汽车变速器螺旋伞齿轮精锻成形的有限元分析(附件)
用锻造方式制造齿轮可以提高齿轮的性能，消除坯料的一些缺陷，用有限元模拟螺旋伞齿轮精锻过程可以发现锻造中的问题，有效提高生产效率。本文分析的是汽车减速器螺旋伞齿轮精锻成形的过程。先是根据螺旋伞齿轮设计了相关的锻造模具，接着用proe软件画出了零件与坯料的三维图，将其导入DEFORM有限元软件，设定好模锻时的各种参数，进行有限元模拟之后分析了金属的流动，温度变化，应力应变情况，并通过改变温度并分析载荷后。得出结论金属流动总是朝着最容易流动的方向流动；温度越高锻造时载荷越小；应力应变最大值在齿轮齿部；提高锻造温度可以降低载荷。关键词 螺旋伞齿轮，锻造，proe，DEFORM
目录
1 绪论 1
1.1 课题的来源及背景 1
1.2 汽车变速器螺旋伞齿轮精锻成形的有限元分析研究现状 1
2 锻造和DEFORM的介绍 3
2.1 锻造 3
2.2 有限元 6
3 螺旋伞齿轮精锻过程的有限元分析 8
3.1 螺旋伞齿轮锻件及模具三维模型建立 8
3.2 锻造过程的有限元分析 12
4 有限元分析 14
4.1 确定合适的锻造温度 14
4.2 金属流动的分析 14
4.3 分析等效应力 15
4.4 分析等效应变 16
4.5 锻造过程中温度的变化 16
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 课题的来源及背景
精密锻造成形技术,也被称为接近或近净成形技术,是指机械部件的成形工艺,就是锻造出接近零件各方面要求的坯料,组件形成后,只需要稍微的加工或者可以直接使用【1】。车轮精锻是在过去30年中开发出的一种新的不带切割和锻压较少的工艺。通常用在锻造螺旋锥齿轮和直锥齿轮。这个过程直接锻造出齿轮的齿形，然后大多数情况就不在做加工。相比于以前的切削齿轮形状，极大的提高的工作效率，同时也提高了材料的利用【2】。精确的齿轮锻造属于不稳定的三维成形的过程，所以不能简单的近似成平面或者轴对称的问题来处理。在成形过程中，既有材料非线性，又存在几何非线性。同时,非线性边界 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
条件、变形情况十分复杂,摩擦接触边界和边界也是很难描述的【34】。
现在，对螺旋锥齿轮的精锻有两种方式。第一种是先精锻出坯料，并使其拥有齿轮的大体形状，然后对它进行切削加工，最后加工成所需要的最后零件。第二种是直接精锻出齿轮的齿形，然后对其他的部分做少许的切削。由于设计完成之后无法确定是不是合格，而如果做一个模具来检验的话，很浪费时间和材料，所以使用有限元来模拟模具运行，从结果中可以分析模具情况，节约成本和生产周期。
1.2 汽车变速器螺旋伞齿轮精锻成形的有限元分析研究现状
螺旋锥齿轮精密锻造工艺是一种无切削加工的新工艺，其最终目标是在不需要后续加工的情况下，锻造出完整的齿形，或只留下加工余量。通过精锻工艺，可生产各种尺寸的固体或空心齿轮。在1980年代,达纳公司和美国巴特尔研究所联合开发附近的精密锻造成形技术螺旋锥齿轮驱动车轮,专注于使用计算机技术的发展,协助齿轮模具的设计和制造,没有闪烁。对锻造工艺进行了有效的试验;20世纪90年代，日本在螺旋锥齿轮锻造成形试验中取得了一定的成果，并锻造了一个小锥角螺旋锥齿轮的钢样【5】。
在许多的工业化国家，他们会将新材料的开发作为目标，而完成这些的根本就是要对于冶金的质量有个极为严格的控制。其中成果最为显著的就是我们都知道的球墨铸铁还有那些非金属的一些材料【6～7】。
