轿车齿轮精密成型的有限元模拟及齿形数字化修形

在三维有限元数值模拟软件DEFORM中模拟齿轮冷摆辗成形过程,得到成形过程的金属流动充填规律以及力学量场分布情况,并分析了模具在有预应力工况下,齿轮成形过程的模具受力弹性变形和齿轮出模后的弹性回复规律,绘制出模具弹性膨胀和锻件出模回弹后的齿形曲线。依据凹模的变形规律,在设计齿轮电极时进行预先补偿,从而保证摆辗齿轮的高精度。     

直齿轮冷精锻钢坯卸压孔直径对模具弹性变形的影响

针对直齿轮冷精锻成形过程中，模具因承受较大的成形载荷产生弹性变形，进而影响成形齿轮的成形精度等问题，基于径向分流法设计了不同卸压孔直径的钢坯，建立了坯料塑性成形与模具应力分析的有限元模型，研究了不同卸压孔直径对模具弹性变形的影响。根据模具型腔的弹性变形量，采用反补偿法修正了齿模齿廓曲线，并比较了修正前后锻件的变形量。结果表明：随着卸压孔直径的增大，模具弹性变形量先增大后减小，在卸压孔直径d₀=Φ20 mm时，模具的弹性变形量最小；模具不同高度的齿腔轮廓平面的弹性变形量变化形势一致，但增量幅度不同；上轮廓平面变形量最大且齿根到齿顶波动幅度大，峰值位于齿顶；齿模齿形修正后锻件的弹性变形量减小了28.6%。设计了3组不同d₀的坯料进行成形实验，实验结果与仿真结果基本吻合，通过减小模具弹性变形量可以提高锻齿的尺寸精度。     

温成形参数对螺旋锥齿轮弹性变形的影响

针对螺旋锥齿轮近净成形过程中,由于模具的弹性变形程度较大,从而导致模具寿命降低、齿轮精度不足等问题,对螺旋锥齿轮成形和模具弹性回复过程进行计算机数值模拟,并采取正交试验,研究坯料温度、压下速度、摩擦因子这3个变量对模具寿命、齿轮与模具弹性回复的影响,以用于指导实际生产中工艺参数的设定.在所设定的环境下,压下速度对弹性回...     

高精度锥齿轮冷闭式锻造齿模修形及加工电极设计

精密成形时弹性变形是影响锻件尺寸精度的重要因素。本文采用数值模拟的方法,以锥齿轮冷闭式锻造精密成形工艺为对象,模拟了锥齿轮的冷闭式锻造成形过程,揭示了在有预应力的工况下模具弹性膨胀变形及锥齿轮锻件出模后弹性回复的变化规律。根据模拟结果,分别绘制了模具弹性膨胀和锻件出模回弹后的齿形曲线。在定量分析了两者对齿轮精度的综合影响之后,运用反补偿法预先修正齿形凹模,并进行了齿模电极的设计。研究结果对齿轮精度的提高提供了重要参考。     

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。     

基于弹性变形行为的冷精整直齿轮尺寸预测

为预测冷精整圆柱直齿轮的尺寸精度,建立直齿轮及冷精整凹模的弹塑性-弹性三维耦合模型。通过有限元法,分别对冷精整过程中模具的弹性扩张行为和齿件出模后的弹性回复行为进行研究,得到了冷精整直齿轮的尺寸偏差分布规律,即在齿形方向,偏移量是沿着基圆到齿顶圆逐渐增大;在齿向方向,偏移量是自下而上逐渐增大。对直齿轮冷精整工艺进行物理实验,实验得到的尺寸偏差量与模拟结果的分布及变化趋势相一致,两者最大相对误差为8.5%。研究结果对冷精整齿轮的精度预测,及后续的模具修形具有参考价值。     

冷精整直齿轮和组合凹模弹性变形规律

采用有限元模拟和试验研究相结合的方法对倒档直齿轮冷精整成形中凹模和齿件的弹性变形规律进行研究。分别沿齿形方向和齿向方向对凹模和齿件的弹性变形特点进行分析,并将两者综合预测冷精整齿件的尺寸偏差。结果表明,凹模和齿件的弹性变形量沿渐开线齿面呈空间不均匀分布的特性是导致齿件精度低的主要原因。为实现直齿轮的精度控制,提出一种基于厚壁圆筒理论的齿形模具修正方法,利用应力外圈的预应力作用实现模腔修正,并进行试验研究,结果表明模具修正后的试验齿件的尺寸精度达到国标IT6级。     

