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非圓柱齒輪壓力機(jī)的數(shù)字設(shè)計
摘要：加工工藝如同產(chǎn)品一樣，必須不斷改進(jìn)去適應(yīng)激烈的國際競爭，隨著經(jīng)濟(jì)的需求，消費者的改變，環(huán)境的立法，新產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的需求日益強(qiáng)烈。因此，鍛造業(yè)又努力去改進(jìn)熱鍛工藝。曾被用以生產(chǎn)連桿、斜齒輪、直齒輪、螺旋齒輪傳動裝置和恒速結(jié)的熱鍛工藝已經(jīng)多次改進(jìn)，為了保證工件的連續(xù)和產(chǎn)品不被剪、拉破壞，封閉模具在精密鍛造中被廣泛應(yīng)用，使精密鍛的技術(shù)又向前推進(jìn)了一步。很多因素影響產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝的經(jīng)濟(jì)性，特別是工件溫度，模具溫度和工作時間。高溫條件導(dǎo)致模具溫度升高。因此，模具的溫度與工作時間有直接關(guān)系。過高溫度不可避免的導(dǎo)致模具的破壞。這篇文章介紹了一種利用非圓柱齒輪嚙合這一全新概念在壓力機(jī)機(jī)械上的數(shù)字化研究。這種運動原理同傳統(tǒng)的運動學(xué)相比減少了壓力機(jī)工作時間。
關(guān)鍵詞： 金屬組織、有限元仿真、模具熱裝載、驅(qū)動機(jī)械、非圓周齒輪。
符號說明：
a 中心距
am, bm 傅立葉級數(shù)的系數(shù)
A 模具的表面積
C 補償系數(shù)
e .偏心距
i(φ) .壓力角的轉(zhuǎn)換率函數(shù)
n .轉(zhuǎn)數(shù)
q .溶劑
Q ..熱量
r1(φ) .主動輪漸開線關(guān)于壓力角的極坐標(biāo)函數(shù)
r2(φ) .從動輪漸開線關(guān)于壓力角的極坐標(biāo)函數(shù)
R 齒輪分度圓半徑
s .滑塊行程
Tdie ..工具的局部溫度
Twp .工件的局部溫度
υs ..滑動速度
x 傅立葉系數(shù)的記錄
αtr .熱傳導(dǎo)系數(shù)
T 周期
φ 主動輪壓力角
ψ 從動輪壓力角
1. 精密鍛
由于精密鍛的工作原理和分模鍛的較高精度，對工藝參數(shù)和模具參數(shù)有較高要求。圖1顯示了用封閉模鍛斜齒輪的工作原理。封閉模大部分用來加工網(wǎng)狀或者在主變形過程中的一些附屬特征。為了形成封閉模的多壓力，必須有彈性裝配或者有操作封閉設(shè)備來提供封閉壓力。
如果壓力機(jī)象在加工斜齒輪時由于徑向變形不能閉合，必須有多?；蛘哂懈郊拥姆忾]部件。水平分模的優(yōu)點是壓力好提供，而且滑塊運動同彈性裝配部件的組合很容易實現(xiàn)。垂直分模對有彈射部件的下切很有必有。像離合齒輪和恒速結(jié)就是這樣的。當(dāng)單步壓時同時需要水平和垂直壓力。一個替換物是鑄件壓力機(jī)。即使滑塊的速度在熱鍛工藝中不是足夠的快，這已在有些加工中被使用。
精密鍛的精度已達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)IT7~9, 對金屬材料典型的鍛溫在1100度到1280度之間。
1. 精密鍛中的新概念
在傳統(tǒng)的壓力機(jī)上進(jìn)行精鍛的應(yīng)用迅速增長。尤其象模具的完全封閉，短的工作時間，恒定的能量散失，過載保護(hù)和集中工藝質(zhì)量控制的需求。關(guān)于熱鍛的新技術(shù)不斷被發(fā)展。對經(jīng)濟(jì)型熱鍛壓力機(jī)基于技術(shù)上的需求，IFUM創(chuàng)造了一種全新的概念。這種技術(shù)主要基于用非圓柱齒輪嚙合來保證最小的工作時間和由此而來的最小的熱載荷。
