艺参数(凸、凹模间隙,凹模圆角半径,凹模型腔锥面的倾斜角度,凹模的压料长度和凸模与副凹模的预置高度差)对成形面光亮带比例的影响规律及影响程度大小;凹模倾斜角度与合模力的关系。
最后,在有限元模拟基础上,设计、制造了实验模具,并进行了相关物理实验,通过改变不同坯料的体积,检验并进一步修正了坯料体积的计算公式;提出了适用于闭挤式精冲的冲裁力、合模力及最佳反顶力计算公式;揭示了反顶力和相对冲裁间隙对工件成形面质量的影响规律,得到了闭挤式精冲工艺的合理参数。
研究表明,通过有限元模拟的方法所获得的闭挤式精冲的精冲力、合模力及反顶力与实际值比较接近;模具相对冲裁间隙和反顶力大小对工件成形面质量起着非常重要的作用。
直齿圆锥齿轮预锻齿形设计及数值模拟
直齿圆锥齿轮预锻齿形设计及数值模拟一、简介- 研究背景- 研究目的- 研究方法二、直齿圆锥齿轮设计基础- 齿轮的基本概念- 齿轮的类型和特点- 设计参数三、直齿圆锥齿轮预锻齿形设计- 预锻齿形的设计基础- 直齿圆锥齿轮预锻齿形的设计方法- 工程实例分析四、数值模拟分析- 模型建立- 材料模型和材料参数的确定- 数值模拟结果分析五、总结与展望- 结果分析- 研究意义- 发展趋势和未来研究方向一、简介随着工业化进程的加速和科技的不断进步，机械工业的发展也得到了飞速的发展。
作为机械系统的关键部件之一，齿轮在机械传动中发挥着至关重要的作用。
直齿圆锥齿轮作为常用的机械传动元件之一，其传动功效和精度受到齿形和工艺的影响，因此齿轮齿形和工艺的优化设计是提高齿轮传动性能和效率的重要手段之一。
在齿形方面，预锻也成为了直齿圆锥齿轮生产中不可或缺的单元。
因此，本文将通过直齿圆锥齿轮预锻齿形的设计和数值模拟分析来探讨如何通过齿形设计和预锻工艺优化直齿圆锥齿轮的性能，提高其传动精度和工作效率，为机械传动系统的发展做出贡献。
本文的研究目的为：通过预锻齿形设计和数值模拟分析，探讨直齿圆锥齿轮齿形的优化设计和预锻工艺优化对直齿圆锥齿轮性能和精度的影响，提高其传动精度和工作效率。
本研究基于齿轮设计基础理论和数值模拟技术，通过工程实例的分析验证了所提出的方法的有效性和实用性。
二、直齿圆锥齿轮设计基础齿轮是机械传动系统中最普遍的用于传递转矩和动力的装置之一。
齿轮是由齿面、齿根、齿顶、齿槽和齿距等形成的传动装置。
根据不同的传动形式和用途，齿轮可以分为直齿齿轮、斜齿齿轮、蜗杆齿轮、行星齿轮、锥齿轮等多种类型的齿轮。
其中直齿圆锥齿轮是一种常见的齿轮类型，其具有结构简单、传动效率高、运行平稳等特点。
直齿圆锥齿轮的设计参数包括齿数Z、模数m、齿距p、压力角α等。
其中齿距p是指同一齿轮上两相邻齿之间的中心距离，通常选择一定的模数值m和齿数Z以满足要求的齿距p值。
圆柱直齿轮冷闭式锻造有限元模拟
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。
神龙轿车齿轮闭式锻模液锻工艺试验研究
：
Ｓｃｉ ｅｎｃ ｅ ａ Ｔｅｃｈ ｌ ｇ ｌ ａｄ
研 究 报 告
神 龙轿 车齿 轮 闭式 锻 模 液锻 工 艺试 验研 究
汤 郁
（ 徐州机 电高级 技工 学校 江苏徐州 ２ １ １ ２１ ） ３ 摘 要 ： 文对试验产品 质量进行 了 本 分析和 试验研 究 ， 主要 内容 包括 ： 试验 条件和试验过程 的靖单介 绍 ； 液饺锻模 制品 的合金威份 的检 测 和分 析； 对液饭 饭模 制品的表 面和 内在 质量 进行 了分析并对缺 陷 的形成原 因作 了探 讨 ， 井提 出 了预防措施 。 关键 词： 液态模饭 齿轮 制品 检 测和 分析 中图 分类 号 ： Ｋ ６ Ｔ ２６ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章编 号 ： ６ ４ ０ ８ （ ｏ ０ ０ （） ０ ０ — ２ １ ７ — ９ ｘ ２ １ ）７ ｂ一 ０ ２ ０ 液 态 模锻 …是一 种 新 的金 属 成 形 工 艺 。 ＮＡＳ １ Ａ和 Ｌ ｃ ｈｅ ｄ 司 制造 卫星 上 的 波导 进行 了 分析 ， 出 了 解 决 方 法 。 