减速器伞齿轮构建挤压膜材受力流体化剖析

发布于：2017-03-21 17:40:28

减速器伞齿轮构建挤压膜材受力流体化剖析

1有限元分析的准备

　1.1模型的建立

　利用UG软件分别对摆头、坯料及模具进行建模，然后按1进行装配，存为STL （或者IGES）格式，为后面导入到DEFORM-3D软件里进行模拟作准备。

　1.2参数的设置

　1）摆辗机参数设置：摆头公转速度为298r/min，摆头旋转方向为逆时针方向，下模进给速度为1.5mm/s.

　2）成形温度：室温20℃，忽略温度效应。

　3）摩擦因子：坯料在摆辗前经过磷化皂化处理，并且上MoS2粉末润滑，取摩擦因子m＝0.12.

4）材料选择：齿轮坯料为齿轮钢42CrMo，流变模式为σ＝σ（ε，ε。，T ），材料服从Von Misses，其流动应力如2所示，设置为刚塑性模型；模具材料选用目前常用的Cr12MoV，在20℃时的屈服强度为1318MPa，其流动应力如3所示，齿轮摆辗成形过程中，模具处于弹性范围之内，设置为弹性模型。

　1.3分析点的选择

　凹模齿根和边缘处出现裂纹是导致模具失效的主要原因之一，而齿根应力又是裂纹产生的首要因素。由于凹模的对称性和上模只做圆周运动的特点，凹模上任意一齿形的受力情况应是一样的，只是所体现的周期不同。虽然齿形的两面具有几何对称性，但是由于摆辗工艺的特殊性，齿形的两边的应力分布并不相同，所以，需要对一个齿形的每条齿根线分别进行分析，才可得出齿根应力分布曲线，分析齿根最容易失效点。

　为了有限元分析的方便性，取凹模上任意一齿根部和边缘处12个对称点P1～P12，选择摆头刚好处于该齿面上方时刻进行周期性研究，上模的旋转方向为逆时针方向。如4所示，只需分析该12点在周期性摆辗下应力变化规律，就可以分析出应力具体对模具失效的影响程度。

　2齿根应力有限元计算及分析

　2.1计算结果

　通过有限元的计算，得出从凹模齿根选出各点在成形各个周期中的应力，将各点的应力按照周期拟合成曲线，如5所示。

　从这些曲线可以得出凹模齿根分布与变化规律。从点P1～P12的应力曲线可知，在摆辗各周期中，与摆头旋转方向相对的一面齿形所受的应力较大，差别在5%10%；各点的应力都随周期的增加而增大，即越到成形后期模具所承受的应力在逐渐增大，至终成形阶段凹模齿形两面应力趋于一致。齿根点的应力在整个过程中明显小于齿端处（点P7～P10），其中P9、P10点最先且一直与坯料接触，接触区域小，使得该部分区域应力始终很大，最大应力为1060～1080MPa，平均应力976.6～993MPa，直接导致了在实际生产中该区域严重的磨损与裂纹。

　P7、P8两点处于齿边缘与齿根交接的特殊位置，在成形前期该区的应力增大较快，中后期增幅有所降低，但在整个齿边缘和齿根部应力最高，成形后期最高达到了1180MPa，高应力导致模具该区域的容易产生裂纹与断裂，这也是模具失效的主要原因之一。

　2.2分析及讨论

　从以上结果可以看出：凹模齿根应力的分布根据位置的不同大小具有极大的差异性。下面，具体分析P1～P12点的应力变化规律，并简要讨论各点应力变化对模具的影响程度。

　P1、P2点处于凹模底部边缘线顶点处，在摆辗的初、中期，金属并未填充完成，坯料还未与模具的该部分接触，使得该点区域的模具应力比较小，增幅平缓，到工件成形后期，成形齿轮顶部，模具该点应力将急剧增大，如5（a）所示，达到700MPa左右，齿轮成形后期较大的应力会引起该区域齿轮的疲劳破坏，出现齿根裂纹。由于摆头的转动方向是逆时针方向，致使P1点的应力要大于P2点的应力，到成形末期，两边应力趋于一致。

　P3、P4点应力曲线的增长形势跟P1、P2点相似，都是初、中期应力较小，后期坯料与模具接触后有个急剧增大的过程。从曲线的对比可以看出，在相同时刻P3、P4点的应力要小于P1、P2点的应力，这与P3、P4点处于P1、P2点的上部有关，这也是齿根部该条线上应力的变化规律：从齿底到齿顶的齿根线上，相同时刻的应力分布是向上逐渐减小。

　P5、P6点处在与P1、P2点相同齿根线的凹模底部，从应力曲线的对比可以看出，它们具有相似的变化规律：初期较小，中后期慢慢变大；在相同时刻P5、P6点的应力要比P3、P4点的大。

　P7、P8点所处的位置比较特殊，P7点与P5、P1点，P8点与P6、P2点同处于凹模底部的相同齿根线上，它们的应力变化规律与P3、P4和P5、P6点具有相同之处，都是随着摆辗的进行，应力逐渐增大，与摆头转动方向相对点的应力较之另一对称点应力大，摆辗末期，两者应力基本趋于一致。但是，它们也有这明显的差别：在相同的时刻P7、P8点比P5、P6点的高，而且在变形的中期该点模具的应力有较大的增幅，后期应力变化平稳，但是应力值较高，最大接近于1200 MPa，极易导致模具的应力过大乃至破坏。

　从P1P8点的应力曲线分析得知，在凹模底部的处于相同齿根线上的点应力均随着摆辗的进行应力逐渐增大，越靠近凹模齿形顶部的点应力增大幅度越大，而且在相同时刻应力也越大。所以在靠近齿顶的这条齿根线上，模具容易发生破坏。

　在处于凹模齿顶部上面的P9、P10点应力与其他处不同，几乎没有一个由小变大的这一过程，而一直处于高应力状态，这与摆辗坯料的接触形式与变形形式有关，坯料刚开始变形时就与模具这部分相接触，且一直处于高度受压状态，致使该点模具应力一直较大，也是模具破坏的常见区域之一。

　如5所示，摆辗初期及中期，点P11、P12部分的应力大于P7、P8两点而小于P9、P10两点，直到摆辗中后期P11、P12两点应力与P7、P8，P9、P10点趋于一致，这主要是由于点P11、P12处于点P7、P8与P9、P10之间，其应力体现出处于这两部分之间的过渡过程。

由P7P12点的应力及所处的位置对比分析可知，在凹模齿线上，凹模应力的不同主要体现在坯料变形的初期，在越靠近凹模底部的区域，初期的应力值越小，中后期增长的幅度较大；而越处于上部的区域前期应力越大，后期应力的增长幅度较小，最终，在凹模齿形顶部区域的应力上下也基本区域一致。

关键词：伞齿轮

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