非回转齿轮零件摆碾工艺的设计与控制
摘要：
本文的目的是研究非回转上下表面零件摆碾工艺的设计和控制方法。通过解析法和有限元模拟，这类零件在摆碾中三个至关重要的技术问题得到了很好的解决。其一，基于上模和零件上表面的几何和力学关系提出了非回转上模精确的设计方法。其二，通过分析上模任意一点的轨迹来判断上模和零件上表面的干涉情况。其三，通过优化工艺参数有效的控制非回转零件上表面金属流动以及几何精度。在以上研究的基础下，对无论是上表面还是下表面都是非回转的典型齿轮零件进行了摆碾的分析与实验。实验得到了几何精度合格的非回转上表面齿轮零件，从而证实了本文提出的设计与控制方法的合理性及摆碾工艺能够被用于非回转上下表面零件的制造。
1.介绍：
摆碾是一种先进但是复杂的渐进成形技术，被广泛的用于机械零件例如圆盘，环，法兰以及齿轮。图1所示就是一个典型的摆碾工艺。在这个过程中，带有gamma;角的锥形上模绕着机械轴以一个恒定的速度n不断转动。同时，非回转的下模以速度v朝着工件方向进给。在上下模的共同作用下，工件通过塑性成形得到。相比于传统锻造，摆碾有许多的优点比如较小的噪音及震动，质量均匀，表面光滑，误差小，节约能源以及原材料。因为具有这些优点，摆碾在各个产业得到了越来越多的应用例如汽车，机床，电气设备，剪切工具以及硬件。
到目前为止，已对摆碾工艺进行了许多研究。Marciniak（1970）使用了一种偏心的机构，即两个偏心的套筒，用于驱动摆碾上模。Appleton和Slater (1973)通过实验研究了套筒配置对摆碾的影响。Hawkyard et al. (1977)和Pei et al. (1982)测量了摆碾过程中的压力分布。Standring等人（1980）通过金相观察研究了摆碾过程中的塑性变形。Nakane et al.（1982）在实验中揭示了摆碾过程中同时反挤压墩粗的变形行为。Zhou et al.(1992)分析了摆碾过程中产生的缺陷并提出了预防措施。Kalinowska-Ozgowicz et al.(1997)通过实验研究了氧气瓶摆碾时的变形规律。Canta et al.(1998)进行了实验，分析了摆碾过程中的载荷和能量。Wang et al. (2005)采用光塑性实验法，研究了环形工件摆碾的变形规律。Zhang (1984), Oudin et al. (1985) and Choi et al. (1997)使用上界法计算了摆碾过程中的力和能量。Oh and Choi (1997)提出了一个理论判据来解释圆板摆碾过程中中心变薄的现象。摆碾是一个复杂的渐进成形过程，在三维的金属流动中具有以下特征：增量塑性变形,不对称,时变,非稳态和高非线性,一些研究者也尝试使用日益流行的有限元方法分析摆碾过程,来增加对摆碾的理解。Wang and Zhao (1999)使用了一种三维刚塑性有限元法，分析了环形工件的摆碾工艺。Yuan et al.(1998)也使用了三维刚塑性有限元软件DEFORM分析了关节销的摆碾过程。Liu et al. (2004)用相同的软件研究了圆筒摆碾过程中不均匀变形特性。Sheu和Yu（2008）研究了一种带锯齿的环形齿轮的摆碾过程。Nowak et al.(2008)和Montoya et al.(2008)利用有限元法对比摆碾和传统锻造。Han和Hua (2011)采用弹塑性动态显化有限元法，研究了环形工件摆碾过程中的变形特性。同样的方法，Han和Hua (2011)预测了摆碾件的接触压力、滑距和磨损。Deng et al.(2011)模拟了锥齿轮的摆碾过程，并对工件几何进行了优化。Merklein et al.(2012)在数值上研究了薄板金属板坯料的摆碾过程，并揭示了工艺参数对零件几何和性能的影响。Grosman et al. (2012)提出了一种新型的摆碾工艺，该方法是基于一系列薄铁砧的小增量变形，并对该工艺的有效性进行了数值模拟。Samoyk（2013）基于AlMgSi合金锥齿轮，实现了上模复杂摇摆运动的模拟。
