铝合金锥齿轮等温锻造数值模拟及模具寿命研究

发布时间：2017-10-24 02:36

  本文关键词：铝合金锥齿轮等温锻造数值模拟及模具寿命研究

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【摘要】：齿轮是机械系统中广泛应用于力的传递及速度调节的重要工业零件,其工作性能对传动系统有着不可忽视的作用。目前,齿轮所用材料以钢为主,锻造时成形力较大,模具工况恶劣,寿命较低。铝合金具有比强度高、抗腐蚀性好、导热性好、美观且可表面处理等优点,在航空航天及汽车领域轻量化的趋势下,得到了越来越广泛的应用。因此,在不影响产品使用的条件下,用铝合金替换钢,能使工件轻量化,结构稳定,能耗降低。锻造铝合金的塑性相对来说都较好,但其流动性却没有钢好,且成形温度范围窄,导致热加工性较差,与钢相比成形较困难,多采用等温锻造的方法来成形。等温模锻所制造的齿轮成形质量好,尺寸精度高,但由于加热及保温系统的设置有一定的难度,且生产率较低等问题,造成齿轮等温锻造技术在实际的生产中还没有得到广泛的应用。本文以直齿锥齿轮为对象,以锻造铝合金7075作为齿轮材料,对其开式等温模锻工艺及参数优化进行研究。由零件图设计模具结构,采用UG软件绘制齿形模、背锥模及坯料的三维模型,通过DEFORM-3D软件建立有限元模型,对成形进行仿真分析,对坯料的速度场、载荷变化及锻件质量进行研究。针对锻件易出现的缺陷及最大载荷,利用正交试验及单变量法对成形过程的关键工艺参数(温度、连皮位置、连皮厚度、圆角半径、飞边厚度、上模速度、摩擦因子)进行优化,并以成形结果齿轮锻件完全充满无折叠等缺陷的前提下成形载荷最小为优化目标,得到不同工艺参数对成形载荷影响程度的大小,同时获得铝合金直齿锥齿轮开式等温模锻的最优工艺参数。齿轮在锻造过程中,锻模受到坯料力的作用会发生一定程度上的弹性变形,锻件出模后也会发生一定程度的弹性回复,这都对齿轮锻件的尺寸精度造成了不可忽略的影响。本文利用DEFORM-3D软件分别建立锻模弹性变形及锻件弹性回复的有限元分析模型,对锻模齿形型腔和锻件齿形的径向变形量进行分析计算,通过叠加得到锻件总的径向变形量。采用反补偿法在锻模原始尺寸的基础上去掉总的径向变形量,最终可实现锻模型腔的精确设计。精锻齿轮生产中,锻模是锻件尺寸精度保障的重要工装。锻模由于工况差,磨损较严重,对锻件精度造成消极的影响,甚至失效而报废。为了降低磨损,提高锻模寿命,分别从等温锻造工艺参数及锻模热处理工艺参数两个方面进行研究。首先对各工艺参数(硬度、温度、上模速度、摩擦因子)对锻模磨损深度的影响进行分析,得到各参数对锻模磨损深度的影响规律。其次对H13钢锻模的热处理工艺参数(淬火温度、油冷温度、第一次回火温度、第二次回火温度)进行了参数优化,以最终锻模磨损深度最小为优化目标,得到不同工艺参数对磨损深度影响的显著性,同时获得H13钢锻模的最优热处理工艺参数。最后,加工一套实验模具,设计实验装置,以铝合金作为实验材料,对齿轮等温锻造过程进行实验,通过实验结果与模拟的锻件形状对比,验证数值模拟的正确性。
【关键词】：铝合金 直齿锥齿轮 等温锻造 锻件精度 锻模寿命
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG319
【目录】：

