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                《廈門理工學院學報》  2020年第5期 68-72   出版日期:2020-10-30   ISSN:1673-4432   CN:35-1289/Z
                螺旋錐齒輪滾軋成形過程中的應力分析


                齒輪滾軋成形技術結合了鍛造和軋制成形的優勢,是一種高效的綠色制造技術,近年來已得到國內外的普遍關注,具有節省原材料、生產效率高、齒形流線好、齒輪力學性能較好等優點[12]。在螺旋錐齒輪滾軋成形的過程中,材料在滾軋輪的直接作用下會產生塑性變形。滾軋輪是與成形齒形嚙合的齒輪,通常只有1~2個齒輪與坯料接觸,由于材料變形力較大,對滾軋輪的強度和韌性都提出了更高的要求。目前,國內外對于螺旋錐齒輪滾軋成形的研究主要側重于成形工藝與試驗裝置上[38],對滾軋輪在滾軋過程中的應力分布方面的研究不足,較鮮見。為此,本文采用有限元分析法,對螺旋錐齒輪滾軋成形過程中的坯料咬合、滾壓分齒、滾軋成形及滾軋整形過程中的滾軋輪應力進行模擬分析,為滾壓的結構設計提供理論依據。 1滾軋過程有限元參數設置 成形齒輪的尺寸參數為:齒數11,壓力角20°,模數3,螺旋角35°,節錐角18439 4°,根錐角16169 4°,切向變位系數為0115,據此,確定坯料為圓錐形。其中,大端直徑為70 mm,小端直徑為535 mm,高度為20 mm。 模擬分析選用Deform3D材料庫AISI 8620(20CrNiMo),材料初始成型為剪切摩擦模型[9],計算公式為: f=mk。(1) 式(1)中:f為摩擦應力;k為剪切應力;m為摩擦因子,設定為025。滾軋輪旋轉角速度為ω1= 1047 rad·s-1,坯料軸角速度為ω2= 314 rad·s-1。滾軋輪設置有剛性體,上下滾軋輪的旋轉速度大小相等,方向相反。根據成形情況,各階段滾軋輪的擠壓速度可調整。其中,滾軋咬合成形階段滾軋輪進給速度為01 mm·s-1,連續滾軋階段滾軋輪的進給速度為0615 mm·s-1,分齒與整形階段滾軋輪進給速度均為0 mm·s-1。有限元分析模型如圖1所示。 圖1滾軋成有限元模型 Fig1Finite element model of rolling forming 2滾軋輪應力分析 在螺旋錐齒輪的滾軋過程中,材料的變形與齒形成形情況對滾軋輪的受力有非常重要的影響。為減小材料變形對滾軋輪受力的影響,保證成形過程順利進行,將滾軋成形過程分為滾軋輪與坯料的咬合、分齒成形、連續滾壓成形、齒形整形4個階段。由于各階段材料變形情況不同,所以各階段的滾軋輪應力也不一樣。 廈門理工學院學報2020年 第5期趙軍,等:螺旋錐齒輪滾軋成形過程中的應力分析 在滾軋咬合成形階段,滾軋輪只有豎直方向的擠壓運動,材料在滾軋輪的作用下發生局部擠壓變形,變形主要集中在滾軋輪與坯料接觸區域。當初始咬合深度為1 mm時,滾軋輪應力分布如圖2所示。從圖2可以看出,在咬合階段,滾軋輪與坯料接觸區域應力最大。在開始時,滾軋輪只有1個齒與工件接觸,應力主要集中在1個齒上。隨著擠壓深度的增大,材料變形加局,滾軋輪應力隨之增大,隨后滾軋輪的第二個齒也與坯料發生作用,滾軋輪應力增大,其最大等效應力約為1304 MPa。 在分齒階段,滾軋輪只有旋轉運動,滾軋輪應力大小、分布與初始咬合深度有關。在這一過程中,滾軋輪上各齒的應力分布基本相同,主要集中在齒頂位置,其最大等效應力約為2304 MPa,具體如圖3所示。這主要是因為分齒成形過程中,材料的變形主要集中在齒頂與材料的接觸區域,各齒作用于材料的變形量基本相同。 