ZL50裝載機總體及工作裝置設計
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重 慶 理 工 大 學
文 獻 翻 譯
二級學院 機械學院
班 級 機械5班
學生姓名 李雨菲 學 號 10904020510
長梯形花鍵的冷擠壓及其成形分析
Yuan Anfu
收稿日期：2007.8.21，接受日期：2008.3.10，網(wǎng)上發(fā)表日期：2008.4.15
施普林格出版社倫敦有限公司2008年版權(quán)所有
摘要：由于剛度的原因，長梯形花鍵的加工時十分困難的。在本文中，一種基于三維速度場的分析和對分析模擬軟件Deform-3D 5.0的應用的特殊冷擠壓技術(shù)已經(jīng)應用于加工一種合格的Φ12×840的16齒梯形花鍵上。
關(guān)鍵詞：冷擠壓，矩形花鍵，成形極限，變形
1. 介紹
由于矩形花鍵的根部很厚，故一般被應用于傳遞較大載荷的場合。因此，它被廣泛應用與汽車工業(yè)中力的傳遞。本文主要聚焦于一個機械工業(yè)中的難題——長梯形花鍵的加工。傳統(tǒng)的機械加工手段，如銑、滾齒等由于其低下的效率和加工質(zhì)量而不能不能用于批量生產(chǎn)這種花鍵。所以一些特殊制造方法如扭轉(zhuǎn)、擠壓等已經(jīng)越來越被廣泛應用。即便如此，正如圖1中看到的那樣，
對于長梯形花鍵來說，二者在成形 [1–7]部分的時候仍存在一些難題。
2. 成形的細節(jié)部分
圖1指的是將要被加工的長梯形花鍵，其詳細信息如下：
齒數(shù)：16 齒厚：1.3 材料：20Cr（GB）
彈性模量：205Gpa 泊松比：0:29 密度：7850Kg/m3
屈服強度：685Mpa 齒頂圓直徑：Dt=12.8mm 齒根圓直徑：10.86mm
3. 解決步驟：對于制造出一個合格的產(chǎn)品來說，存在兩個待解決的問題：
3.1模腔的結(jié)構(gòu)：在擠壓的過程中，模腔的結(jié)構(gòu)直接影響變形的工件和應力應變分布。因此，有必要設計一種合理的模具結(jié)構(gòu)，以適應實際成形條件來獲得盡可能低的成形力?；趯D壓過程中金屬流動規(guī)律的研究，可以設計出一種較為合理的模具結(jié)構(gòu)。然后在相同實際條件下擠壓的情況用Deform軟件模擬。最后根據(jù)上述兩個結(jié)果制造出擠壓模具。
3.2成形部分的剛度：至于本文中細長工件的成形，如何保證工件在冷擠壓過程中剛度足夠成為了一個壓倒性的問題。所以，在實際擠壓的過程中，傳統(tǒng)的推壓力被改變?yōu)槔?，同時被特殊機構(gòu)支撐。上述這些技術(shù)被證明是行之有效的。
圖1
4. 擠壓分析
在本文中，所有的分析都是在開模擠壓的基礎上進行的。
4.1花鍵軸的形狀函數(shù)
由于梯形曲線的對稱性，只有一半的形狀繪制在圖2中。根據(jù)此梯形花鍵的工作原理，得到它的表面形狀函數(shù)如下：
（1）
其中，L為模具型腔工作區(qū)的有效長度；Rb為基圓半徑；g(θ)的定義如下：
（2）
其中Rt為花鍵的齒頂圓半徑；Rr為花鍵的齒根圓半徑；SR(θ)為描述梯形花鍵的方程，如下：
（3）
其中，αk為花鍵的壓力角；θt當花鍵頂圓是極半徑時為角。
圖2 圖3
4.2實際角度
根據(jù)梯形花鍵的實際尺寸，式子（1）（2）（3）可被轉(zhuǎn)化如下：
Φ1=5.83。 φ2=6.88。 φ3=12.3。
區(qū)域1： （4）
區(qū)域2： （5）
區(qū)域3： （6）
5. 擠壓仿真
本文中，應用了Deform軟件模擬擠壓過程，從而得出上述結(jié)論。仿真環(huán)境與下述實際情況是相似的：