关于螺旋锥齿轮国际专家学者的研究起步较早。无论是理论还是技术都比我国先进，特别是德国等发达国家在这方面一直处于领先地位，他们的产品毫无疑问是螺旋伞齿轮。国际专家学者的研究起步较早。无论是理论还是技术都比我们的国家先进，特别是像德国这样的发达国家在这方面一直处于领先地位。他们的产品在制造精度和机械性能方面。各方面都比我们好。在上个世纪结束时,基础和对象数控铣床的设计克服了传动链的主要困难和调整过程,因此没有必要人为干预齿轮加工和生产效率和产品质量是非常高的。外国一些在这个方面十分强大的的国家多半是用机械和空间这类科学知识作为基础，再结合日益更新的计算机世界，将有限元的作用发挥的淋漓极致，且实际效果不错。
LIU G L等研究了用滚切法加工螺旋伞齿轮的工艺方法，并且分析了优缺点【8】。宋宝阳等使用精密锻造工艺代替铣齿等传统加工工艺，研究了从动螺旋伞齿轮精密锻【9】。Yoon，Yang等多为前辈们为了将许多极为复杂的锥齿轮进行分析，利用到了有限元技术，并且对此提出了一些新的划分方法。Kondo.K还研究了与凸台齿轮冷锻成形过程，他们的条件是把向心，离心流作为成形条件，决定在坯料上开一个孔，或模具冷锻。YK Lee等人为了分流和减压，总结了锥齿轮锻造的优点，为锥齿轮的锻造创造了良好的一面。在刚性塑性材料模型的基础上，采用有限元模拟方法，得到锻件锻造后锻件的形状。而且我们在研究模具结构的时候，要考虑极为复杂的因素，一般我们知道的就有质量数据，不光如此，还有更为复杂的模具结构和锻造过程需要我们花费更多精力去探索【10】。
在20世纪50年代，中国的齿轮的制造行业步步高升，20世纪中叶，它为发展奠定了基础。这导致了齿轮制造系统的逐渐形成，应用范围广泛。后来，当越来越多的外国设备进入本土还有我国对于制造业逐渐提起的重视，我们也有了属于自己的特有的专业队伍。我相信在不久的未来，伴随着我们一致的奋斗，我国对此方面的技术必定会变得优秀的多【11】。
为了证明设计模具以及成形工艺是可以应用于实际的，王华君和他的团队通过计算造出了螺旋伞齿轮的试验模具，分析了轧辊压实过程中齿的填充和金属网格的变化。得到了该工艺条件下的金属流动规律和力学性能，并提出了消除牙腔充填不足的措施。王华军等人通过数值模拟方法研究了螺旋锥齿轮的精密锻造过程，分析了精密锻造过程中金属流动和所需变形载荷，得出了在此过程下形成力的公式。王华君和他的团队设计了一个小圆锥角锥齿轮预成型，并在通用压力机上使用了双作用闭模。成形锻件的事实表明，在双作用闭模上可以形成小锥角锥齿轮【12】。
目录
1 绪论 1
1.1 课题的来源及背景 1
1.2 汽车变速器螺旋伞齿轮精锻成形的有限元分析研究现状 1
2 锻造和DEFORM的介绍 3
2.1 锻造 3
2.2 有限元 6
3 螺旋伞齿轮精锻过程的有限元分析 8
3.1 螺旋伞齿轮锻件及模具三维模型建立 8
3.2 锻造过程的有限元分析 12
4 有限元分析 14
4.1 确定合适的锻造温度 14
4.2 金属流动的分析 14
4.3 分析等效应力 15
4.4 分析等效应变 16
4.5 锻造过程中温度的变化 16
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 课题的来源及背景
精密锻造成形技术,也被称为接近或近净成形技术,是指机械部件的成形工艺,就是锻造出接近零件各方面要求的坯料,组件形成后,只需要稍微的加工或者可以直接使用【1】。车轮精锻是在过去30年中开发出的一种新的不带切割和锻压较少的工艺。通常用在锻造螺旋锥齿轮和直锥齿轮。这个过程直接锻造出齿轮的齿形，然后大多数情况就不在做加工。相比于以前的切削齿轮形状，极大的提高的工作效率，同时也提高了材料的利用【2】。精确的齿轮锻造属于不稳定的三维成形的过程，所以不能简单的近似成平面或者轴对称的问题来处理。在成形过程中，既有材料非线性，又存在几何非线性。同时,非线性边界 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
条件、变形情况十分复杂,摩擦接触边界和边界也是很难描述的【34】。
