齿形件精冲成形时的齿顶塌角分析及措施

针对精冲成形齿形件时的齿顶塌角问题,首先分析了齿形零件的几何特征及精冲成形特点,并分析了这些特征与齿形零件精冲时齿顶塌角的关系;将精冲变形区分为2个核心变形区和2个变形影响区,对核心变形区Ⅰ精冲塌角的形成过程进行了分析。然后,通过有限元模拟软件Deform-3D,找出齿顶塌角处材料在成形过程中的流动规律。结果表明:齿顶处A面轮廓附近的材料沿齿顶径向运动,一部分材料流向齿顶外侧;齿廓B、C侧附近的材料沿其轮廓线所指向的齿顶方向流动。再次,全面分析了影响精冲齿顶塌角大小的各种因素,找出压边力和反顶力对塌角大小的影响规律,得出反顶力比压边力对控制塌角的效果更显著。最后,提出了在齿形零件精冲成形过程中减小或消除齿顶塌角的具体措施对策。     

大尺寸渐开线齿圈精冲技术

针对大尺寸渐开线齿圈的结构特点,结合精冲工艺特征分析了精冲制齿工艺的技术难点,设计了精冲模具。为了满足精冲工艺过程所需的三向压应力,针对性地开发了凸起式反压板结构和窄边凹模结构。结合凸起式反压板结构和窄边凹模结构特点,开展了大尺寸渐开线齿圈零件数值模拟实验和精冲制齿工艺实验,并对所加工的零件进行了检测。采用精冲工艺加工的大尺寸渐开线齿圈剪切面无撕裂,齿部变形区材料在三向压应力作用下,发生了较大的塑性变形,产生了加工硬化,齿部硬度值有了很大提升,提高了齿部耐磨性。所加工的齿圈零件齿根部表面硬度可达384 HV,齿侧部表面硬度相对于齿根部较低,硬度最大处为344 HV。通过精冲加工的齿圈零件齿部具有较高的残余压应力,能够提高零件齿部的耐疲劳性能,有效地增加了零件的使用寿命。零件齿部切向残余压应力为290.4 MPa,轴向残余压应力为455.6 MPa。     

闭挤式精冲直齿轮成形面的显微力学化学行为分析

直齿轮的齿廓形状复杂,其主要失效部位为齿部,通过对闭挤式精冲后的直齿轮齿部金相显微组织的观察、齿顶和齿根挤剪面附近的显微硬度分布测试,分析了闭挤式精冲直齿轮齿部的显微力学行为,同时通过极化曲线试验法研究了工件在3.5%Na Cl溶液中电化学腐蚀行为。结果表明:在靠近变形区的晶粒由于强大的三向压应力作用发生了巨大的变形,越靠近挤剪面附近的金属流线越致密,齿根的金属流线比齿顶细密。由于挤剪面附近材料变形程度很大,闭挤式精冲后的直齿轮齿部的加工硬化作用明显。齿部截面越靠近挤剪面显微硬度值越大,齿部轴向面内从塌角侧到毛刺侧,齿顶与齿根的显微硬度分布完全不同。精冲加工后直齿轮件耐蚀性能也有很大的提高。闭挤式精冲后的直齿轮的齿部有很强的耐磨性、抗疲劳强度,耐腐蚀性,直齿轮的使用寿命也得到了提高。     

闭挤式精冲成形直齿轮的齿顶撕裂问题

运用有限元分析软件分析了闭挤式精冲直齿轮齿顶端和齿根端剪切变形区材料的应力应变状态,以及凸凹模间隙、反顶力和外环填充率对齿顶撕裂的影响。结果表明:随着凸模下行,齿顶处静水压应力逐渐下降,齿顶附近侧面由于三面受摩擦力出现拉应力,导致静水压应力不足进而出现裂纹,另外加工硬化也会导致齿顶裂纹的出现;齿顶裂纹出现的几率与凸凹模间隙大小成正向关系,与反顶力和外环填充率大小成反向关系。研究发现,随着反顶力和外环填充率的增加以及凸凹模间隙的减小,可以有效控制裂纹的出现。     