概括地说，上面描述的摆碾件的一个共同特征是，上表面是回转的，而下表面是非回转的，如图2（a）所示。一般来说，简单的回转上表面是由上模形成的，而复杂的非回转的下表面则是由下模在摆碾过程中形成的。由于上模是一个回转锥（即上模一般情况是不变的），它与零部件的旋转上表面相匹配，因此只要上表面是确定的就可以很容易地设计出。与此同时，上模与零件的回转上表面的接触面相对简单，因此在此过程中可以很容易的控制回转上表面的金属流动和几何精度。随着现代工业的快速发展，一些复杂的机械部件，同时具有非回转的上和下表面如图2（b），在工业中有越来越多的应用。在这类零件的摆碾过程中，非回转上表面的精确成形是最关键的。通过综合分析，需要解决三个关键的技术问题，以实现非回转的上、下表面的形成。第一个是上模的设计。因为上模是一个非回转的圆锥（上模的母线是不同的),在任何时候都必须严格的对应非回转的上表面,它不能通过直接旋转母线(母线上的部分是不同的)或上模和零件的上表面之间的布尔运算(下模能够通过零件下表面和下模之间的布尔运算直接获得)获得。第二个是零件的上模和上表面之间的干涉判断。在这个过程中，上模在垂直的机械轴上旋转，上模上的任何点的轨迹都不能干涉零件的上表面。否则，不能成功实现摆碾。第三个是非回转零件的金属流动和几何精度的控制。在此过程中，零件的上模和非回转的上部表面产生了重复的空间啮合运动，并且它们接触边界条件是高动态的。因此，零件的非回转上表面结构的金属流动是复杂的，必须得到有效的控制，以保证几何精度。到目前为止，对非回转上、下表面的摆碾件的研究很少。因此，本文旨在研究非回转上、下表面的摆碾件的工艺设计及控制方法。运用解析法和有限元法，使上述三种关键技术问题进行了合理的解决。在上述研究的基础上，通过数值模拟和实验研究，分析了典型齿轮零件的摆碾过程，即具有非回转上、下表面的零件。结果表明，本文提出的设计和控制方法是有效的。
2.非回转上、下表面的摆碾分析模型:
2.1非回转上模的设计方法:
为了实现非回转模具的精确设计，必须对工件表面和上模的几何和运动关系进行详细的研究。图3显示了工件上表面和上模的几何和运动关系的原理图。假设摆碾在开始和t时间的时候，上模的母线OA和OB分别与工件上OArsquo;和OBrsquo;重合，如图三所示，弧长AB与弧长Arsquo;Brsquo;的长度能够用方程表示，见（1）和（2）。其中theta;是上模的转动角，theta;rsquo;是上模经过t时间在工件上表面上扫过的角度。gamma;是上模的倾斜角，R是工件的半径。O是上模的顶点，Orsquo;上模底面的中心。
如果上模在上表面做纯滚动，则弧长AB与弧长Arsquo;Brsquo;长度相等，即（2）。基于公式（1）、（2）、（3）可以得到theta;rsquo;=theta;cosgamma;，即（4）。
根据公式（4），当theta;=2pi;时，theta;rsquo;=2pi;cosgamma;。这意味着当上模绕着机械轴转一圈时，上模的母线OA不能回到初始位置（不能与OArsquo;重合）而是和OArsquo;rsquo;重合。也就是说，上模旋转一圈以后，和工件之间存在滞后角即△theta;，即公式（5）。
从公式（5）可以看出，滞后角△theta;取决于上模的倾斜角gamma;。对于回转的上表面来说，滞后角△theta;在摆碾过程中不会造成任何影响，因为所有的母线和零件上表面都是相同的。但是对于非回转的上表面来说，上模的母线和零件的上表面是不完全相同的，由于滞后角△theta;的存在非回转上模必须严格的与零件的非回转上表面相匹配，因此非回转上表面的零件难以成形。基于上述的分析，在摆碾成形非回转上下表面的零件时，滞后角△theta;应当等于0。这样，上模的转动角theta;才能在任何时候都与上模在工件上扫过的角度theta;rsquo;相等。为了在任意时刻使theta;=theta;rsquo;上模不能在零件的上表面做纯滚动，同时要有在两者之间要有周向滑动。值得一提的是，目前工业用摆辗机（例如pxw机或T系列机）采用特殊的设备能够满足使得在任意时刻满足theta;=theta;rsquo;，他们能够用来制造非回转上下表面的的零件。在特殊的设备中，使用带有内外十字滑键槽的反旋转盘限制为旋转（即滞后）。反旋转盘与固定在摆碾机框架上的定位键相连接。
显而易见的，只要能得到每一条母线就可以设计出非回转的上模。图4显示了使用制图法实现非回转上模设计的原理图。如图4（a）所示，在工件的上表面有一个任意的凹槽从而得到了一个非回转的上表面。从图4（b）中可以看到，工件上有Arsquo;和Brsquo;两点，上模与工件的上表面接触时，相交的母线分别为OArsquo;和OBrsquo;。综上所述，非回转上模必须严格的与零件的上表面在任何时候都保持一致。因此零件上表面的母线OArsquo;和OBrsquo;就是上模的OA和OB在特定位置的母线。同样的，其他上模的母线能够从零件的上表面获得，如图4（c）所示。从图4（c）可以看出非回转上表面的成形过程实际上是一个渐进的过程，各条母线围绕O点渐渐的扫过零件上表面。同时应该注意到theta;=theta;rsquo;的条件必须被满足，因此可以确定上模母线OA和OB的相对位置。基于上述分析，非回转上模的设计原则总结如下：（1）在任意位置，上模和零件上表面的是线接触以及接触的线（也就是工件上表面的母线）是上模在特定位置的母线。（2）上模母线的位置可以通过theta;=theta;rsquo;得到。从上述分析可知，只要零件的上表面母线已知就可以得到上模母线的位置，上模在特定位置相对应的母线能够通过上述的设计原则获得从而得到非回转上模。然而，根据图4（b）显示的几何与运动关系，上模的母线并不容易获得，因为上模必须不停的转动到新的位置与工件的上表面保持匹配。如图4（d）所示，在theta;=theta;rsquo;的条件下，我们可以在设计过程中保持上模直立（即保持机械轴和上模轴线重合）。根据图（4）显示的几何关系，因为上模不需要转动因此简化了上模的设计。非回转上模的具体设计方法总结如下：