碳纤维复合材料板热弯曲试验研究

为解决传统复合材料件成形效率低、制造成本高等问题,提出一种采用加热模具对复合材料板直接进行热冲压的复合材料成形新方法。该方法使用局部加热模具将复合材料板中需发生变形的区域进行局部加热,并借助复合材料加热到一定温度下软化的特点,使其随模具的运动逐步成形,并在模具作用下固化。对复合材料板V形件的热弯曲成形进行了试验研究,分析了成形温度、加载速度和开模温度对成形后工件精度的影响规律。试验结果表明：碳纤维复合材料板热弯曲性能良好,成形力小;通过测量试件室温回复角度发现,复合材料的热弯曲成形回复角度随着成形温度的降低而增大,随着开模温度的降低而减小。     

齿轮温挤精密成形工艺数值模拟

为了降低齿轮的成形力,在研究闭式镦挤成形齿轮法的基础上,提出了一种新的直齿圆柱齿轮温挤径向导流——约束分流两步成形工艺方案,采用三维大变形弹塑性有限元法对以闭式镦挤和以温挤径向导流——约束分流两步成形方式的成形情况进行了数值模拟分析。得到了新工艺成形过程的应力分布图以及载荷——形成曲线。数值分析结果表明：约束分流成形与闭式成形相比可明显降低成形力,有利于金属的流动,保证了齿形充填良好,改善模具受力条件,提高成形工件的质量。     

直齿圆柱齿轮开放成形数值模拟

为了降低齿轮精密成形力,在对闭式镦挤成形齿轮分析的基础上,提出了直齿圆柱齿轮开放成形新方法,即开放式温镦挤-冷推挤复合成形工艺。用三维刚塑性有限元对闭式镦挤和开放成形两种直齿圆柱齿轮成形方法进行了数值模拟分析。结果表明,开放成形与闭式成形相比,可明显降低成形力,改善模具受力条件,提高成形工件的质量。并根据模拟所得载荷-行程曲线,计算出开放镦挤齿形变位系数为0.2时,成形力所作功最小,为“开放镦挤”齿轮凹模的设计提供了依据。     

大模数半轴齿轮温精锻成形数值模拟及试验

针对大模数半轴齿轮成形的特点,提出温精锻成形的工艺方案。采用DEFORM-3D有限元分析软件对半轴齿轮的温精锻成形过程进行数值模拟,对影响齿轮成形效果的坯料形状、模具运行速度、坯料加热温度及模具预热温度进行模拟分析;分析坯料在成形过程中的金属流动规律、应变分布、温度场分布,得到了模具载荷-行程曲线;试验验证了该温精锻成形工艺的可行性,为半轴齿轮实际生产工艺的改进提供了参考。     

圆柱斜齿轮精锻成形数值模拟与试验研究

为探索圆柱斜齿轮精锻成形的新工艺,针对某一参数的圆柱斜齿轮,采用浮动凹模的工艺方案,对其进行数值模拟与物理试验。分析不同压下量下,斜齿轮的成形效果和脱模过程中的速度场、等效应变场,并与传统的闭式挤压成形进行对比。结果表明,圆柱斜齿轮采用浮动凹模的成形工艺较采用传统工艺,载荷下降约30%,脱模时,锻件齿形在模腔内沿螺旋方向做刚性平移运动,齿形几乎不产生塑性变形。为进一步研究圆柱斜齿轮精锻成形工艺提供了参考。     

Temperature conditions during ‘cold’ sheet metal stamping

This paper investigates the friction and deformation-induced heating that occurs during the stamping of high strength sheet steels, under room temperature conditions. A thermo-mechanical finite element model of a typical plane strain stamping process was developed to understand the temperature conditions experienced within the die and blank material; and this was validated against experimental measurements. A high level of correlation was achieved between the finite element model and experimental data for a range of operating conditions and parameters. The model showed that the heat generated during realistic production conditions can result in high temperatures of up to 108 °C and 181 °C in the blank and die materials, respectively, for what was traditionally expected to be ‘cold’ forming conditions. It was identified that frictional heating was primarily responsible for the peak temperatures at the die surface, whilst the peak blank temperatures were caused by a combination of frictional and deformation induced heating. The results provide new insights into the local conditions within the blank and die, and are of direct relevance to sheet formability and tool wear performance during industrial stamping processes.     