现在，对螺旋锥齿轮的精锻有两种方式。第一种是先精锻出坯料，并使其拥有齿轮的大体形状，然后对它进行切削加工，最后加工成所需要的最后零件。第二种是直接精锻出齿轮的齿形，然后对其他的部分做少许的切削。由于设计完成之后无法确定是不是合格，而如果做一个模具来检验的话，很浪费时间和材料，所以使用有限元来模拟模具运行，从结果中可以分析模具情况，节约成本和生产周期。
1.2 汽车变速器螺旋伞齿轮精锻成形的有限元分析研究现状
螺旋锥齿轮精密锻造工艺是一种无切削加工的新工艺，其最终目标是在不需要后续加工的情况下，锻造出完整的齿形，或只留下加工余量。通过精锻工艺，可生产各种尺寸的固体或空心齿轮。在1980年代,达纳公司和美国巴特尔研究所联合开发附近的精密锻造成形技术螺旋锥齿轮驱动车轮,专注于使用计算机技术的发展,协助齿轮模具的设计和制造,没有闪烁。对锻造工艺进行了有效的试验;20世纪90年代，日本在螺旋锥齿轮锻造成形试验中取得了一定的成果，并锻造了一个小锥角螺旋锥齿轮的钢样【5】。
在许多的工业化国家，他们会将新材料的开发作为目标，而完成这些的根本就是要对于冶金的质量有个极为严格的控制。其中成果最为显著的就是我们都知道的球墨铸铁还有那些非金属的一些材料【6～7】。
关于螺旋锥齿轮国际专家学者的研究起步较早。无论是理论还是技术都比我国先进，特别是德国等发达国家在这方面一直处于领先地位，他们的产品毫无疑问是螺旋伞齿轮。国际专家学者的研究起步较早。无论是理论还是技术都比我们的国家先进，特别是像德国这样的发达国家在这方面一直处于领先地位。他们的产品在制造精度和机械性能方面。各方面都比我们好。在上个世纪结束时,基础和对象数控铣床的设计克服了传动链的主要困难和调整过程,因此没有必要人为干预齿轮加工和生产效率和产品质量是非常高的。外国一些在这个方面十分强大的的国家多半是用机械和空间这类科学知识作为基础，再结合日益更新的计算机世界，将有限元的作用发挥的淋漓极致，且实际效果不错。
LIU G L等研究了用滚切法加工螺旋伞齿轮的工艺方法，并且分析了优缺点【8】。宋宝阳等使用精密锻造工艺代替铣齿等传统加工工艺，研究了从动螺旋伞齿轮精密锻【9】。Yoon，Yang等多为前辈们为了将许多极为复杂的锥齿轮进行分析，利用到了有限元技术，并且对此提出了一些新的划分方法。Kondo.K还研究了与凸台齿轮冷锻成形过程，他们的条件是把向心，离心流作为成形条件，决定在坯料上开一个孔，或模具冷锻。YK Lee等人为了分流和减压，总结了锥齿轮锻造的优点，为锥齿轮的锻造创造了良好的一面。在刚性塑性材料模型的基础上，采用有限元模拟方法，得到锻件锻造后锻件的形状。而且我们在研究模具结构的时候，要考虑极为复杂的因素，一般我们知道的就有质量数据，不光如此，还有更为复杂的模具结构和锻造过程需要我们花费更多精力去探索【10】。
在20世纪50年代，中国的齿轮的制造行业步步高升，20世纪中叶，它为发展奠定了基础。这导致了齿轮制造系统的逐渐形成，应用范围广泛。后来，当越来越多的外国设备进入本土还有我国对于制造业逐渐提起的重视，我们也有了属于自己的特有的专业队伍。我相信在不久的未来，伴随着我们一致的奋斗，我国对此方面的技术必定会变得优秀的多【11】。
为了证明设计模具以及成形工艺是可以应用于实际的，王华君和他的团队通过计算造出了螺旋伞齿轮的试验模具，分析了轧辊压实过程中齿的填充和金属网格的变化。得到了该工艺条件下的金属流动规律和力学性能，并提出了消除牙腔充填不足的措施。王华军等人通过数值模拟方法研究了螺旋锥齿轮的精密锻造过程，分析了精密锻造过程中金属流动和所需变形载荷，得出了在此过程下形成力的公式。王华君和他的团队设计了一个小圆锥角锥齿轮预成型，并在通用压力机上使用了双作用闭模。成形锻件的事实表明，在双作用闭模上可以形成小锥角锥齿轮【12】。
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