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2021 - 01 - 07
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DEFORM在齿轮成形中的应用现状
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DEFORM在齿轮成形中的应用现状

介绍

作者:吴华春 上海安世亚太结构应用工程师

本文共计3974字,阅读时间预计9分钟


编者按

作者在本文中对齿轮整个成形过程所涉及的工艺进行了分析,并提出从切削到热处理的过程中,DEFORM可以进行一系列的仿真分析,帮助研发人员减少研发周期,避免人为的设计缺陷,为整个齿轮行业提供CAE仿真支持。

齿轮作为可以改变运动方向及形式以及传递力矩的部件,已经成为机械行业中必不可少的核心零件。特别是在国家提出“中国制造2025”发展制造业的时期,精密化的齿轮在汽车、高铁、航空航天、智能机器人等高尖端行业中,决定着这些的行业的根基。

简单举例,智能机器人手臂中的椭圆行星齿轮,其研发和生产基本控制在国外大公司手中。欧美日等西方发达国家在齿轮成形生产中,已经把CAE仿真完全融合到整个制造过程中。

利用CAE的优势减小生产成本,提高开发优势,是西方发达国家掌握核心技术的关键手段。

DEFORM作为业界公认应用最广泛的金属体积成形、切削加工以及热处理表面处理的CAE仿真软件,其可以为齿轮成形加工的过程提供CAE支持,提高齿轮的加工精度,下文将从齿轮的各种加工类型和热处理进行分类说明。


齿轮成形类型[1-2]

现代齿轮成形方法基本上分为2种,分别是切削成形和塑性成形。

齿轮切削成形

齿轮切削成形又分为仿形法和范成法。

仿形法

仿形法是指利用外形与齿轮齿槽相同或相近的成形刀具加工齿轮齿形的方法,包括铣齿、拉齿、磨齿等

范成法

范成法是指利用齿轮刀具和齿坯之间保持强制的啮合运动关系而成形齿轮齿形的方法,包括滚齿、插齿、剃齿等

DEFORM在齿轮成形中的应用现状

图-1 齿轮切削成形

齿轮塑性成形

齿轮塑性成形因采用少、无切削的净成形和近净成形,可节省材料、节约工时。最主要的是这种成形方法没有切断金属流线,采用压实和压密金属晶粒即可提高齿轮的强度(可以提高20~30%),增加齿轮的寿命

在现阶段,对于能够采用体积塑性成形的齿轮,各个齿轮生产公司和工厂大都采用此类方法。

齿轮塑性成形包含:冷挤压、冷镦、温挤压、热挤压、热锻、温锻、碾压、滚轧、径向锻造、摆碾、轧制等工艺,其中冷挤压、冷镦、碾压、滚轧和径向锻造又统称为冷精锻。


DEFORM在齿轮成形中应用

DEFORM在齿轮切削成形中的应用

■ 西安工业大学的刘冰[3]利用DEFORM对车齿、铣齿加工进行了仿真,对切削力、应力、加工应变、切削温度场和刀具磨损进行了分析,在与实际生产进行对比后,验证了仿真的正确性和可用性。

■ 湖北工业大学的余飞[4]利用DEFORM对直齿圆柱齿轮进行了单粒磨削齿面的磨削力、磨削温度场等的仿真,并进行了相应分析,得出:在相同磨削速度下,磨削力随着磨削深度增大而增大;不同的磨削速度对磨削力的影响也是显著的,磨削力随着磨削速度增大而增大,这种趋势在磨削深度较小时,不太明显,但在磨削深度较大时,变化趋势较明显。

■ 重庆大学的周力[5]将DEFORM模拟的切屑与物理实验所得的切屑进行了对比分析,得到了齿轮高速干式滚切过程的切屑变形规律,仿真切屑与实际切屑的吻合也从侧面验证了仿真实验的可靠性(图-5所示);并对比了不同滚切工艺参数的影响,确定切削力、切削应力、切削温度对成形结果的影响规律。

■ 沈阳工业大学的任仲伟、王冬等[6]利用DEFORM对锥齿轮铣齿过程进行仿真,分析出成形时刀具的切削力、温度场对刀具磨损的影响。

DEFORM在齿轮成形中的应用现状

▲图-2 DEFORM车削齿轮仿真Y向切削力[3]

▲图-3 DEFORM磨削齿轮的温度场[4]


DEFORM在齿轮成形中的应用现状

▲图-4 齿轮滚切

仿真模型[5]

▲图-5 DEFORM仿真切屑

与物理试验切屑[5]


DEFORM在齿轮塑性成形中的应用

■ 山东大学的夏世升、王广春、赵国群等[7-8]利用DEFORM仿真出了一种由空心坯成形直齿圆柱的新工艺:对预锻分流区——分流终锻进行仿真,得到了挤压载荷——行程曲线以及整个成形过程的应力、应变、速度分布等,终锻后齿形精度非常好 , 而且成形载荷降低近40%。

■ 重庆大学的叶彩红[9]利用DEFORM 有限元仿真分析软件对齿轮的冷挤压过程进行模拟,分析影响齿轮冷挤压成形的成形载荷、下端塌角、齿形回弹等因素,针对在行星直齿轮冷挤压成形工艺中,成形载荷过大、齿形塌角长度较长以及成形结束后齿形径向弹性回复影响齿形精度的问题进行优化并应用到实际生产中。

■ 武汉理工大学的王峰[10]等利用DEFORM的模具应力分析模块对斜齿轮冷锻模具进行了弹性变形规律的研究,提出修正凹模型腔齿形可以减小齿轮的弹性变形量,从而提高了齿轮的成形精度。