ｏｋ ｅ公 提 采 用液 态 模 锻 技 术制 造 模 锻 过 程 中 的模 具 管 ， 波导 管 不 但 轴 向刚 度 好 ， 且 比原 有 其 而 （ 即锻 模 ） 可 将 报 废 的 锻 模 直 接 重 熔 再 利 石 墨 、 ， 环氧 一铝 层复 合制 造的 波 导管轻 ３ ％。 ２液态模锻试验研究 ０ 用 ， 可 大大 节 约 模具 原 材料 成 本 ， 即 又能 直 除 此 之 外 还 有 航 天 飞 机 桁 架 ， 星 抛 物 面 卫 由于 液 态 模 锻 工 艺 的 理论 研 究 目前 尚 接作 出锻 模 型槽 ， 量缩 减 机 加 工 量 。 当 天 线 骨 架 等 。 大 在 不 成 熟 和 完 善 ， 须 通 过 大 量 试 验 对 其 进 必 今 世界 能 源 短 缺 的 情 况 下 ， 低成 本是 目前 我 国液 锻 技术 １ ５ 年就 开始 研 究 ｆ ２ 行分 析研 究 。 ９７ 。 ０ 因此 ， 章 将 针对 中ｌ ７ ｍ轿 本 ｒ ５ａ 最 值得 思 考 的 问 题 ， 态 模 锻 试 验 采 用 的 世 纪６ 年 代 后 期 ， 项技 术 逐 步 发 展 并 陆 车 齿 轮 闭式 锻 模 坯 （Ｃ ５ ｏ ｉ ） 行生 液 ０ 此 ４ ｒＭ ＳＶ钢 进 废 锻 模 试验 ， 足 当 今的 经济 发 展 的要 求 。 续 用 于 生 产 。 产 品 有 汽 车 活 塞 、 轮 坯 、 产 性 液 锻试 验 ， 试验 条件 、 验 过 程 及其 满 其 齿 对 试 涡轮 、 电磁 铁 壳 体 、 扇 皮 带 轮 、 活 用 的 试 验 锻 件 的 质 量进 行分 析 与研 究 。 风 生 １研究现状 高 压锅 、 丝机 的 收 线盘 、 车铲 板 、 拉 货 法兰 、 本次 试 验 选 用 的 产 品 为 神 龙 轿 车 三档 目前 ， 无论 是 国 内还 是 国外 ， 都从 液 锻 电机 端 盖 、 汽车 的轮 毂 、 具 坯 等 。 了２ 从 动 齿 轮 锻 模 毛 坯 件 ， 锻 件 图 如 图 １ 模 到 ０ 液 所 模 具 的材 料 、 锻试 验 所 用 的 设备 、 锻产 世纪 ８ 年代 ， 液锻 工 艺 进行 稳 定 生 产 的 示 。 液 液 ０ 用 选择 的理 由主 要有 二 ：１该锻 模 生产 的 （） 品 的 质 量 分 析 等 方面 做 了 一 定 的 研 究 。 原 单位 有 几 十 家 ， 制件 品 种有 ７ 多 种 。 北 汽 锻 件 批量 大 ， 模需 求 数 量 相对 大 ， Ｏ 湖 锻 不容 易 （） 为 苏 联２ 世纪４ 年 代 初就 用 液 态模 锻 生 产 铜 车工 业 学 院 周惦 武 ， 汉军 ， ０ ０ 何 周述 积着 重 分 换 型 ；２ 该 锻 模 坯 结 构 相 对 简 单 ， 圆 饼 合 金 轴 承 零 件 ［， ２ 目前 ， 】 已把 铝 合 金 、 合 铜 适 析 了 热 锻 模 挤 压 铸 造 的两 个 阶 段 ： 注 过 件 ， 于 采 用 液 锻 工 艺 。 浇
圆柱斜齿轮闭式温锻数值模拟
圆柱 斜 齿 轮 闭式 温 锻 数 值 模 拟
吴 昊 伍 万 斌 ， 薛克 敏 ，
３０９ ． ８ 安徽 合肥 （。 １ 合肥工业大学 材料科学与工程 第 ３ 研究 所 ， ２０ ３ ） ３ ０ １
摘
要： 采用 闭式 温锻成形 工艺 方案成形 圆柱斜齿 轮 ， 相对于传统切削工艺 ， 以降低能耗 提高工效 。依 据圆 可
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第３ １卷 第 １期
２０ ０ ８年 １月
合肥 工 业 大 学 学报 （ 自然科 学版）
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齿轮坯闭式模锻模具参数化设计系统的研制
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锻压装备与制造技术
