汽车P档棘轮外齿冷挤压成形工艺优化研究

摘要

对于汽车制造业来说，如何开发出高质量、低成本、短周期的汽车零件，是赢得汽车市场的关键。齿形件冷挤压技术具有生产效率高、产品性能优、制造成本低等优点而被广泛应用于汽车制造业中。但是现有冷挤工艺成形齿形件时，存在齿形充填不饱满，成形载荷大，模具寿命短等问题，尤其对于高齿高、大齿厚的齿形件。本文以汽车P档棘轮外齿成形为研究对象，制定了外齿冷挤成形工艺，基于正交实验的方法，得出了最优的工艺参数匹配，探讨了组合凹模的优化设计，给出了模具应力分布及磨损状况。其主要内容和结论如下： 根据P档棘轮外齿尺寸和结构特点，采用对比分析的方法，制定了该零件外齿正向冷挤压成形的工艺规程，在此基础上，设计了合理的模具结构。 采用正交实验的方法，以成形载荷、齿形充填饱满程度、下端面塌角长度、有效齿形长度为指标，借助Deform-3D有限元软件、Minitab数据分析软件，探究坯料外径、凹模入模半角、摩擦系数和工作带长度对外齿成形的影响规律，结果表明：凹模入模半角对P档棘轮外齿成形影响最大，坯料外径和摩擦系数次之，工作带长度对成形结果几乎没有影响。获得了工艺参数最优组合，验证了参数组合的可行性。 针对组合凹模寿命短的现象，理论计算了组合凹模结构尺寸，结合黄金分割法和数值模拟技术，优化了凹模内圈和中圈的过盈量，确定最优过盈量为0.42mm，得出凹模各圈等效应力分布情况及模具磨损情况，结果表明：优化后凹模最大等效应力1660MPa，降低了29%，凹模齿形预成形表面边缘磨损最严重，最大磨损量为3.010×10-6mm，凹模齿根处磨损情况次之，模具寿命约为80000次。 最后，对优化后的工艺方案和组合凹模进行工艺试验，试验结果表明：冷挤出的外齿齿形与模拟情况几乎完全吻合，下端面塌角长度≤1.1mm，有效齿形长度≥45mm，各项检验结果均在技术要求范围之内，模具工作28000次后，凹模齿形预成形表面边缘磨损量0.084mm，模具没有开裂，磨损量在合理范围之内。验证了优化的正向冷挤压P档棘轮外齿工艺方案切实可行。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 冷挤压技术概况

1.2.1 冷挤压的分类

1.2.2 冷挤压的优缺点

1.3 冷挤压齿形件国内外发展现状及趋势

1.3.1 国外研究和发展状况

1.3.2 国内研究和发展状况

1.3.3 目前存在的问题和发展趋势

1.4 汽车P档棘轮简介

1.5 课题研究的内容和意义

第二章 汽车P档棘轮外齿成形工艺及模具结构

2.1 引言

2.2 P档棘轮的设计

2.3 P档棘轮成形工艺对比

2.3.1 方案一：冷温复合挤压（1）

2.3.2 方案二：冷温复合挤压（2）

2.3.3 方案三：冷挤压

2.3.4 工艺路线方案的选择

2.4 模具结构设计

2.5 本章小结

第三章 塑性成形模拟技术的基本理论及关键技术

3.1 引言

3.2 金属塑性成形数值模拟的经典理论

3.2.1 弹塑性有限元理论

3.2.2 刚塑性有限元理论

3.3 塑性成形数值模拟的关键技术

3.3.1 模拟分析软件—Deform-3D简介

3.3.2 关键技术的处理

3.4 本章小结

第四章 P档棘轮外齿成形工艺数值模拟分析

4.1 引言

4.2 有限元模型的建立

4.3 模拟方案及工艺参数的确定

4.3.1 模拟方案的确定

4.3.2 工艺参数的确定

4.4 正交实验设计

4.5 正交实验结果及分析

4.5.1 极差分析

4.5.2 方差分析

4.5.3 确定最优工艺参数组合

4.6 最优参数组合的模拟分析结果

4.6.1 下端面塌角及齿形充填饱满程度分析

4.6.2 速度场分析

4.6.3 载荷—行程分析

4.6.4 等效应力分布分析

4.7 本章小结

第五章 P档棘轮外齿冷挤压模具分析

5.1 引言

5.2 模具的失效形式

5.3 三层组合凹模尺寸初步设计

5.4 基于黄金分割法的过盈量优化设计

5.4.1 黄金分割法简介

5.4.2 过盈量的迭代最优设计

5.4.3 凹模压合工艺

5.5 模具磨损分析

5.6 本章小结

第六章 P档棘轮外齿冷挤压过程工艺验证

6.1 引言

6.2 实验条件准备

6.2.1 实验设备及材料

6.2.2 压力机吨位的选择

6.3 实验结果及分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利

学术论文

申请专利

攻读硕士学位期间参加的科研项目