（1）建立一个带有gamma;倾斜角的圆锥使其轴线与机械轴重合。同时，在工件上选取一点作为摆头中心O。
（2）通过轴z建立一系列的基准面，得到平面和工件的上表面之间的相交线（即得到工件上表面的各条母线）。
（3）使上述交线在各自基准面内绕0点朝着Z轴旋转gamma;角，可以得到上模在特定位置时候的母线。
（4）将这些不同的母线整合到一个空间面并将其合成为一个圆锥。这样，就得到了上模。
值得一提的是，所提出的制图法更适合于简单的非回转上模的设计，因为该方法的设计精度主要取决于所获得的母线的数量和拟合精度。基于所提出的制图法的原理，提出了一种更通用的解析法，以精确设计非回转的上模。如图5所示，解析法的基本思想是使在工件的上表面的一个任意点M（x,y,z）在Z轴和M组成的基准面中绕点0朝着Z轴方向旋转gamma;角。得到的Mrsquo;（xrsquo;,yrsquo;zrsquo;）就是非回转上模上对应的点。根据图5所示的几何关系，Mrsquo;的坐标可以用公式（6）表示，具体的计算方法在附录A中给出。因此，只要知道工件的非回转上表面几何形状，就可以用公式（6）来确定非回转上模的几何形状，精确地设计非回转上模。
2.2上模和零件上表面的干涉判据：
为了判断上模和零件的非回转上表面是否存在干涉，在摆碾过程中，首先需要得到上模的任何点的轨迹。如果上模中任意点的轨迹没有穿透零件的非回转上表面，则不会发生干涉。否则，会发生干涉导致不能成功的成形零件的非回转上表面。图6是上模任意点轨迹的原理图。根据图6（a）所示的几何关系，上模上的点Nrsquo;的轨迹能够用公式（7）来表示，具体的计算方法在附录B中给出。
因此，只要任意点直立摆头的任意点坐标已知，可以根据公式（7）得到该点的摆碾轨迹。图6（b）和6（c）所示，上模的任意点轨迹是一个空间曲线。
3. 非回转上表面零件摆碾的三维有限元模型
为了方便地观察金属流动和测量回转零件最终的几何形状，选择了一个带有半球形凹槽的非回转上表面作为研究目标。采用有限元法对其金属流动和几何精度变化规律进行了研究。三维有限元模型如图7所示。值得注意的是，关键的建模技术之一是建模上模的摇摆运动。在此研究中，提出了两种旋转运动的构成，以实现上模的摇摆运动。第一个转动是上模绕着机械轴以恒定的转速n1转动（也就是上模的母线OA从OArsquo;转动到OBrsquo;），如图8（a）所示。第二个转动是上模绕着自己的轴线以恒定的速度n2朝着相反的方向转动，如图8（b）所示。为了满足在任意时刻theta;=theta;rsquo;的条件（即滞后角△theta;=0），n1应该和n2大小相等。从图6（b）和6（c）可以发现，上模中某一点的模拟轨迹与计算的轨迹完全吻合。这表明当两个旋转速度大小相等,方向相反时,公式(7)得到的轨迹与有限元模型相吻合,可以用来模拟非回转上下表面的摆碾过程。在模拟过程中，上模和下模被认为是刚体，工件由四面体网格组成。应该注意的是，工件的尺寸是非常重要的。一方面，太大的网格可能影响计算的准确性。另一方面，太小的网格可能影响计算效率。经过几次试验后，在大塑性变形区和工件的最小尺寸中设置了精确的网格。同时，在模拟过程中当网格畸变过大的时候，会自动重新自动划分网格。为了保证接触连续性，减少严重的网格变形，选择一个非常小的、适当的时间步为0.03秒/步。
20CrMnTi合金是一种用于制造齿轮的低碳钢合金钢，被用作工件材料。因为摆碾在室温下进行，因此在在摆碾之前，采用等温球化工艺，降低了20CrMnTi合金的硬度，提高了其塑性。如方程（8）所示，根据室温下拉伸实验简化的Ramberg-Osgood模型，建立了20CrMnTi合金在等温球化过程中的对应本构关系（韩和华，2011），其对应的应力应变曲线见图9。应注意，
全文共5569字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[10636]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
