直齿圆柱齿轮连续冷挤压工艺及模具技术研究

发布时间：2017-08-03 22:26

  本文关键词：直齿圆柱齿轮连续冷挤压工艺及模具技术研究

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【摘要】：直齿圆柱齿轮是重载机械传动系统中的重要零部件并且市场需求量巨大。目前国内大模数直齿圆柱齿轮的批量生产依然以传统的切削加工方式为主,已经不能满足高效生产低成本、高性能的齿轮零部件的要求。现有工艺成形直齿圆柱齿轮时,齿顶充填不饱满,成形载荷大,模具易磨损开裂使用寿命低,齿轮精度差。工艺开发和模具设计水平直接影响着齿轮生产的综合经济成本和制造技术的发展。本文以某载重汽车轮边减速器中的太阳轮为研究对象,制定了三种高效的冷挤压成形工艺方案,分别建立了有限元模型进行全过程数值模拟仿真。详细分析了三种工艺方案成形过程中零件的成形质量以及速度场、应力场、应变场等基本塑性变形特征。从材料利用率、生产效率和工艺可行性三个方面对三种成形工艺方案进行综合评价分析,确定了最佳工艺方案。对连续冷挤压凹模型腔结构工艺参数进行优化得出入模角α=55°,劈分厚度b=1mm时零件的最大成形载荷相对较小同时获得良好的成形质量。针对连续冷挤压成形过程中模具的纵向开裂失效问题,本文采用将实验设计、数值模拟分析以及Kriging近似模型和遗传算法相结合的优化策略,并将该优化策略应用于连续冷挤压组合凹模的优化设计中。构建以组合凹模模芯齿形型腔等效内径D1、径向直径比N2、N3、N4和径向过盈系数λ2、λ3等结构参数作为优化设计的输入变量,凹模型腔最大等效应力值为响应值的Kriging近似模型。结合遗传算法对模型进行全局寻优,获得了最佳的结构参数组合为:D1=88.35mm,N2=1.7872,N3=3.0329,N4=4.0001,λ2=0.0025,λ3=0.0021。根据优化后的结构参数建立有限元模型进行CAE分析验证,工作状态下组合凹模模芯最大等效应力远小于材料的许用应力并且不会在模芯型腔内壁产生周向拉应力,说明该优化策略在复杂型腔组合凹模优化设计中可行。采用优化设计的模具和工艺方案进行太阳轮连续冷挤压生产试制。连续冷挤压成形外齿零件的外形轮廓和模拟结果相当吻合,而且在成形过程中组合凹模未发生断齿、开裂现象,验证了模拟分析的准确性和优化策略的可行性。对连续冷挤压成形的外齿零件,机加工后剃齿能明显提高齿轮精度。正火后拉削成形内齿,获得了完全满足质量和精度要求的产品。
【关键词】：直齿圆柱齿轮 连续冷挤压 组合凹模 有限元模拟
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG61;TG37
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-20
• 1.1 引言8-9
• 1.2 直齿圆柱齿轮精密塑性成形工艺研究9-17
• 1.2.1 直齿圆柱齿轮基本成形工艺9-13
• 1.2.2 直齿圆柱齿轮组合成形工艺13-15
• 1.2.3 直齿圆柱齿轮冷挤压成形工艺15-16
• 1.2.4 直齿圆柱齿轮轧制成形工艺16-17
• 1.3 研究目的和意义17
• 1.4 研究内容17-20
• 2 直齿圆柱齿轮成形工艺方案设计20-46
• 2.1 研究对象分析20-21
• 2.2 成形工艺方案制定21-24
• 2.2.1 方案一：内外齿同挤—精整外齿22
• 2.2.2 方案二：连续冷挤压外齿—精整外齿+挤内齿22-23
• 2.2.3 方案三：连续冷挤压外齿—精整外齿—机加内齿23-24
• 2.3 成形工艺方案的数值模拟分析24-39
• 2.3.1 有限元理论简介24-26
• 2.3.2 成形工艺方案有限元模型建立26-28
• 2.3.3 成形工艺方案模拟结果分析28-38
• 2.3.4 成形工艺方案确定38-39
• 2.4 连续冷挤压凹模型腔结构工艺参数优化39-43
• 2.4.1 入模角 α 对外齿成形的影响规律40-41
• 2.4.2 劈分厚度b对外齿成形的影响规律41-43
• 2.5 本章小结43-46
• 3 连续冷挤压组合凹模优化设计46-62
• 3.1 Kriging近似模型理论简述46-49
• 3.2 连续冷挤压组合凹模结构分析49-50
• 3.3 Kriging近似模型建立及优化设计50-55
• 3.3.1 设计变量和目标函数选择50-51
• 3.3.2 拉丁超立方抽样51-52
• 3.3.3 组合凹模有限元模型建立52-53
• 3.3.4 近似模型建立与优化53-55
• 3.4 CAE结果分析验证55-59
• 3.5 本章小结59-62
• 4 直齿圆柱齿轮连续冷挤压生产试制62-68
• 4.1 生产坯料制备62-64
• 4.2 生产设备64-65
• 4.3 模具加工和装配65
• 4.4 生产试制结果65-67
• 4.5 本章小结67-68
• 5 结论与展望68-70
• 5.1 结论68-69
• 5.2 展望69-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-76
• 附录76
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录76
• B. 作者在攻读学位期间申请的专利76

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本文编号：616635