毕业设计（论文）-热轧法制造齿轮计算机仿真分析

1、热轧法制造齿轮计算机仿真分析 完成日期： 指导教师签字： 评阅教师签字： 答辩小组组长签字： 答辩小组成员签字： 摘 要本文以热轧45钢齿轮为研究对象，借助有限元分析软件MSC.Marc对齿轮轧制过程进行仿真，对轧制过程中齿轮内部应力、应变分布情况，轧制力的大小，轧制力矩及内部金属的流动规律等进行分析讨论。通过分析可以看出，齿轮在轧制的过程中，坯料表面的应变分布是不均匀的，主要集中在轧成的齿廓的周围且应变较大，而齿廓内部的应变较小，心部几乎没有应变；由于应变较大，在高温轧制下齿廓区域可以很容易发生再结晶，细化晶粒，提高齿轮的强度和表面的耐磨性等。所以通过有限元的仿真可以极大地提高热轧齿轮工艺开发与优化效率，并且节约成产成本，对生产工艺的改良也有很积极地意义。关键词：齿轮；轧制；有限元；应变AbstractIn this paper, hot-rolled steel gear 45 as the research object, with the aid of finite element analysis software MSC.Marc gear rolling process

2、simulation, the internal stress during rolling gear, strain distribution, the size of the rolling force, rolling moment and flow pattern inside the metal were analyzed for discussion. By analysis that, in the course of the rolling gear, the strain mainly concentrated around the surface of the tooth profile, and a strain is large, and the tooth profile of the internal strain is small, the center almost no strain; since the strain is large, tooth profile at high temperatures can be easily rolled r

3、ecrystallization, grain refinement, improved strength and abrasion resistance, such as the surface of the gear. It can greatly improve the efficiency of finite element simulation, and can save into production costs, improved production technology also has a very positive meaning.Key words: gear; rolling; finite element; strain 中文摘要、英文摘要、目录的页码使用罗马字母（、.），居中，小五号字页面设置：上2.5厘米，下2.5厘米，左2.8厘米，右2.8厘米；行距：固定值20磅。A4纸，单面打印。目录无需页眉。目 录1 绪论11.1 轧制简介11.2 齿轮轧制简介11.3 有限元法简介31.4 MSC.Marc软件简介41.5 研究内容41.6 研究思路42 热轧法

4、制造齿轮有限元模型52.1 几何模型52.2 网格划分53 结果与分析73.1 轧制过程变形分析73.2 转矩分析93.3 受力分析104 结论与展望11参考文献 12致谢 13 12热轧法制造齿轮计算机仿真分析1 绪论1.1 轧制简介轧制是指金属坯料在旋转轧辊的作用下产生连续塑性变形，从而获得所要求的截面形状并改变其性能的加工方法。轧制原理示意图如图1-1所示，金属坯料进入由上轧辊和下轧辊组成的轧制区域内，依靠上、下轧辊与金属坯料之间的摩擦力带动金属坯料进行轧制，金属坯料由较大的尺寸经过轧辊轧制得到较小的尺寸，从而获得所需的产品1。对于金属材料而言，轧制工艺更是不可或缺的，这也是生产钢材最常用的方式。除了可以生产各种型材、板材和管材之外，轧制也可以用来生产各种零件。零件的轧制具有很多优点，如生产效率比较高、成本较低、产品质量较好、节约材料等。一般根据轧辊转动速度是否相同可将轧制分为转速相同的同步轧制及轧辊转速不同的异步轧制，而根据轧制温度又可分为热轧和冷轧两种。图1-1 轧制原理示意图热轧是指材料轧制温度高于再结晶温度的轧制过程，其特点是材料变形过程中伴随动态再结晶过程。通过热轧可以

5、使金属内部的组织发生变化，使晶粒得到细化，并且能够消除显微组织的缺陷，从而使金属的组织更加密实，材料的力学性能得到明显改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使材料在一定程度上不再是各向同性体；浇注时形成的气泡、裂纹和缩松，也可以在高温和压力的作用下被焊合。冷轧是指材料轧制温度低于再结晶温度的轧制过程，其特点是变形过程中无再结晶现象，变形后的金属只具有形变强化现象。因此，变形程度不宜太大，以免产生破裂。冷轧能使金属材料产生很大的塑性变形，从而提高其屈服点，也可以使金属的硬度和精度得到提高，从而提升产品的性能。1.2 齿轮轧制简介齿轮是传递运动和动力的重要零件，在机械、车辆、船舶、仪器仪表中都得到了很广泛的应用，齿轮本身的质量与产品的使用寿命、承载能力、工作性能及精度等都有着很紧密的关系。随着现在科学技术和生产力的不断发展，机械设备的工作精度需要越来越高，传递的功率必须越来越大，转速也要求越来越高。因此，对齿轮及其传动精度提出了更高的要求2。齿形加工是齿轮加工的核心和关键，现在齿轮的制造主要是用切削加工，也可以采用铸造或辗压（轧制法）来制造加工。而齿轮切削加工的方法就其加工原理的不同可

6、分为成形法（也称仿形法）和展成法（也称范成法）两大类，成形法的特点是：1、成本比较低；2、生产效率较低；3、精度低。展成法的特点是：1、同一模数和齿形角而齿数不同的齿轮可以用同一把刀具加工；2、加工的精度和效率都较高。热轧法的特点是：1、生产率高、力学性能好；2、齿轮强度高、寿命长；3、精度低；4、节约材料。由此可见，热轧法制造齿轮较其他齿轮制造方法具有一定的优势。齿轮轧制就是通过齿辊与坯料间的相互辗压而形成齿廓的工艺。轧制是一种无屑或少屑的加工工艺，所以齿轮轧制可以大大的节约材料，同时可以提高生产的效率。由于齿轮内部的金属主要沿齿廓区域连续流动，所以，齿轮的强度较高、寿命较长。图1-2 齿轮热轧示意图1-轧轮；2-毛坯；3-感应加热器在轧制前将毛坯外缘用感应加热法加热，使毛坯外缘迅速加热至高温，适于压力加工成形，而热量还来不及向毛坯内部传导，毛坯内部则保持较低温度和较高的硬度和刚度，使毛坯处于外柔内刚的理想热加工状态。然后将带齿形的轧轮1做径向进给，迫使轧轮与毛坯2对辗。在对辗过程中，毛坯上一部分金属受压形成齿谷，相邻部分的金属被轧轮齿部“反挤”而上升，形成齿顶3。如图1-2齿轮热轧

7、示意图所示。直齿轮和斜齿轮都可以通过热轧的方法来进行制造。精度要求不高的齿轮，轧制后可以直接使用。而精度要求较高的齿轮，可以先热轧成形后，再对齿轮进行精加工处理，如剃齿、磨齿、研齿和珩齿等。由于轧制过程中材料所受到的应力、应变很大，所以热轧成形的齿轮精度也不够稳定，且对加热设备也有很高的要求。基于有限元算法的数值仿真研究具有效率高、投资少的特点，并且能够快速的进行工艺规律研究与预测，不但能产生很大的经济效益，而且可以加速理论、试验研究的进程，因此得到越来越广泛的应用。1.3 有限元法简介有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求得偏微分方程边值问题近似解的数值技术。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替4。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段5-6。有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是指将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵，在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场等力学特性计算，然后对计算

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