基于DEFORM-3D的超越离合器内星轮温挤压工艺研究.docVIP

基于DEFORM-3D的超越离合器内星轮温挤压工艺研究 一、前言 轮式装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便和灵活等优点。2013年国内装载机保有量超过130万台，行星式变速装置市场份额占70%，而滚柱式离合器则是行星式变速器的核心部件，滚柱式离合器中内星轮具有形状复杂，尺寸精度要求高，表面质量严格的特点，是加工中的难点。 内星轮作为滚柱式超越离合器的重要部件，目前多采用传统切削加工方法，加工效率低，材料浪费量大。随着制造技术的发展，传统切削加工已不能满足生产的需要，开发新的、先进的制造工艺成为了行业发展的趋势。温挤压将锭坯加热到回复温度以上再结晶温度以下进行挤压，与冷挤压相比锭坯的变形抗力小，成形容易，所需压力机的吨位小，模具寿命长；与热挤压相比，尺寸精度与粗糙度好，表面无氧化，温挤压具有优质、高效和低耗环保特点。 本文研究了凹模入模角及毛坯直径对内星轮成形性能的影响，借助DEFORM-3D有限元软件进行仿真分析，缩短了工艺周期，为最终加工方案的确定提供了可靠的实验依据。 二、试验方案 1.零件的工艺路线分析 图1所示为内星轮结构示意图，图1（a）所示为内星轮三维零件图，星轮材料采用GCr15，属于高碳铬轴承钢。图1（b）所示为内星轮工作面尺寸图，由图1（b）可知，内星轮工作滚道为直线与圆弧过渡形状，内星轮外径为120mm，过渡圆弧半径为55mm，偏心距为15mm，内星轮外表面工作时直接与滚柱接触，表面质量及尺寸精度要求高，根据内星轮的特点，本文采用正向实心毛坯挤压的方式，其工艺路线为：下料rarr;加热rarr;正向温挤压rarr;表面精整rarr;后续机械加工（切断、端面加工和内孔加工）。 2.挤压温度的确定 挤压温度是温挤压工艺成败的关键，各种不同材料都有一个最佳温度，在最佳温度下挤压，可使挤压抗力降低，毛坯氧化、脱碳少，模具磨损少，温挤压温度选择应综合考虑的原则是：（1）应选择在被挤压金属材料变形抗力显著下降的温度范围内。（2）应选在被挤压材料开始有较强氧化温度前，保证无氧化或者少氧化。GCr15属于轴承钢，在温度高于500℃~550℃时变形抗力显著下降，但不能高于800℃。事实证明，700℃~800℃正值钢处于珠光体变为奥氏体的区间内，在此温度范围内，钢材既有很好的塑性，随着加热温度的升高，材料氧化过程加剧，形成的氧化皮会越厚，钢材在600℃~800℃范围内无强烈氧化，随含碳量和合金元素的增加，氧化倾向降低，加热温度超过950℃时，氧化现象会急剧增加，根据以上分析，本研究毛坯温度选在具有较高塑性相变温度区域内，选750℃。 3.模拟方案 本文研究了凹模入模角与毛坯直径对内星轮成形性能的影响，分别模拟计算了入模角为120deg;、150deg;和180deg;时内星轮的成形性能，在此基础上，选出最优入模角方案；改变毛坯直径，分析了毛坯直径为120mm、125mm与130mm时内星轮成形过程，从而得到最优试验方案，以此为基础，进行试生产。 三、建立模型及有限元前处理 1.模型设立 采用Pro/ENGINEER 5.0软件对坯料和模具进行三维实体建模，将实体造型以STL二进制格式文件输出保存后导入DEFORM-3D中，模型包括凹模，凸模及坯料三部分。 2.有限元前处理参数设定 本零件材料为GCr15，其主要成分（质量分数）为：1.00%~1.10%的C，0.15%~0.35%的Si，0.25%~0.45%的Mn，1.40%~1.65%的Cr。模拟分析时，上、下模设置为刚体，采用相对尺寸划分网格，数量为10万，采用剪切摩擦模型，摩擦系数选取0.15，对模具和坯料间的接触公差，软件自动设置为0.0193。上模下压速度设置为6mm/s，工件的初始温度为750℃，模具预热温度为400℃，步长0.5mm，每5步保存一次，总步数150步。完成前处理后，生成DB格式数据文件，退出前处理模块。 四、数值模拟分析结果及最终成形方案的确定 1.凹模入模角对内星轮成形的影响 图3所示为入模角为120deg;、150deg;和180deg;，毛坯直径为120mm时，内星轮成形效果示意图。由图3可知，当入模角为120deg;时，先挤出部位出现了较为明显的凸起，齿腔充填不完全，当入模角为150deg;与180deg;时，先挤出部位基本平整，且齿腔的充填效果增强。当入模角较小时，材料倾向于向模腔中央流动，星轮外齿不易充满，随着入模角增大，材料向中间流动的阻力增大，有利于星轮外齿腔的成形。 2.坯料直径对内星轮成形性能的影响