花键冷敲精密成形接触面积数值计算与分析.pdf

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1、第36卷第4期太原科技大学学报Vol.36No.42015年8月JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYAug.2015文章编号：1673-2057（2015）04-0250-05花键冷敲精密成形接触面积数值计算与分析1，21，21，21，2刘志奇，卢泓昱，曲博，王伟杰（1.太原科技大学机械工程学院，太原030024；2.金属材料成形理论与技术山西省重点实验室，太原030024）摘要：通过

2、分析冷敲精密成形的金属变形过程、加载过程和边界条件，建立花键冷敲精密成形接触面积数学模型，对接触面积进行理论计算；被成形件在滚压模具中连续快速发生局部塑性变形，为了对花键类零件冷敲精密成形工艺的机理和工艺力学进行研究，通过分析花键冷敲精密成形过程滚打轮与工件接触过程，建立工件进给量与滚打道次数值关系，得出工件进给量与各道次之间打入深度关系及各道次面积演化规律；应用MATLAB数值分析软件对接触面积影响因子进行数值计算与仿真分析。关键词：花键；接触面积；数学模型；数值计算中图分类号：TH16；TG393文献标志码：Adoi：10.3969

3、/j.issn.1673-2057.2015.04.002冷敲成形是一种新型的近净成形技术，工件在滚打轮多次冲击载下发生塑性变形最终形成齿形，由于其变形过程复杂，为了能够更好研究花键轴变形特性情况，研究滚打轮与工件接触面积对揭示成形过程力能关系有重要意义。成形过程中，虽然加载时间短，但滚打轮与工件接触过程是一个渐变过程，该过程各阶段接触面积直接影响力能关系，进而对工件成形成性产生直接影响；而接触面积与工艺参数、滚打轮尺寸有直接数值关系，因此研究接触面积成为分析工艺条件对成形质量和精度的重要因素。图1花键冷敲几何关系本文在剖析该工作原理基

4、础上，建立数学几何Fig.1Geometricalrelationshipofrapidcold-rollingspline模型，进而得出三个方向接触面积解析解，并且根据花键冷敲成形过程中，滚打轮与工件的实际接工艺参数得出各道次之间的数值关系，根据该数值触面是一个三维曲面且随着γ角的变化而变化，为关系进一步求出各道次接触面积演化过程，最终借了简化计算，可将滚打轮与工件的接触区域分别向助MATLAB数值计算软件模拟仿真不同工艺参数对径向、轴向和切向投影，可得径向投影面积S，轴向r接触面积的影响规律。投影面积Sz和切向投影面积ST.花键冷敲

5、成形的几何模型如图1所示，取工件轴心方向为Z轴，X轴垂1接触面积的数学模型直于工件轴心与滚打轮轴心所确定的平面，图中R1.1花键冷敲成形几何关系建立为回转半径，回转圆心为O1；r为滚打轮半径；d为滚收稿日期：2015-01-20基金项目：国家自然基金资助项目（51275331）；高等学校博士学科点专项科研基金（20131415110001）；山西省自然科学基金（2013011022-1）作者简介：刘志奇（1972-），男，教授，主要研究方向为液体传动与控制。第36卷第4期刘志奇，等：花键冷敲精密成形接触面积数值计算与分析251打过程中打

6、入量；γ为滚打轮刚刚与工件毛坯接触AD＋EFS矩形≈d（3）2时与X轴的夹角；a为XOZ平面内滚打轮回转中心对于渐开线花键，根据齿廓方程可求出BF曲与工件毛坯外缘的径向间距。建立接触面积数学模线方程，即可求出渐开线花键切向投影面积：型前做如下假设：x2（1）忽略工件、滚打轮弹性变形；S渐开线≈∫（fx，y）dx（4）（2）工件在压缩量形成过程中滚打轮轮廓与花x1键成形齿廓相一致。其中（fx，y）是关于渐开线齿廓的方程，我们可以根据渐开线齿廓的直角坐标方程得出齿廓上个1.2数学模型的建立［2］［12］点坐标，继而对其最小二乘法拟合得到齿廓

7、冷敲成形过程中，从滚打轮接触工件坯料到分曲线函数（fx，y）.离，实际接触面积是根据γ角的变化而变化的。不同（2）径向投影面积S：r位置的γ和打入量d的关系为：d=r＋Rcosγ-a（1）矩形花键和渐开线花键切向投影面积可以近似求取，但由于投影面积随着γ角的变化而变化。在XOZ平面内，γ角为滚打轮过滚打轴轴心与X轴的夹角，则在一次滚打过程中，不同位置θ和打图3滚打轮与工件接触区域径向投影面积示意图入量d的关系为：Fig.3Radialprojectionareaofcontactarear-dθ=arccos()（2）betweendi

8、eandworkpieceR如图3所示，阴影部分面积为滚打轮与毛坯接当滚打轮与工件表面刚刚接触时，打入量d=触区域径向实际投影面积，椭圆为滚打轮与工件接R-d0，θ=θ=arccos；当打入量d最大时，等m