精冲摩擦片齿部变形区的显微力学行为分析

为了避免切削加工的摩擦片常出现的齿根部断裂和齿面易磨损的现象,采用了先进的精冲工艺加工摩擦片。通过观察精冲摩擦片内齿心部和齿根部位金相显微组织,测量内齿齿顶、齿根部位从边缘到内部的取点硬度,检测内齿的齿根部位的残余应力,探究了摩擦片精冲件的内齿显微力学行为和性能。结果表明:精冲摩擦片的内齿部位塑性变形程度很大,齿面附近组织形成一条条致密的金属流线,而且越靠近齿根部边缘部分组织越致密;齿顶、齿根部位由于塑性变形程度很大,加工硬化程度也很大,且表面和齿顶较大;在齿根表面存在较大的残余压应力。精冲加工后摩擦片的力学行为显示摩擦片的内齿部位有很强的耐磨性、抗疲劳强度和抗冲击性,增大了摩擦片的使用寿命。     

闭挤式精冲直齿轮的材料流动分析

运用Deform-3D软件对闭挤式精冲直齿轮的材料流动特性进行数值模拟,分析了闭挤式精冲直齿轮成形过程中的反顶力对变形区材料流动特性和废料区涡流情况的影响。分析结果表明,反顶力可以有效延缓废料区材料涡流的消失,延迟拉应力出现,从而抑制产生早期裂纹;分析了齿顶、齿根面上材料流动情况,得出材料只在轴线方向流动,其他方向无明显流动,成形时齿根面受到的挤压作用大于齿顶面;观察齿轮成形试件的齿顶和齿根部无明显挤压纤维,验证了模拟结果的正确性。     

斜齿轮冷精锻模具弹性变形规律数值模拟研究

采用模具应力分析模块模拟分析了某一斜齿轮冷精锻模具的弹性变形,获得了模具应力分布;结合齿形凹模型腔几何特点,得出不同位置的型腔齿廓弹性变形量及弹性变形规律;根据所获得的齿形弹性变形量,采用反补偿法对齿轮凹模型腔齿形部分进行修正,并再次进行数值模拟和分析,比较了修正前后齿形弹性变形量。研究表明,不同高度齿形型腔曲线的弹性变形量变化趋势一致,但各齿形曲线的齿根、渐开线和齿顶3部分变形量不同,从齿顶到齿根和从齿形型腔上端面至下端面,其弹性变形量逐渐减少,凹模型腔齿形修正后可减小成形齿轮弹性变形量,从而为提高斜齿轮成形精度提供了方法。     

风电内齿圈感应淬火的数值模拟及验证

基于电磁-热-组织-应力耦合模型,对风电齿圈感应淬火过程的温度、组织和应力进行了数值模拟,同时采用硬化轮廓对比和硬度检测验证了仿真的可靠性。根据Maxwell方程和Fourier定律计算了齿圈表面加热和淬火过程的温度场,根据等转换法和K-M方程计算了齿圈表面组织转变过程和齿圈最终硬化轮廓。最后根据热-弹塑性模型计算了齿圈感应淬火后的整体残余应力分布。结果表明,对于温度变化,同一截面齿根温度最高,齿顶温度最低,齿面温度介于两者之间。对于淬火后的组织分布,起始端和终止端的齿廓处硬化层较厚,齿根和齿顶位置的硬化层厚度略小,但中间位置的硬化层分布均匀。对于残余应力分布,齿根处轴向应力从起始端到终止端为压应力-拉应力-压应力分布,切应力从起始端到终止端也为压应力-拉应力-压应力分布;齿廓处轴向应力为压应力状态,从起始端到终止端呈中间小两端大分布,切向应力为压应力状态,从起始端到终止端呈逐渐减小分布。     

基于双侧齿圈压边的厚板精密冲裁成形力学分析

针对普通冲裁方式获得的厚板冲裁件常存在尺寸精度低、断面质量差及翘曲严重等问题,采用双侧齿圈压边的方式对厚板精密冲裁成形进行模拟和力学分析,建立了厚板的精冲数学模型及有限元模型,研究了成形中应力应变问题及静水应力、材料流动的规律,并通过对6、8、10和12mm厚板进行有限元模拟,探讨了不同板厚对双侧齿圈压边精冲的影响,最后进行实验验证,分析结果表明双侧齿圈压边冲裁方式能够增加厚板剪切变形区的静水压力,充分发挥材料的塑性,提高厚板冲裁件断面质量。     

大型零件精冲尺寸精度控制

针对钢板的各向异性以及制件外形的非对称性所导致的精冲零件非规则变形的问题,以某汽车变速箱连接板零件为例,根据其结构特点、尺寸精度和所需精冲力大小,拟定了先落料后冲孔的精冲方案。通过试验研究了在不同材料轧制方向下,制件渐开线齿形内孔的跨齿距、齿顶圆、齿根圆以及4个圆孔位置度尺寸的变化规律。根据试验获得的制件尺寸与模具设计尺寸之间的差异,采用尺寸补偿方法,对精冲模具尺寸进行优化设计,进而加工出符合图纸精度要求的制件。为便于模具维护,对冲孔精冲模具的齿形孔凸模采用了特殊的上、下分体式设计。实际生产应用表明,制件渐开线齿形内孔尺寸及4个圆孔的位置度尺寸稳定,精度能够达到图纸要求。     

