铝合金锥齿轮等温锻造数值模拟及模具寿命研究

摘要

齿轮是机械系统中广泛应用于力的传递及速度调节的重要工业零件，其工作性能对传动系统有着不可忽视的作用。目前，齿轮所用材料以钢为主，锻造时成形力较大，模具工况恶劣，寿命较低。铝合金具有比强度高、抗腐蚀性好、导热性好、美观且可表面处理等优点，在航空航天及汽车领域轻量化的趋势下，得到了越来越广泛的应用。因此，在不影响产品使用的条件下，用铝合金替换钢，能使工件轻量化，结构稳定，能耗降低。锻造铝合金的塑性相对来说都较好，但其流动性却没有钢好，且成形温度范围窄，导致热加工性较差，与钢相比成形较困难，多采用等温锻造的方法来成形。等温模锻所制造的齿轮成形质量好，尺寸精度高，但由于加热及保温系统的设置有一定的难度，且生产率较低等问题，造成齿轮等温锻造技术在实际的生产中还没有得到广泛的应用。
　　本文以直齿锥齿轮为对象，以锻造铝合金7075作为齿轮材料，对其开式等温模锻工艺及参数优化进行研究。由零件图设计模具结构，采用UG软件绘制齿形模、背锥模及坯料的三维模型，通过DEFORM-3D软件建立有限元模型，对成形进行仿真分析，对坯料的速度场、载荷变化及锻件质量进行研究。针对锻件易出现的缺陷及最大载荷，利用正交试验及单变量法对成形过程的关键工艺参数（温度、连皮位置、连皮厚度、圆角半径、飞边厚度、上模速度、摩擦因子）进行优化，并以成形结果齿轮锻件完全充满无折叠等缺陷的前提下成形载荷最小为优化目标，得到不同工艺参数对成形载荷影响程度的大小，同时获得铝合金直齿锥齿轮开式等温模锻的最优工艺参数。
　　齿轮在锻造过程中，锻模受到坯料力的作用会发生一定程度上的弹性变形，锻件出模后也会发生一定程度的弹性回复，这都对齿轮锻件的尺寸精度造成了不可忽略的影响。本文利用DEFORM-3D软件分别建立锻模弹性变形及锻件弹性回复的有限元分析模型，对锻模齿形型腔和锻件齿形的径向变形量进行分析计算，通过叠加得到锻件总的径向变形量。采用反补偿法在锻模原始尺寸的基础上去掉总的径向变形量，最终可实现锻模型腔的精确设计。
　　精锻齿轮生产中，锻模是锻件尺寸精度保障的重要工装。锻模由于工况差，磨损较严重，对锻件精度造成消极的影响，甚至失效而报废。为了降低磨损，提高锻模寿命，分别从等温锻造工艺参数及锻模热处理工艺参数两个方面进行研究。首先对各工艺参数（硬度、温度、上模速度、摩擦因子）对锻模磨损深度的影响进行分析，得到各参数对锻模磨损深度的影响规律。其次对H13钢锻模的热处理工艺参数（淬火温度、油冷温度、第一次回火温度、第二次回火温度）进行了参数优化，以最终锻模磨损深度最小为优化目标，得到不同工艺参数对磨损深度影响的显著性，同时获得H13钢锻模的最优热处理工艺参数。
　　最后，加工一套实验模具，设计实验装置，以铝合金作为实验材料，对齿轮等温锻造过程进行实验，通过实验结果与模拟的锻件形状对比，验证数值+模拟的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 齿轮精锻技术现状

1．2．1 精锻技术发展

1．2．2 精锻模具发展

1．2．3 数值模拟发展

1．3 铝合金锻造技术现状

1．3．1 铝合金应用现状

1．3．2 铝合金锻造技术

1．4 等温锻造技术现状

1．5 本课题的研究意义及主要内容

第2章 铝合金直齿锥齿轮等温锻造工艺

2．1 引言

2．2 锻件工艺性分析

2．3 等温模锻工艺

2．4 直齿锥齿轮等温锻造工艺流程

2．4．1 直齿锥齿轮零件图

2．4．2 直齿锥齿轮锻件图设计

2．4．3 坯科计算与确定

2．4．4 等温锻造设备的选择

2．4．5 等温锻造过程中的润滑

2．4．6 切边与冲孔

2．5 本章小结

第3章 等温锻造过程数值模拟及参数优化

3．1 引言

3．2 有限元分析模型的建立

3．3 有限元模拟结果分析

3．3．1 锻件成形过程的金属流动及载荷变化

3．3．2 锻件成形结果分析

3．3．3 影响锻件质量及成形载荷的因素

3．4 正交试验设计

3．4．1 正交试验优化目标

3．4．2 正交试验表设计

3．4．3 正交试验结果分析

3．5 最优参数模拟结果分析

3．6 半等温锻造成形

3．7 本章小结

第4章 锻模型腔的精确设计

4．1 引言

4．2 锻模型腔的弹性变形

4．2．1 锻模弹性变形有限元模型的建立

4．2．2 锻模弹性变形分析

4．3 齿轮锻件的弹性回复

4．3．1 锻件弹性回复有限元模型的建立

4．3．2 锻件弹性回复分析

4．4 锻模齿腔修正

4．5 本章小结

第5章 基于磨损的H13钢锻模寿命优化

5．1 引言

5．2 工艺参数对锻模磨损的影响

5．2．1 初始硬度对磨损深度的影响

5．2．2 温度对磨损深度的影响

5．2．3上模速度对磨损深度的影响

5．2．4 润滑条件对磨损深度的影响

5．3 H13钢锻模热处理工艺

5．3．1 H13钢简介

5．3．2 H13钢热处理工艺

5．4 H13钢热处理工艺数值模拟

5．4．1 JMatPro软件简介

5．4．2 H13钢冷却转变曲线

5．4．3 转变模型

5．4．4 硬度预测模型

5．4．5 Jominy淬透性曲线

5．5 热处理数值模拟参数优化

5．5．1 优化目标

5．5．2 试验表设计

5．5．3 试验模拟结果分析

5．6 H13钢热处理最优参数结果分析

5．6．1 温度均匀性

5．6．2 相体积分数

5．6．3 硬度

5．6．4 残余应力

5．6．5 锻模磨损

5．7 本章小结

第6章 铝合金锥齿轮等温锻造实验

6．1 引言

6．2 实验准备

6．2．1 坯料选取及加工

6．2．2 实验模具的设计

6．2．3 加热及保温设计

6．2．4 实验设备的选取

6．3 实验过程及结果

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