直齿锥齿轮毛坯摆辗数值模拟及优化

摘要

摆动辗压是一种局部加压连续塑性成形技术。直齿圆锥齿轮摆动辗压精密成形工艺是一种先进的齿轮加工技术，具有材料利用率高、生产率高、生产成本低、齿轮机械性能好和使用寿命高、成形尺寸精度高等诸多优点。在齿轮加工领域有着广泛应用。 本文在研究直齿圆锥齿轮摆动辗压工艺的基础上，利用有限元法分析了齿形成形过程中金属填充规律，阐述了直齿圆锥齿轮摆动辗压成形特点，重点研究了三种毛坯形状对直齿锥齿轮成形质量的影响，分析了鼓形毛坯最优形状尺寸设计。 根据齿轮零件及摆辗模具原型，利用三维造型软件UG对零件造型并用PRO/E对模具进行造型，得到直齿圆锥齿轮摆动辗压成形的模具及零件模型，为成形工艺有限元模拟分析提供了依据。在此过程中介绍了UG和PRO/E一些相关的模块应用，如模具设计模块、可行性与最优化分析建模。 基于刚塑性有限元理论，建立了直齿圆锥齿轮摆辗成形的有限元分析模型。基于DEFORM-3D有限元模拟软件，应用三维刚塑性有限元算法对直齿圆锥齿轮摆动辗压成形过程进行了模拟分析，得出三种毛坯金属的流动状态、等效应力应变分布规律，齿轮成形过程，由模拟结果分析得知在三种毛坯中鼓形最有利于其成形。 通过设计一个参数量鼓度α来表达鼓形的尺寸设计，在以上结果的基础上进一步深入研究鼓形毛坯形状优化，改变α值的大小选取不同的模型在同一摆辗的工艺参数下再次进行有限元数值模拟，分析探讨不同鼓度毛坯的成形规律及其对直齿锥齿轮成形质量的影响，选用摆辗总载荷最小和凹模最大等效应力最小为优化目标，对摆辗总载荷与α的关系曲线及凹模最大等效应力与α的关系曲线进行了拟合，分别导出了摆辗总载荷、凹模最大等效应力与α的函数表达式。通过综合两个曲线函数得出最优化鼓形毛坯鼓度α=1.6。最终实现优化目的。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

1.1引言

1.1.1传统齿轮制造方法

1.1.2齿轮精密锻造

1.1.2齿轮摆动辗压的优点

1.2摆辗成形工艺

1.3摆辗加工的研究概况

1.3.1国外摆辗应用及发展

1.3.2国内摆辗应用及发展

1.3.3一些摆辗研究的方法介绍

1.4选题的背景和意义

1.5主要研究内容和目标

1.6本章小结

第二章 直齿锥齿轮成形数值模拟基本理论及模拟软件介绍

2.1引言

2.2塑性成形过程研究方法

2.3刚塑性有限元基本理论

2.3.1刚塑性有限元基本原理

2.3.2基本假设

2.3.3刚塑性材料的边值问题

2.3.4理想刚塑性材料的变分原理

2.3.5刚塑性材料不完全广义变分原理

2.3.6塑性边界条件

2.3.7摩擦边界条件

2.3.8网格单元自动生成和重新划分

2.3.9迭代控制与收敛

2.4有限元软件介绍

2.4.1 DEFORM软件介绍

2.5小结

第三章 直齿锥齿轮参数化建模及数值模拟准备

3.1坯料尺寸确定

3.2直齿锥齿轮预制坯的制取

3.3摆头运动轨迹

3.3.1摆辗机中摆头的基本结构及运动

3.3.2摆头的运动轨迹对直齿锥齿轮成形的影响

3.4摆辗工艺参数及其作用

3.4.1摆头倾角γ

3.4.2摆辗时间t和每转压下量s

3.5直齿锥齿轮成形数值模拟准备

3.5.1几何模型建立

3.5.2在UG中创建齿轮模型

3.5.3在PRO/E中创建齿轮模具模型

3.6接触模型和摆辗参数

3.6.1刚塑性有限元模拟分析步骤

3.6.2模型网格划分及边界条件的施加

3.6.3摩擦模型的选取

3.6.4摆辗工艺参数的选择

3.6.5摆头运动的设置

3.7小结

第四章 毛坯形状的数值模拟

4.1引言

4.2数值模拟

4.2.1模拟条件

4.2.2模拟条件及参数的选择

4.2.3摆辗过程模拟的初始条件

4.3有限元数值模拟结果及分析

4.3.1齿轮件模拟效果图

4.3.2速度场分布

4.3.3等效应力分布

4.3.4等效应变分布

4.3.5压力—行程曲线

4.4坯料的变形机制探讨

4.4.1主动区的变形

4.4.2被动区的变形

4.5本章小结

第五章 鼓形毛坯形状数值模拟优化

5.1引言

5.2鼓形毛坯的可行性与最优化分析建模

5.2.1设置特征参数

5.2.2可行性与最优化分析

5.3模拟结果及分析

5.3.1载荷—行程曲线

5.3.2优化分析

5.4本章小结

第6章 结论与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文