工艺参数对杯形内啮合齿轮旋压成形影响的数值模拟研究

基于金属塑性变形原理和旋压工艺的特点,提出杯形薄壁内啮合齿轮旋压成形技术,建立了齿轮旋压三维弹塑性有限元模型并进行了数值模拟,分析了齿轮旋压成形中各变形区不同方向应变分布和金属流动规律,定性地分析了主要工艺参数对齿轮旋压成形的影响规律。结果表明,压下量对齿轮成形起关键作用,并对齿根减薄影响大于齿顶增厚的影响,进给比对齿轮成形影响不大,大的旋轮圆角半径有利于齿顶增厚。该项研究为提高生产效率、优化产品质量提供了理论依据,同时也为进一步研究齿轮旋压技术奠定了坚实基础。     

工艺参数对杯形内啮合齿轮旋压成形影响的数值模拟研究

基于金属塑性变形原理和旋压工艺的特点,提出了杯形薄壁内啮合齿轮旋压成形技术,建立了齿轮旋压三维弹塑性有限元模型并进行了数值模拟,分析了齿轮旋压成形时各变形区不同方向应变分布和金属流动规律,定性分析了主要工艺参数对齿轮旋压成形的影响规律。结果表明,压下量对齿轮成形起关键作用,并对齿根减薄影响大于齿顶增厚的影响,进给比对齿轮成形影响不大,大的旋轮圆角半径有利于齿顶增厚。     

提升机减速齿轮断裂分析

对失效提升机减速齿轮进行了宏观和微观分析以及硬度检测。结果表明，齿轮齿面硬度不足，齿根处未淬上火，硬度和强度也较低，齿轮材料中有较大非金属夹杂物，在接触应力和弯曲应力作用下，齿轮从齿根处疲劳开裂。     

短纤维增强金属基复合材料拉伸应力场的有限元数值分析

运用空间轴对称弹塑性有限元方法,研究了短纤维增强金属基复合材料拉伸应力场分布。研究表明,基体和纤维的应力分布及基体塑性行为具有明显的不均匀性,材料参数（纤维长径比,纤维体积分数,纤维根间距和基体应变硬化指数）以不同方式通过影响应力传递基体约束变形和基体应变硬化进而影响应力场分布。     

基于参数化设计的斜齿轮弯曲应力研究

利用UG实现斜齿轮参数化设计的方法,建立斜齿轮的精确模型。通过UG与ANSYS的数据交换接口,把斜齿轮的几何数据导入ANSYS中,并转化成由节点及元素组成的有限元模型,研究了以均布载荷代替集中力的情况下,斜齿轮的变形及弯曲应力特性。实验结果表明,斜齿轮的最大变形在齿顶端部,最大弯曲应力在齿根位置。     

齿形参数对圆锯片应力应变的影响分析

通过正交试验和有限元软件ANSYS分析了鼠牙形齿的前角、顶角及齿根圆角对圆锯片应力应变的影响,分析了齿根圆半径对各种最大应力的影响。结果表明:前角、顶角及齿根圆角对锯片应变的影响很小,齿根圆半径对最大径向压应力、切向拉应力和最大Von Mises应力影响相对最大,齿顶角对其影响相对最小;齿顶角对最大径向拉应力和切向压应力影响相对最大,齿前角对其影响相对最小。得出了最佳齿根圆半径范围,同时找到了最大Von Mises应力分布特点。     

Thermo-mechanical modeling of orthogonal machining process by finite element analysis

A plane strain finite element method is used with a new material constitutive equation for 1020 steel to simulate orthogonal machining with continuous chip formation. Deformation of the workpiece material is treated as elastic–viscoplastic with isotropic strain hardening, and the numerical solution accounts for coupling between plastic deformation and the temperature field, including treatment of temperature-dependent material properties. To avoid numerical errors associated with large deformation of elements, automatic remeshing is used, with at least 15 rezonings required to achieve a satisfactory solution. Effects of the uncertainty in the constitutive model on the distributions of strain, stress and temperature around the shear zone are presented, and the model is validated by comparing average values of the predicted stress, strain, strain rate and temperature at the shear zone with experimental results. Parametric effects associated with cutting speed and initial work temperature are considered in the simulations.