汽车结合齿冷锻数值模拟与工艺研究

发布时间：2017-08-25 07:18

  本文关键词：汽车结合齿冷锻数值模拟与工艺研究

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【摘要】：齿轮作为一种重要的传动零件，在汽车、轮船、飞机、机床、精密仪器仪表等各类产品中广泛应用，特别是在汽车传动中，齿轮的用量高达几十件。随着汽车工业的不断发展，对齿轮性能的要求也不断提高，在几十年的发展中，汽车齿轮逐渐形成了以精密模锻为目标的生产模式，其中已有近一半的汽车齿轮可用精密模锻方式生产，如起动齿轮、星形齿轮、同步器齿环以及部分直齿轮等。精锻齿轮与传统机加工方法生产的齿轮相比，具有材料利用率高、齿轮机械性能好、生产效率高、节约能源、降低成本、环境污染小等优点，提高了产品的竞争力，创造了显著的经济与社会效益。结合齿是汽车变速箱中的重要传动零部件，但由于结合齿结构较复杂、成形极为困难，不能用传统的锻造一次成形，在精锻技术研究领域很少见到报导。在国外，德国和日本已有公司研发出结合齿轮的精锻成形工艺并用于生产，但由于技术保密，未见其发表论文。本文以实现结合齿的精密模锻为目标，采用经典塑性成形理论、有限元模拟的方法对结合齿分流锻造成形机理及应用技术进行研究。 针对结合齿不能顺利出模的问题，将成形工艺分为两步，即先成形直齿，后再挤压倒锥。采用有限元数值模拟技术模拟了闭式精锻成形过程，研究了不同坯料对成形过程的影响，得到了金属流动的规律。阶梯状中空坯料成形，金属以径向充填为主，金属有回流现象，结合齿锁止角为最后充填区域，在齿形内端有折叠产生，成形载荷前期变化缓慢，后期变化剧烈。环状坯料成形，金属以轴向流动为主，充填顺序合理，，整个过程载荷平缓增加，成形良好。但最终两者成形载荷都较大。 采用分流锻造原理，对模具结构进行优化，使成形过程全以轴向挤压填充，同时也降低了成形载荷。分析了锻件尺寸对成形载荷的影响规律。内孔直径直接影响接触面积和金属自由流动的空间的变化，随着直径的增加，两者对成形载荷影响的主导地位不断变化，使得成形载荷先下降后又上升。随着圆角和齿形长度的增加，成形载荷分别呈现减小和增加的单一趋势。本文还分析了锻件的温度，应力，应变和损伤的分布情况。在成形过程中温度达200℃以上，最大值位于齿根圆角处。等效应力达800Mpa以上，主要分布在中间待变形区和齿形已变形区。等效应变在所选路径上呈波动状态，齿根圆上路径A呈单峰波动，齿顶圆上路径C双峰波动，总体而言路径A的等效应变比路径C的等效应变大，就各点而言，其等效应变在整个成形过程中都是不断增加的。锻件从齿形内端至外端其损伤总体均呈上升趋势，而且越靠近大端，损伤增长速度越快，齿顶圆处的损伤普遍大于齿根圆处的损伤。而在齿顶圆中间部位，由于挤压过程中材料的汇聚导致损伤值分布曲线上出现较小的波峰。 本文采用有限元模拟辅助设计的方法开发新工艺，改变了以往完全依赖于设计者的经验来设计模具的局面、提高了模具设计的可靠性、缩短了产品开发的周期、节约开发成本、避免了可能产生的错误，有利于提高企业市场竞争力。本文所得结论及规律可应用于其他同类齿轮产品的优化设计，为新产品的开发及优化设计提供了有效的技术支持。
【关键词】：结合齿轮 闭式锻造 分流锻造 刚塑性有限元 分布规律
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH132.41;TG316
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 引言9-10
• 1.2 国内外结合齿倒锥加工的现状10-11
• 1.2.1 国内倒锥加工趋势及现状10-11
• 1.2.2 国外倒锥加工趋势及现状11
• 1.3 课题背景11-12
• 1.4 研究目的、内容及意义12-13
• 1.4.1 本课题研究内容12
• 1.4.2 本课题研究目的及意义12-13
• 2 精密成形技术及刚塑性成形理论13-21
• 2.1 精密成形技术13-16
• 2.1.1 精密成形技术的内涵和基本类型13-14
• 2.1.2 精密成形技术的特点及应用14-15
• 2.1.3 精密成形技术的发展趋势15-16
• 2.2 刚塑性有限元基本理论16-18
• 2.2.1 刚塑性材料的基本假设16
• 2.2.2 刚塑性材料的边值问题16-17
• 2.2.3 刚塑性材料的变分原理17-18
• 2.3 体积成形数值模拟软件简介18-20
• 2.3.1 DEFORM 简介18-19
• 2.3.2 DEFORM 主要功能19
• 2.3.3 DEFORM 系统组成19-20
• 2.4 本章小结20-21
• 3 结合齿工艺分析及数值模拟21-35
• 3.1 结合齿的功能与结构21-22
• 3.2 结合齿冷锻件的工艺分析22-26
• 3.2.1 结合齿主要的加工方法22
• 3.2.2 工艺流程的确定22-23
• 3.2.3 零件结构分析及冷锻件图的制定23-24
• 3.2.4 毛坯的尺寸计算及处理24-25
• 3.2.5 整体精锻工艺的研究目标25-26
• 3.3 初始工艺方案有限元数值模拟26-33
• 3.3.1 有限元模拟模型及参数设置26-27
• 3.3.2 模拟情况分析27-33
• 3.3.3 初始工艺方案的比较33
• 3.4 本章小结33-35
• 4 工艺优化研究及倒锥成形35-52
• 4.1 引言35
• 4.2 模具结构的优化35-38
• 4.3 终锻件形状对成形载荷的影响38-41
• 4.3.1 内孔直径对成形载荷的影响38-39
• 4.3.2 圆角大小对成形载荷的影响39-40
• 4.3.3 齿形长度对成形载荷的影响40-41
• 4.4 摩擦条件对成形过程的影响41-43
• 4.5 成形过程中应力，应变和损伤的分布情况及分析43-49
• 4.5.1 成形过程中应力的分布情况及分析43-44
• 4.5.2 成形过程中应变的分布情况及分析44-46
• 4.5.3 成形过程中损伤的分布情况及分析46-49
• 4.6 倒锥成形模拟结果及分析49-50
• 4.7 本章小结50-52
• 5 冷锻成形模具设计52-57
• 5.1 引言52
• 5.2 冷锻成形模具设计52-54
• 5.2.1 冷段模具的要求及设计要点52-53
• 5.2.2 结合齿模具设计53-54
• 5.3 倒锥成形模具设计54-57
• 6 结论与展望57-59
• 6.1 结论57-58
• 6.2 展望58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63
• 附录63
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录63

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3 本报记者 王婷　汪s

本文编号：735788