1-Shot hot stamping of ultra-high strength steel parts consisting of resistance heating,forming, shearing and die quenching

A 1-shot hot stamping process consisting of resistance heating, forming, shearing and die quenching was developed to produce small- and medium-size ultra-high strength steel parts. A rectangular sheet was resistance-heated to obtain a uniform distribution of temperature, and just after the end of heating, a sequence of forming, shearing and die quenching was performed by one shot to prevent the drop in temperature. An ultra-high strength steel spur gear having a hardness of 540 HV2 was produced by 1-shot hot stamping composed of heating, blanking and die quenching. The rollover was improved by partial compression of the blanked gear. An ultra-high strength stainless steel part having a hardness of 580 HV2 was produced by 1-shot hot stamping consisting of the heating, bending, shearing and die quenching, and no springback and quenching distortion of the produced part were observed by holding at the bottom dead centre of the press. An operation for thickening the edge of the punched hole was included in 1-shot hot stamping to improve the strength of a product.     

温挤齿轮模具尺寸修正的理论分析及有限元模拟

通过对齿轮温成形时尺寸变化进行理论分析及有限元模拟,提出了模具尺寸的修正量与修理系数的概念,并求出了45号钢在800℃温成形齿轮时的修正系数值k值,从而使得对齿轮温变形模具进行精确的修正成为可能。     

基于数值模拟的局部变过盈量组合凹模研究

借助有限元软件分析了预紧力状态下,采用均匀变过盈量设计的组合凹模能有效减小消气带区齿根的切向压应力,以避免线切割时模具的破损,但模芯成形区齿根的切向压应力也相应减小,无法完全抵消挤压时在成形区产生的拉应力,从而影响了模具的使用寿命。为解决这一问题,提出局部变过盈量组合凹模的设计方法,即在模芯上部采用均匀过盈量,下部采用变过盈量的设计,以保证预紧状态下模芯成形区齿根切向压应力不被减小,而只减小消气带齿根的切向压应力,有效提高了模具寿命。以模数m=4的某齿轮为研究对象,通过数值模拟,确定了锥角γ″=1°,γ''=1.2°,均匀过盈量区高度h=21 mm等参数进行实际生产,与均匀变过盈量模具寿命相比,提高了35%左右。     

转向齿扇多向精密成形工艺

为了降低转向齿扇成形载荷、提高成形模具寿命,通过对转向齿扇的结构特点和工艺性分析,结合多向成形金属流动特点,提出了转向齿扇多向精密成形工艺方案。采用有限元模拟软件DEFORM-3D,对转向齿扇多向精密成形过程进行了数值模拟,对其成形过程中的金属流动规律进行了分析并预测成形载荷。结果表明,成形过程中齿扇充填均匀,角隅充填饱满,多向精密成形工艺最大成形载荷比单向闭塞挤压成形载荷降低了29%,成形时间缩短了53%,有利于提高模具的使用寿命。对多向精密成形工艺进行了成形试验,试验成形出的转向齿扇充填饱满,成形载荷与预测载荷基本一致。试验结果表明了该工艺的可行性和实用性。     

基于数值模拟分析结合齿温锻成形工艺及缺陷控制研究

针对结合齿预锻坯料结构及齿形填充不满、材料折叠、模具使用寿命短的问题,利用DeForm-3D数值模拟技术研究预锻坯料连皮在中心和底面、径向和正向的成形方案对结合齿成形情况、凸模载荷、应力应变分布、凹模磨损的影响,获得了冲孔连皮在中间位置正向成形的温锻工艺方案,为结合齿预锻成形工艺提供了技术支撑,有助于企业降低开发和生产成本。     

阻流环及模具结构对大扩展比连续挤压成形的影响

大扩展比连续挤压是制造铜带的一种新技术,阻流环及模具结构是影响扩展成形的重要因素。根据大扩展比连续挤压扩展成形特点,建立基于DEFORM-3D刚塑性有限元模型,通过对铜带连续挤压过程的数值模拟,分析不同阻流环及模具结构下的金属流动规律、流速均方差。实验与数值模拟结果均表明,使用有促流角的圆鼓形阻流环及变定径带模具时,金属流动速度差最小;流速均方差为0.58时,变形最均匀。为连续挤压成形模具优化设计提供了重要的依据。