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齿轮坯闭式模锻模具参数化设计系统的研制
王 泽， 阎花敏， 刘小元， 池承忠 （太原理工大学 材料科学与工程学院， 山西 太原 *B**&@ ）
摘要： 针对齿轮坯闭式模锻模具设计， 详细研究了其参数化设计过程及其二次开发的方法和技术， 成功 开发了齿轮坯闭式模锻模具参数化设计系统， 实现了齿轮坯闭式模锻模具参数化绘图。 闭式模锻 关键词： 计算机应用； 模具 "#$ 系统； +,# ； 中图分类号： C8B%D;& 文献标识码： ,
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（>99U ） 文章编号： #8@><9#># 98<99;=<9?
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大型复杂结构件的三维建模和试验仿真
李长江， 陆 萍， 魏磊磊 （山东大学 机械工程学院， 山东 济南 >=998# ）
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第28卷第9期 2005年9月合肥工业大学学报(自然科学版)JOURNA L OF HEFEI UNI VERSITY OF TECH NO LOGYVol.28No.9 Sept.2005 收稿日期:2005203206基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(03044105)作者简介:刘全坤(1945-),男,江苏江阴人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.齿轮闭式锻造新工艺方案的数值模拟研究刘全坤, 胡成亮, 王 强, 胡龙飞(合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥 230009)摘 要:齿形充填不满和成形力过高是齿轮闭式锻造典型方案的缺陷。
模具几何形状是影响金属塑性流动的主要因素之一,通过改变模具的几何形状可以改变金属的塑性流动。
文章通过有限单元法,对3种设计方案进行了二维模拟计算,从数值模拟结果中获得了各方案的应变场和速度场的分布情况,并进行比较分析,得出一种合理可行方案,该方案的坯料沿径向流动速度分布较为均匀;最后,通过三维有限元模拟技术进一步对可行方案进行验证,发现齿轮充填饱满,成形效果较好。
关键词:直齿轮;闭式锻造;数值模拟;应变场;速度场中图分类号:TG 311 文献标识码:A 文章编号:100325060(2005)0921035204Numerical simulation research on a ne w technological scheme for closed 2die forging spur gearLI U Quan 2kun , H U Cheng 2liang , W ANG Qiang , H U Long 2fei(School of M aterial Science and Engineering ,Hefei University of T echnology ,Hefei 230009,China )Abstract :Unsuccess ful corner filling and excessive deformation force are the main limitations of classical cold closed 2die forging of straight spur gear.The m old shape is one major factor which affects metal deformation rules ,but metal plastic deformation