超声振动冷拔传动轴过程有限元仿真分析及工艺参数优化

发布时间：2017-08-07 08:13

  本文关键词：超声振动冷拔传动轴过程有限元仿真分析及工艺参数优化

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【摘要】：超声振动冷拔传动轴是一种在传统冷拔过程中叠加超声振动能的传动轴冷拔工艺。本课题主要针对传统冷拔传动轴精度不高(低于IT8)、模具磨损快、表面质量差等缺点,通过叠加超声振动以减摩降载实现精密冷拔,使产品能够直接装配轴承使用。本文是在预处理工艺(酸洗、中和、磷化、皂化等)和冷拔模具结构参数优化条件下,对超声振动冷拔传动轴进行有限元仿真分析、工艺参数优化、以及对超声振动冷拔传动轴实验装置进行了初步设计。以冷拔Φ50mm的45钢传动轴为研究对象,采用“同步加载,多步求解”方式施加纵向载荷,利用ANSYS Workbench和Pro/E分别对常规和超声振动冷拔传动轴过程进行了有限元模拟仿真分析,结果表明:超声振动可以有效减小冷拔力和摩擦力,但摩擦力的减小程度明显不如拉拔力,这主要是由于叠加超声振动后冷拔模具和工件之间的断续接触和高速冲击起到的减摩降载作用造成的;超声振动冷拔传动轴的摩擦力比常规冷拔摩擦力小,且定径区摩擦力都大于减径区摩擦力;另外超声振动对减径区作用比定径区明显。采用正交实验法对超声振动冷拔传动轴的三个主要工艺参数(冷拔速度、频率、振幅)进行仿真优化设计,结果表明:三个主要工艺参数对超声振动冷拔传动轴的影响次序为:振幅影响最大,振动频率影响次之,冷拔速度影响相对较小;优化后得到的最佳工艺参数组合为:振幅A=0.06mm、振动频率f=40k Hz、冷拔速度V=9m/min。对优化参数条件下的仿真结果与常规冷拔仿真结果进行了对比分析,结果表明:冷拔力的平均值、减径区接触压应力和定径区接触压应力分别比常规状态下减少43.39%、15.30%、11.87%。根据国家标准模胚选用冷拔Φ9.6mm的棒材为研究对象,以LW30冷拔机为实验平台,利用Pro/E软件对超声振动冷拔传动轴实验装置进行了设计,设计中采用“中空式”的换能器与变幅杆、“内嵌式”的模具固定方式等,采用这种设计可使结构简化,更利于超声振动装置的安装与调整。
【关键词】：超声振动 冷拔 冷拔力 传动轴 参数优化
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG356
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 研究的背景、目的和意义13
• 1.2 超声振动冷拔技术的国内外现状13-17
• 1.2.1 作用机理研究13-15
• 1.2.2 建模与仿真研究15
• 1.2.3 试验研究15-17
• 1.3 研究方案17-19
• 1.3.1 课题来源17
• 1.3.2 本文研究的主要内容17-18
• 1.3.3 本文的创新点18-19
• 第二章 超声振动冷拔理论19-25
• 2.1 超声振动冷拔19-20
• 2.1.1 超声振动冷拔的概述19
• 2.1.2 超声振动冷拔工艺的特点19-20
• 2.2 超声振动对冷拔过程的作用机理 666520-22
• 2.3 冷拔力的计算22-24
• 2.3.1 常规冷拔力的计算22
• 2.3.2 超声振动冷拔的理论分析及冷拔力计算22-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 超声振动冷拔传动轴过程有限元仿真分析25-41
• 3.1 弹塑性有限元的基本理论25-26
• 3.1.1 塑性成形的非线性问题25
• 3.1.2 弹塑性有限元分析的力学基础25-26
• 3.2 超声振动冷拔传动轴模拟仿真的可行性分析26-27
• 3.2.1 ANSYS Workbench简介26
• 3.2.2 超声振动冷拔传动轴模拟仿真的可行性26-27
• 3.3 冷拔传动轴的模拟仿真方案27-28
• 3.4 超声振动冷拔传动轴有限元模型建立28-30
• 3.4.1 简化与假设28
• 3.4.2 冷拔材料属性的定义28
• 3.4.3 几何模型的建立28-29
• 3.4.4 定义接触对29-30
• 3.4.5 有限元模型网格划分30
• 3.5 超声振动与常规冷拔传动轴过程有限元对比仿真分析30-39
• 3.5.1 超声振动冷拔传动轴过程有限元仿真30-33
• 3.5.2 常规冷拔传动轴过程有限元仿真33
• 3.5.3 仿真结果与分析33-39
• 3.6 本章小结39-41
• 第四章 基于有限元分析的超声振动冷拔传动轴工艺参数优化41-51
• 4.1 正交实验设计法概述41
• 4.2 超声振动冷拔传动轴工艺参数的正交实验41-44
• 4.2.1 工艺参数的选取41-42
• 4.2.2 工艺参数范围的确定42
• 4.2.3 冷拔质量评价指标的确定42
• 4.2.4 正交表的选择与设计42-43
• 4.2.5 实验方案与实验结果43-44
• 4.3 模拟实验结果分析44-47
• 4.3.1 极差分析44-45
• 4.3.2 方差分析45-47
• 4.4 优化参数下的模拟对比分析47-49
• 4.5 本章小结49-51
• 第五章 超声振动冷拔传动轴实验装置设计51-59
• 5.1 超声振动冷拔传动轴实验装置的组成51
• 5.2 超声振动系统的确定51-55
• 5.2.1 超声波发生器的选用51-52
• 5.2.2 振动系统材料的选择52-53
• 5.2.3 超声波换能器的设计53-55
• 5.3 超声振动冷拔传动轴装置的结构设计55-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 6.1 总结59-60
• 6.2 展望60-61
• 参考文献61-67
• 作者攻读硕士学位期间的科研成果67-69
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文67
• 作者攻读硕士学位期间参与的项目67-69
• 致谢69

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本文编号：633635