5.1仿真的目的
為了降低制造成本，節(jié)約時間和盡快獲得一個合格花鍵，在本文中，對擠壓的仿真已經(jīng)完成。所以，仿真的目的在于獲得基于工件在擠壓過程中的應力應變光導角α（如圖5所示）。
5.2仿真環(huán)境
分析軟件：Deform-3D 5.0 分析模式：傳熱和形變
工件材料：AISI-1045（與Cr20類似） 目數(shù)：70000
節(jié)點：14452↑ 元素：62766 分析步驟數(shù)：100
頂部和工件的摩擦系數(shù)：0.3 底部和工件的摩擦系數(shù)：0.08
5.3設置模型和仿真
仿真模型如圖5所示，該結(jié)構(gòu)底模為圖4。底模和頂模的直徑分別為Φ45和Φ25，厚度均為10mm。在這個模型中，底模和頂模都是剛性的，工件的材料為塑料。在擠壓過程中，頂模以0.1mm/s恒定的速度向下移動。工件的直徑和長度分別為Φ12.9和25mm。在相同的條件下，對三組角度不同底模進行了仿真，分別為20°,25°和30°。
圖4 圖5
5.4仿真結(jié)果
步驟10的應變分布和步驟24的應力分布分別如圖6、7所示。其他的最大應力和應變在這兩個步驟中的值在表1中列出。圖8是步驟82的仿真結(jié)果。
圖6
圖7
從上述這些結(jié)果可以得出以下幾個點：
（1） 不同導角的應力差異不明顯，而不同導角的應變差異明顯，而且最佳底模導角是25°。
（2） 通過擠壓點可以看出，當導角為25°時最佳，而且在此角度下沒有出現(xiàn)“鍛壓損失”且工件的擠壓質(zhì)量最高（見圖8）。
圖8
6. 實際擠壓成型
結(jié)核和分析結(jié)果，我們以25°的導角打開底模。實際加工條件如下：
擠壓機：特殊目的加工機 傳力介質(zhì)：高壓液壓油
油缸尺寸：Φ400×1000 工作壓力：15 Mpa
工件材料：20Cr 潤滑：油潤滑 速度：約1.4 mm/s
模具材料：燒結(jié)合金 負載模式下的擠壓力：拉而不是推
為了得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，有一點值得注意的地方是：如何使工件在擠壓過程中保持穩(wěn)定。在該實驗中，專用設備組裝的部分可以保持穩(wěn)定，且在擠壓過程中不變形。此外，導向精度也十分重要，否則擠壓力不能保持穩(wěn)定，工件表面可能還會出現(xiàn)裂紋（如圖9所示）。
圖9
7. 結(jié)論
基于其效率高、精度高的優(yōu)點，擠壓技術(shù)在制造業(yè)中越來越多的引起了人們的關(guān)注。擠壓也被稱為無屑加工。尤其在某些部分的批量生產(chǎn)中擠壓成為唯一的成形方式。從本文中可以得出如下結(jié)論：
（1）上界分析是一種有用且有效的方法來計算在擠壓過程中所需的理論功率，而且只要建立的模型與實際生產(chǎn)條件形似，則分析結(jié)果是準確的。
（2）在一些合適的軟件（如Deform）的幫助下，成型過程模擬已經(jīng)被廣泛應用與日常生活中。根據(jù)仿真結(jié)果，在擠壓模具投入生產(chǎn)之前可以對一些結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行必要的調(diào)整或修改。
（3）關(guān)于細長花鍵的成形，除了擠壓加工都要考慮的因素之外首先需要考慮的問題是剛度和穩(wěn)定性，否則無法制造出合格的產(chǎn)品。
（4）CAE技術(shù)是個非常有用的工具，可以節(jié)省很多時間和成本。
（5）到目前為止，在測試期間，雖然存在一些問題（如生產(chǎn)效率和找到最佳的擠壓技術(shù)），一個合格的產(chǎn)品是可以被加工出來的。