• 摘要13-15
• ABSTRACT15-17
• 第1章 绪论17-27
• 1.1 引言17-18
• 1.2 齿轮精锻技术现状18-22
• 1.2.1 精锻技术发展18-19
• 1.2.2 精锻模具发展19-20
• 1.2.3 数值模拟发展20-22
• 1.3 铝合金锻造技术现状22-24
• 1.3.1 铝合金应用现状22-23
• 1.3.2 铝合金锻造技术23-24
• 1.4 等温锻造技术现状24-25
• 1.5 本课题的研究意义及主要内容25-27
• 第2章 铝合金直齿锥齿轮等温锻造工艺27-35
• 2.1 引言27
• 2.2 锻件工艺性分析27-28
• 2.3 等温模锻工艺28-29
• 2.4 直齿锥齿轮等温锻造工艺流程29-33
• 2.4.1 直齿锥齿轮零件图29
• 2.4.2 直齿锥齿轮锻件图设计29-31
• 2.4.3 坯料计算与确定31-32
• 2.4.4 等温锻造设备的选择32
• 2.4.5 等温锻造过程中的润滑32
• 2.4.6 切边与冲孔32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第3章 等温锻造过程数值模拟及参数优化35-49
• 3.1 引言35
• 3.2 有限元分析模型的建立35-36
• 3.3 有限元模拟结果分析36-39
• 3.3.1 锻件成形过程的金属流动及载荷变化36-37
• 3.3.2 锻件成形结果分析37-38
• 3.3.3 影响锻件质量及成形载荷的因素38-39
• 3.4 正交试验设计39-43
• 3.4.1 正交试验优化目标39-40
• 3.4.2 正交试验表设计40-41
• 3.4.3 正交试验结果分析41-43
• 3.5 最优参数模拟结果分析43-46
• 3.6 半等温锻造成形46-47
• 3.7 本章小结47-49
• 第4章 锻模型腔的精确设计49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 锻模型腔的弹性变形49-53
• 4.2.1 锻模弹性变形有限元模型的建立49-50
• 4.2.2 锻模弹性变形分析50-53
• 4.3 齿轮锻件的弹性回复53-56
• 4.3.1 锻件弹性回复有限元模型的建立53-54
• 4.3.2 锻件弹性回复分析54-56
• 4.4 锻模齿腔修正56
• 4.5 本章小结56-59
• 第5章 基于磨损的H13钢锻模寿命优化59-75
• 5.1 引言59
• 5.2 工艺参数对锻模磨损的影响59-62
• 5.2.1 初始硬度对磨损深度的影响59-60
• 5.2.2 温度对磨损深度的影响60-61
• 5.2.3 上模速度对磨损深度的影响61
• 5.2.4 润滑条件对磨损深度的影响61-62
• 5.3 H13钢锻模热处理工艺62-63
• 5.3.1 H13钢简介62
• 5.3.2 H13钢热处理工艺62-63
• 5.4 H13钢热处理工艺数值模拟63-66
• 5.4.1 JMatPro软件简介63
• 5.4.2 H13钢冷却转变曲线63-64
• 5.4.3 转变模型64-65
• 5.4.4 硬度预测模型65-66
• 5.4.5 Jominy淬透性曲线66
• 5.5 热处理数值模拟参数优化66-69
• 5.5.1 优化目标66-67
• 5.5.2 试验表设计67
• 5.5.3 试验模拟结果分析67-69
• 5.6 H13钢热处理最优参数结果分析69-74
• 5.6.1 温度均匀性69-70
• 5.6.2 相体积分数70-71
• 5.6.3 硬度71-72
• 5.6.4 残余应力72-73
• 5.6.5 锻模磨损73-74
• 5.7 本章小结74-75
• 第6章 铝合金锥齿轮等温锻造实验75-81
• 6.1 引言75
• 6.2 实验准备75-78
• 6.2.1 坯料选取及加工75
• 6.2.2 实验模具的设计75-76
• 6.2.3 加热及保温设计76-77
• 6.2.4 实验设备的选取77-78
• 6.3 实验过程及结果78
• 6.4 本章小结78-81
• 第7章 结论与展望81-85
• 7.1 结论81-82
• 7.2 展望82-85
• 参考文献85-91
• 致谢91-92
• 学位论文评阔及答辩情况表92

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本文编号：1086650