圆柱螺旋齿精密成形规律与工艺优化的分析

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1、ADissertationSubmittedtoWuhanUniversityofTechnologyInPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyResearchOilDeformationLawandProcessOptimizationofPrecisionForgingofHelicalGearsPh．D．Candidate：FengWeiSupervisor：Prof．HuaHuaInMajor：MaterialsProcessingEngineeringA

2、ffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineering劣I薯程歹大荨April，2011独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构

3、送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名)：>弓咔导师(签日瓤弘’l·了．jo武汉理工大学博士学位论文摘要圆柱螺旋齿轮因其重合度大、啮合性好、传动平稳，是机械行业中重要的传动零件，在汽车、航空航天等领域获得了广泛的应用。目前，圆柱螺旋齿轮仍然是采用传统的切削加工方法来生产制造，材料利用

4、率低，产品成本高，金属纤维被切断而使齿轮强度降低，难以满足社会生产的需求。而齿轮的精密成形工艺因其材料利用率高、生产率高、精度高、成本低、产品性能好而越来越受到人们的重视。圆柱螺旋齿轮的精密成形是多因素耦合非常复杂的成形工艺，由于因其结构形状复杂，在成形过程中，变形抗力大，齿轮角隅部分难以充满、材料的塑性流动复杂、产品的质量难以控制。本文利用分流的原理，提出了孔分流的闭式镦挤工艺成形圆柱螺旋齿轮。利用有限元模拟技术对圆柱螺旋齿轮的冷、温精密成形过程进行了系统的研究，主要内容和研究成果如下：(1)根据螺旋齿轮的渐开线的特点，基于Pro／EWildfire环境，

5、将其渐开线方程在直角坐标系进行参数化，然后结合参数化命令和关系式命令，建立齿轮的参数化模型。并且通过反算的方法，以参数化的齿轮为基础，利用MOLD／DESIGN模块获得了齿轮型腔的几何模型，以提高造型的精度和效率。(2)基于刚粘塑性理论，通过解决建立有限元模型时的表面单元数的确定、网格的细化及重画技术的确定、边界条件、模拟步长、迭代算法等关键技术在DEFORM．3D软件中建立了圆柱螺旋齿轮的冷、温精密成形的三维有限元模型。分析了不同的分流孔径、成形速度、摩擦系数对齿轮成形过程的影响。研究结果表明：选择适当的分流孔径可以降低成形载荷；摩擦因子越大成形力越大，坯

6、料等效应力的分布变得不均匀，齿顶的等效应变增大；成形速度对齿轮的成形力、等效应变的分布影响不大，但随着速度的增大，坯料的等效应力分布不均匀性增大。(3)提出了基于Taguchi的正交试验设计和有限元模拟相结合的优化技术，以分流孔径、摩擦因子、成形速度为影响因素，以最大成形力、变形均匀性、锻件内部的损伤值为优化目标，通过信噪比(S／Nratio)分析和方差分析(ANOVA)，确定了影响各优化目标的主要因素。为了得到综合性能较好的终锻件，利用线性加权和的方法进行了多目标的优化，得到了最佳的成形工艺参数组合方案。武汉理工大学博士学位论文(4)以优化的组合参数方案为

7、研究对象，揭示了圆柱螺旋齿轮冷精密成形过程中金属流动的速度场、等效应力、等效应变、锻件内部的最大损失值的分布规律。研究结果表明：在整个成形的过程中，坯料的流动速度、等效应力与等效应变均随着变形的进行而增加；由于分流孔的存在，在坯料的分流孔与齿根之间形成一个分流面，材料一部分作向心运动闭合分流孔，另一部分作离心运动充填齿形；等效应变沿周向分布均匀，沿径向和轴向分布均不均匀；最大等效应变位于坯料凹齿面齿根的中间区域以及分流孔靠近底部区域。等效应力在轴向和周向分布较均匀，齿顶上端部的等效应力略大于齿根处。在终成形的齿轮零件上，最大损伤值位于齿顶的上端。(5)对圆柱

8、螺旋齿轮的温成形过程进行了三维热力耦合数值模拟，获得