2. 精鍛壓力機(jī)滑塊的運動優(yōu)化
圖2表示了精鍛同傳統(tǒng)的壓力機(jī)相比的優(yōu)良特性。兩者的周期都是1秒。然而，在一秒鐘中壓塊并不工作，都是在延長冷卻時間。對截面為20 mm的變形，傳統(tǒng)壓力機(jī)需要75ms, 而新型壓力機(jī)可減少到39ms。
傳導(dǎo)率的變化，是由非圓柱齒輪的非常規(guī)的角速度的變化引起的。在變形面積較大，滑塊速度增長，節(jié)線r1,r2的變化是由傳導(dǎo)率的需求而定的：
。
中心距為定值：
a = constant = r1(φ) + r2(φ)
轉(zhuǎn)換函數(shù)描述了圓周齒輪節(jié)線和非圓柱齒輪節(jié)線的關(guān)系。
為了滿足滑塊運動學(xué)的要求，這函數(shù)必須進(jìn)行一些適應(yīng)性修改。函數(shù)值是由m個代數(shù)式的傅立葉級數(shù)決定的：
為了確定傅立葉系數(shù)滿足滑塊的運動學(xué)需求，須使用迭代，如圖3，首先，由滑塊運動學(xué)要求估計出傅立葉系數(shù)的初值。根據(jù)公式推出級數(shù)為1到15的傅立葉系數(shù)，其值為和隨機(jī)相乘之和。函數(shù)由和曲軸的驅(qū)動決定。
質(zhì)量因數(shù), 由預(yù)先確定運動條件以及滑塊最小加速度的產(chǎn)生出來的記錄決定。系數(shù)和決定了下一個因數(shù)，并可被隨機(jī)修改。當(dāng)精度達(dá)到要求時，計算值低于預(yù)期值，并在超過一定步數(shù)后對結(jié)果改進(jìn)不大就停止計算。
圖4顯示兩個非圓柱齒輪嚙合計算。用角速度的變化去改變傳動因數(shù)。滑動速度作為齒輪磨損的一個重要因數(shù)，在每對嚙合齒出并不相同。根據(jù)傳動負(fù)載計算并取模數(shù)m為20mm, 齒數(shù)72。
2.2 非圓柱齒輪的形狀的優(yōu)化
因為主動輪同圓是非常相似的，因此，很容易按照圓柱齒輪的運動學(xué)原理去驅(qū)動從動輪。這樣比造兩個非圓柱齒輪更經(jīng)濟(jì)。
圓齒輪的偏心半徑為：
式中 ：
ε= e/R , R是齒輪分度圓半徑，e為偏心距。如圖5。
轉(zhuǎn)換率為：
為了獲得平均轉(zhuǎn)換率，對節(jié)線進(jìn)行積分：
ξ為已知，中心距由非線性公式?jīng)Q定。
圖5顯示了一對偏心齒輪實現(xiàn)了非圓柱齒輪的相似運動。在整個工作過程中速度和加速度只有很小的差異，可以忽略。由于圓周形狀的改變，在相同模數(shù)和齒數(shù)的情況下，中心距變?yōu)?503.62mm。
為了簡化設(shè)計,IFUM開發(fā)了一種程序，只要給出滑塊速度，公稱壓力，節(jié)線長，程序能自動進(jìn)行計算。
3. 模具載荷的有限元仿真
壓力機(jī)設(shè)計好后，應(yīng)該檢驗一下在熱負(fù)載方面的效果。用有限元模擬新壓力機(jī)同傳統(tǒng)壓力機(jī)在速度和工作時間上的不同表現(xiàn)。
[9－11]給出了有關(guān)金屬組織有限元模擬發(fā)展的調(diào)查報告。由于預(yù)計或者材料變形比較理想，往往一次PE模擬就夠了，處于安全考慮，模具安全的知識是必須的。在分析中模具同有限元的嚙合也是必要的。一些有限元分析程序包可進(jìn)行工作狀態(tài)下的模具與工件的變形分析，接觸處理器連接工件和模具的邊界和瞬態(tài)條件，模具的機(jī)械變形和他們在材料流動性方面的影響，可以用接觸模擬器進(jìn)行分析。今天，可變形的三維模型與二維網(wǎng)格模型進(jìn)行分析相比需要耗費CPU更長的時間。因此，IFUW開發(fā)了一種非連續(xù)計算的軟件，用他的FORGE模塊對模具和工件進(jìn)行建模，用他的MSCMARC模塊進(jìn)行有限元分析。