圖2咬合階段滾軋輪應力分布 Fig2Rolling wheel stress distribution in occluding stage圖3分齒階段滾軋輪應力分布 Fig3Rolling wheel stress distribution in splitting stage 在連續進給階段,滾軋輪既有進給運動又有旋轉運動,材料發生持續變形,總進給量為615 mm,隨著進給量的增大,材料變形量不斷增大,滾軋輪應力增大,滾軋輪不但受到豎直方向的力,還受到水平方向的力。 圖4分別為1、3、6 mm進給量下的滾軋輪應力分布情況。從圖4可見,在成形開始階段,滾軋輪對坯料的作用主要在齒頂部位,滾軋輪應力主要集中在齒頂;隨著滾軋進給量的增大,滾軋輪齒形表面與坯料的接觸區域變大,應力也逐漸增大。模擬結果表明,當進給量達到最大值615 mm時,滾軋輪應力達到最大值,影響區域也最大。 圖4連續進給階段滾軋輪應力分布 Fig4Rolling wheel stress distribution in continuous feed stage 在整形階段,滾軋齒輪只有旋轉運動,設置滾軋輪繞坯料旋轉1周。在這一過程中,由于沒有進給量,材料變形較小,滾軋輪與材料變形的接觸面積最大,具體如圖5(a)所示,其應力分布情況如圖5(b)所示。 圖5整形階段齒輪成形情況與滾軋輪應力分布 Fig5Gear forming and rolling wheel stress distribution in shaping stage 由圖5可見,在滾軋成形過程中,滾壓齒輪在滾軋成形過程中,滾軋輪應力主要集中在與坯料接觸的兩個齒上。由于滾軋輪與坯料的接觸位置不斷發生變化,應力分布也不斷發生變化,滾軋輪在齒頂處的接觸應力較齒根處大,最大應力約為2502 MPa。 3滾軋成形裝置設計 在滾軋裝置設計時,滾軋輪帶動坯料旋轉通常有兩種形式:第一種是滾軋輪與坯料分別采用電機轉動,對兩者的速度分別進行控制;第二種是滾軋輪轉動,坯料在摩擦力與接觸壓力的作用下一起旋轉。無論采用哪種方案,滾軋輪與坯料的旋轉速度都需進行精確掌握與控制[10]。 由于第二種形式結構相對簡單,滾軋過程只需控制滾軋輪的進給運動及旋轉運動。滾軋裝置的平面結構具體如圖6所示。滾軋裝置采用左右對稱結構,兩滾軋輪分別固定在滑塊上,可在雙向絲桿的帶動下同時向中心移動。它采用步進電機帶動絲桿轉動,絲桿上裝有兩個旋向相反的絲桿螺母,螺母固定于裝有滾軋輪的滑塊上,通過絲桿轉動,帶動兩端的滾軋輪同步進給或后退運動。在試驗過程中,為保證滾軋輪的強度與剛度,設計平面推力軸承以抵消部分水平方向的擠壓力。 兩個滾軋輪的轉動分別由兩個電機控制,為保證其運動的協調,采用可編程步進電機控制器控制電機的轉動方向和速度,依據成形情況進行即時調整。 1控制絲桿電機;2、12減速器;3控制器正反牙絲桿;4絲桿螺母;5絲桿螺母固定座;6導滑板;7、13滾軋電機; 8減速器;9平面推力軸承;10圓錐形坯料;11滾軋輪;14滑塊;15控制器 圖6滾壓裝置平面結構 Fig6Plane structure of rolling device 4結論 為全面了解滾軋過程中滾軋輪的應力分布,采用有限元分析軟件Deform3D,研究坯料咬合、滾壓分齒、連續滾軋成形及滾軋整形4個過程中滾軋輪的應力分布,得出如下3點主要結論。 1)在滾軋坯料咬合和分齒階段,材料變形相對較小,滾軋輪應力主要分布于齒頂位置。 2)在連續滾軋成形階段,滾軋輪應力分布由齒頂位置逐漸擴展到齒根,并隨著滾軋過程的進行逐漸增大。 3)在整形階段,滾軋輪與坯料的作用面積最大,滾軋輪應力主要集中在與坯料接觸的兩個齒上。由于滾軋輪與坯料的接觸位置不斷發生變化,應力分布也相應發生變化,滾軋輪在齒頂處的接觸應力較齒根處大。
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