process can be controlled through the change of the m old shape.The finite element method is used herein to simulate the cold forging process of the spur gear ,and three design schemes with different m old and die shapes are researched.Als o the strain distributions and velocity distributions are investigated.A feasi 2ble scheme is attained by analyzing tw o 2dimensional numerical simulation results of these schemes.Finally ,the fea 2sible scheme is further validated by three 2dimensional numerical simulation ,and the simulation results show that the corner filling is im proved and the whole forming effect is g ood.K ey w ords :spur gear ;closed 2die forging ;numerical simulation ;strain field ;velocity field 齿轮是一种典型的机械传动零件,在机械行业中大量使用,而直齿圆柱齿轮是各种齿轮中应用最为广泛的一种齿轮。
目前,直齿圆柱齿轮主要是通过传统的金属切削加工或采用热模锻与切削加工相结合的方法来制造,生产成本高而且制造费时[1]。
齿轮的冷精锻成形工艺具有提高强度、节能降耗、提高生产率等优点,目前国内有很多科研工作者在从事这方面的研究[26]。
直齿圆柱齿轮冷精锻过程中主要存在以下3个问题:①齿形充填不饱满;②成形力过高;③模具寿命低。
在典型的闭式精锻过程中,齿轮的角隅往往难以充满,导致产品不合格;成形力过大,导致模具寿命降低。
因此,如何使齿腔充满是保证齿轮质量的首要因素,它甚至是比如何降低成形力还要优先考虑,在实际生产中要求更为迫切。
1 模具设计方案的二维有限元分析塑性加工中,金属塑性流动受模具的几何形状及尺寸、摩擦作用、变形金属的材料性能、变形区的传热条件等因素的影响[7]。
在金属体积成形中,由于模具对坯料施加压力,迫使坯料在型腔中成形。
因此,工件的形状及性能与模具的几何形状紧密相关。
本文主要研究这一因素的影响,即通过改变模具的几何形状,来改变金属的塑性流动条件。
根据这一思想,笔者对3种设计方案进行了模拟分析。
在进行方案比较时,如使用三维模型来进行有限元模拟计算,显然是不太合适的。
因为与二维模拟相比,三维模拟的模型建立过程复杂、计算费时、计算成本高。
基于这一点,本文先采用二维有限元的方法,对3种不同的设计方案进行模拟计算;然后选定一种优选方案,再对其进行三维模拟验证。
在二维模拟时,采用相同的摩擦条件,库仑摩擦;材料取20MnCr 5,是一种低碳钢,直接从模拟软件的材料库中读取;由于是冷成形,热效应可以忽略不计,所以在计算时,不把热效应耦合进去,从而进一步简化了计算。
1.1 有限元模型的建立图1所示是闭式锻造典型方案的示意图,金属毛坯在凸模压力的作用下发生径向流动,充满凹模齿腔[8]。
为了便于进行二维有限元分析,将此方案作轴对称简化,建立如图2所示的有限元分析模型。
图2中,Sym 为对称轴,W p 为坯料,T op 为上模,Die 为凹模,Bot 为下模。
其中坯料已作网格划分,采用的是四结点四边形单元。
图3所示是3种不同设计方案的有限元分析模型。
设计方案1是齿轮闭式锻造的典型方案,上模和下模端面都是水平的。