3.1 分解的有限元分析策略
在IFUM 中，螺旋狀斜齒輪已被用精密鍛工藝進(jìn)行制造。他的特點是模具的局部表面有較高的壓力。因此，非接觸分析對這種現(xiàn)象進(jìn)行了分析。如圖6。首先，鍛壓的有限元模擬是用網(wǎng)格模型進(jìn)行的，用的是商業(yè)有限元分析軟件FORGE3.仿真中熱量大量傳到網(wǎng)格模具并進(jìn)行了計算。節(jié)點是模型單元的邊界條件，這種方法減少了CPU的花費。據(jù)調(diào)查顯示，這種模擬比連續(xù)的有限元分析少用一半的時間。
3.2 鍛造的有限元模擬和模具的熱負(fù)載
為了收集壓力機(jī)工作后模具熱負(fù)載的信息，用非連續(xù)的有限元模擬對斜齒輪進(jìn)行了模擬。第一步，用傳統(tǒng)動力學(xué)對網(wǎng)格模型進(jìn)行分析，見圖2。這種情況下局部溫度高達(dá)1200度。兩接觸面之間的傳導(dǎo)率為定值。
為了進(jìn)一步減少CPU的開銷，僅對斜齒輪的一部分進(jìn)行分析。圖7顯示了用FORGE3 對材料流動和和溫度的分布模擬。可以看出在模具上溫度有很大不同。用傳統(tǒng)壓力機(jī)工作后表面的溫度是100到150度比用非圓柱齒輪壓力機(jī)低。這種現(xiàn)象對加工熱的綜合利用很重要。熱流量由下式?jīng)Q定：
式中：Q 表示熱量；A 表示模具表面積。
在用有限元對網(wǎng)格模型進(jìn)行分析時，熱流量主要由表面決定。在第二步中，計算流入溫度較低的模具的熱量。為了確定熱量的流量，用了一下公式進(jìn)行計算：
式中：
q0 =αtr(Twp - Tdie );
Tdie
工具的局部溫度；
Twp
工件的局部溫度；
αtr
熱傳導(dǎo)系數(shù)；
T
周期；
n
轉(zhuǎn)數(shù)；
上式中先計算一段時間中的熱量，然后求其平均值。
熱量從模具高溫部分流到低溫部分過程中的熱損失被忽略。兩種壓力機(jī)的不同工作時間的不同熱量被分別統(tǒng)計?；瑝K的能量的百分之36被轉(zhuǎn)化到模具上。
這中模擬應(yīng)用了商業(yè)分析軟件MSC.MARD。開始溫度是100度。圖8顯示了兩種壓力機(jī)的溫度擴(kuò)散情況。工作18個周期后，溫度出新明顯差異，非圓柱齒輪壓力機(jī)模具的溫度最高可達(dá)460度。
而傳統(tǒng)壓力機(jī)的最高溫度為780度。由于工作時間短，非圓柱齒輪的模具的傳入熱量明顯比傳統(tǒng)壓力機(jī)低。更重要的是熱量被更加有效的控制。
3. 結(jié)論
這篇文章描述了如何進(jìn)行非圓柱齒輪壓力機(jī)的優(yōu)化設(shè)計。這意味著利用圓柱齒輪傳動原理的非圓柱齒輪能被應(yīng)用。相比之下，用圓柱齒輪傳動是用非圓周齒輪傳動加工成本的兩倍。
在加工過程中溫度的變化可被分解仿真工具很容易的模擬。這種仿真工具用來減少三維仿真的時間。這種仿真表明工件鍛造后溫度較高。這對完全熱量處理是很重要的。然而模具的溫度同傳統(tǒng)壓力機(jī)相比比較低，因此，熱載荷對模具的影響減小。
同傳統(tǒng)的壓力機(jī)相比，非圓柱齒輪有已下優(yōu)點：
（1）工作時間顯著減少；
（2）冷去時間變長；
（3）模具的熱負(fù)載減少；
（4）熱量由工件到模具的傳導(dǎo)減少。