■ 华中科技大学朱怀沈[11]等根据广义胡克定律计算出大模数直齿圆柱齿轮理论精整量的取值范围,并利用 DEFORM对整形过程进行了模拟,分析得出整形量与齿面回弹量之间的关系,并据此进一步优化了齿轮的精整量。

■ 重庆理工大学的付森陶[12]利用DEFORM对直尺圆柱齿轮冷挤压成形精度进行分析,表明合理的模具结构参数在保证成形质量的同时可以有效地降低成形力;对挤压模具型腔进行修形,可以保证冷挤压齿轮的齿形精度;采用冷精整工艺,可以改善齿轮的齿向精度。

■ 上海工程技术大学的张猛[13]利用DEFORM的模具应力分析模块,对直角圆柱齿轮冷挤压模具进行回弹分析,得到回弹补偿量后进行再次仿真,其仿真结果和试验结果完全符合企业设计的要求。

DEFORM在齿轮成形中的应用现状

▲图-6 齿轮轮廓偏移 [12]

▲图-7模具补偿后的轮廓[13]


DEFORM在齿轮热处理及表面处理中的应用

■ 重庆理工大学的孙飞[14]利用DEFORM中的HT模块对大型齿圈进行热处理仿真分析,从热处理工艺和应力补偿的角度总结了热处理变形控制方法,结合实际生产特点设计了利用应力补偿原理控制变形的相关模具,并与重齿合作应用于实际生产,有效地减少了大型齿圈热处理变形。

■ 江西理工大学的邹洋[15]同样利用DEFORM中的HT模块对考虑冷却介质流动的渗碳淬火热处理进行了仿真研究,分析了弧齿锥齿轮在渗碳淬火热处理中的温度变化、组织演变规律,得到了碳元素分布、微观组织分布、硬度分布、残余应力及热畸变等信息,为热处理工艺参数的调整提供了重要参考。

■ 武汉理工大学的李淑洁[16]利用DEFORM对直齿圆柱齿轮的精冲成形进行了仿真,并对其渗碳淬火过程也进行了仿真,发现精冲成形过程中其剪切区内产生了大量高密度的位错、晶界、亚晶界,作为其渗碳过程中活性碳原子扩散的快速通道,加速了其扩散过程并获得了更大的扩散量,使其在随后的淬火过程中获得高含碳量的马氏体。因此,在相同渗碳淬火工艺的处理下,精冲变形区与非变形区相比,能具有更宽的渗碳层,且层内具有更为平缓的硬度梯度分布以及更大的平均显微硬度值;并且,精冲变形区越宽,其渗碳淬火效果越好。

DEFORM在齿轮成形中的应用现状

▲(a)不同深度碳元素分布

▲(b)碳元素分布图

图-8齿轮渗碳处理DEFORM仿真碳元素分布[15]


总结

CAE作为国内制造业进行产业升级的最主要的支持工具,对缩短产品研发周期、提高产品竞争力有着巨大推动作用。


而齿轮行业是整个制造业最核心的基础零件,其成形过程中的质量决定着整个行业的发展,使用DEFORM可以对整个齿轮成形过程进行仿真分析,包括切削、成形、热处理等仿真,可以极大缩短齿轮行业的生产周期和研发周期,避免不必要的设计缺陷等。


参考文献

[1] 左斌 圆柱直齿轮热精锻冷挤压复合成形关键技术研究[D]北京:北京科技大学 2015:2-4.

[2] 聂兰启 冷精锻新技术在我国的应用与发展[J]金属加工-冷加工 2012,(4):20-24.

[3] 刘冰 齿轮的车齿加工仿真分析[D]西安:西安工业大学,2014.

[4] 余飞 齿轮成形磨削界面热力耦合研究[D]武汉:湖北工业大学,2014.

[5] 周力 齿轮高速干式滚切过程有限元仿真实验及分析[D]重庆:重庆大学,2015.

[6] 任仲伟,王冬,宋鹏飞等 基于 DEFORM 的锥齿轮加工刀具铣削过程研究[J]机械2016,(4)43:22-24.

[7] 夏世升,王广春,赵国群等 直齿圆柱齿轮冷精锻新工艺数值模拟研究[J]热加工工艺2003,(2):22-23.

[8] 王广春,赵国群,夏世升 直齿轮精锻成形新工艺及试验研究[J]机械工程学报 2005,(2)41:123-126.

[9] 叶彩红 行星直齿轮冷挤压工艺技术的研究[D]重庆:重庆大学,2016.

[10] 王峰,冯玮 斜齿轮冷精锻模具弹性变形规律数值模拟研究[J]锻压技术 2016,(8)41:127-131.

[11] 朱怀沈,夏巨谌,金俊松等 大模数直齿轮温冷锻精整量的优化选择[J]塑性工程学报 2011,(18)1:53-57.

[12] 付森陶 载重汽车用齿轮冷挤压成形精度研究[D]重庆:重庆理工大学,2016.

[13] 张猛 齿轮冷挤压成形分析和模具优化[D]上海:上海工程技术大学,2010.

[14] 孙飞 基于数值仿真的大型齿圈热处理变形预测及控制[D]重庆:重庆理工大学,2015.

[15] 邹洋 基于多场耦合仿真的弧齿锥齿轮渗碳淬火热处理优化[D]重庆:江西理工大学,2017.

[16] 李淑洁 精冲齿轮断面微观组织及渗碳淬火研究[D]武汉:武汉理工大学,2017.


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