设计方案2是在典型方案的基础上,下模端面保持水平,上模端面作一定改变。
设计成“”形。
设计方案3是在方案2的基础上作进一步改进,下模端面改成“”形。
图3 3种不同的设计方案1.2 模拟结果分析塑性变形的应变场和速度场,是通过有限元方法获得的重要信息,为研究金属塑性成形的变形规律提供了重要的分析依据。
下面提取应变场和速度场的信息来分析。
图4是方案1的等效应变和速度分布图。
增量步1.节点15(齿坯上部)2.节点165(齿坯中部)3.节点315(齿坯下部)(b ) 节点沿y 方向的流动速度分布图4 方案1的等效应变分布和速度分布在图4中,A =0.764;B =0.682;C =0.599;D =0.517;E =0.435;F =0.352;G =0.270;6301 合肥工业大学学报(自然科学版)第28卷 H =0.188。
从图4a 所示的等效应变分布可以看出,坯料的中心部分属于大变形区,是最早达到屈服的;齿坯的应变分布基本上是对称的,但齿坯下部的刚性区要大于上部,因为变形总是由上向下逐步传递的。
图4b 表明,齿坯上下两部分的径向流动速度的大小基本上是相等的,而齿坯中间部分径向流动速度明显要快。
这就是典型方案成形齿轮时在上下角隅出现塌角的主要原因。
图5所示是方案2的等效应变和速度分布图。
在图5中A =0.479;B =0.440;C =0.400;D =0.361;E =0.322;F =0.282;G =0.243;H =0.204。
从图5a 可以看出,齿坯下部分基本上无刚性区,说明该部分充分参与了变形;小变形区主要集中在齿坯上端面的中心处,这表明方案2变形向下传递的速度要比方案1快。
图5b表明,坯料中间部分的径向流动速度仍 增量步1.节点15(齿坯上部)2.节点165(齿坯中部)3.节点315(齿坯下部)(b ) 节点沿y 方向的流动速度分布图5 方案2的等效应变分布和速度分布然最快;上部的径向流动速度相对下部的较快,这是“”形上模端面对齿坯施加径向作用力的效应;而下部的径向流动速度最小。
可以预知上端面齿形的成形应该没问题,而下端面仍会有塌角现象发生;从整体上看,齿坯上下部分和中间部分的充形速度差减小了,必然有利于改善齿轮的整体成形效果。
图6所示是方案3的等效应变和速度分布图。
在图6中A =0.480;B =0.433;C =0.386;D =0.339;E =0.292;F =0.245;G =0.198;H =0.151。
从图6a 可以看出,整个齿坯都充分参与了变形,小变形区主要集中在上端面中心处。
图6b表明,“”形下模端面对坯料的径向作用力,加快了下部金属的径向流动速度,使得坯料上、下部沿径向流动速度基本一致;齿坯上、中、下3部分的径向流动速度的速度差较小。
与前两方案相比,该方案速度分布较为均匀。
因而可以预测此方案是合理的可行方案。
增量步1.节点15(齿坯上部)2.节点165(齿坯中部)3.节点315(齿坯下部)(b ) 节点沿y 方向的流动速度分布图6 方案3的等效应变分布和速度分布2 可行方案三维模拟的实现为了进一步验证第3种设计方案,有必要进行三维数值模拟计算。
本文的算例:齿轮模数2.5,齿数20,压力角20°,变位系数0,材料20MnCr 5,是从有限元软件的材料库中读出的低碳7301 第9期刘全坤,等:齿轮闭式锻造新工艺方案的数值模拟研究合金钢。
因为是冷锻工艺,取室温20℃作为初始温度条件,模具视为刚体,上模速度10mm/s 。
为保证成形良好,减少坯料成形初始阶段的自由镦粗的时间,坯料的外直径应尽量接近齿根圆,故取43mm 。
根据齿轮本身的对称性,同时考虑到计算成本,节约计算时间,取一个齿作分析。
其数值模拟的分析模型如图7所示。
图7 可行方案三维有限元分析模型通过后处理方法,将计算结果阵列,便可得到图8所示效果。
从图8可以看出,整个齿形饱满,齿轮的上下端面无塌角缺陷。
图8 模型结束时的等效塑性应变云图3 结 论从以上研究得出:(1)二维数值模拟计算结果可以为三维分析提供参考;采用先二维后三维的分析方法,节省了计算时间,降低了计算成本。