武汉理T大学硕士学位论文

分类号—— 密级—— UDC 学校代码 lQ垒窆2

武多萎理歹大 学位论文

题目 麴耋雯鲑塑堡剑坯王苎研塞墨槿县遮让 英文The Roll-Forging Making^{Billetsprocessresearch} 题目 垫鱼丛Q坠!亟旦星墨ig坠Q￡墨h垒鱼￡Q!ging墨 研究生姓名 鱼垦蝰 姓名 筮查壅 职称副塾援 学位亟± 指导教师 单位名称挞料型堂皇王程堂院邮编垒三QQZQ 姓名 董吐塑 职称 直级王程垣 副指导教师 单位名称董型型醋包地越遮绮鲤丝逦邮编垒三§QQQ 申请学位级别亟± 学科专业名称 挝抖加王王程 论文提交日期 2Q!!：Q垒 论文答辩EI期 2011．05 学位授予单位 位授予日期 答辩委员会主 阅人

201 1年05月

独创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。

学位论文使用授权书

本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。

(保密的论文在解密后应遵守此规定)

研究生(签名)：博皿峰导师(签名)：豸劈扫期2刀／，√一2，f

武汉理工人学硕士学位论文

摘要

轴类锻件在锻件生产中数量庞大，应用范围非常广泛，所需要攻克的技术 难题也较多。其中汽车拉杆、后桥主动螺旋伞齿轮等传动零件，质量要求十分 严格，精度要求较高。螺旋伞齿轮锻件的传统制造工艺是锤上拔长制坯，再通 过开式模锻终成形，生产的锻件不但产品质量很低，飞边较大，而且易产生废 品，大大降低材料利用率，加大了生产成本。拉杆坯件的传统制造方法是热模 锻，产生的飞边较大，材料利用率很低，不但费工费料，而且使产品成本提高。 辊锻是使坯料通过一对装有锻模的旋转的辊子，在旋转中使金属变形，得到各 种锻件和锻坯的成形新技术。本文通过计算机仿真模拟分析研究两类轴类零件 辊锻制坯工艺。

本文在研究两类轴类锻件几何结构基础上，对两类轴类锻件进行特征段划 分，通过对锻件的工艺分析确定各自的辊锻加工工艺(螺旋伞齿轮锻件采用制 坯辊锻工艺，拉杆锻件采用成形辊锻工艺)，根据辊锻成形工艺的设计原则，提 出了两类轴类锻件辊锻成形工艺的设计方法，并对两种给定型号的轴类零件进 行工艺与模具进行设计计算。本文在三维造型软件PRO／E环境中，完成对两种轴 类锻件、辊锻坯料的三维造型，同时分别对其进行模具型腔设计，为有限元模 拟分析奠定了基础。

本文根据刚塑性有限元法，利用有限元模拟分析软件对这两种轴类零件辊 锻成形工艺过程中的金属的流动规律，应力、应变分布及变形规律进行了研究， 并通过不断地调整模具和工艺参数，得到较为理想的模拟结果，实现两类轴类 零件辊锻工艺与模具型腔的优化。

关键词：轴类锻件辊锻制坯成形特点有限元模拟三维造型应力应 变

武汉理工火学硕上学位论文

Abstract

In the forging production，Shaft Forgings are the most in quantity and maximum in workload，in which，the Cars rod，rear^axle gear^and other transmission parts，they need stringent quality and difficult technology．The traditional manufacturing process of spiral bevel gear forging is^that blank hammer stretching system，then shape open die forging the final．Not only the production of forging quality is very low，larger flash but also easy to produce waste，greatly reduce material utilization，increase production^{costs．Thetraditionalmanufacturingprocessof rod blanksishot} forging， that process gets larger flash，material^utilization is very low，not only material costs and engineering fees increase but^also raising^the cost of^the product．Roll Forging is that make the blank through the forging die with a pair of rotating rollers，metal deformation in the rotating manipulation，gets all kinds of forgings and forging stock of forming^new technology．In^this paper，through combining computer simulation analysis^with physical^{verificationtestmethodto} study^two types^ofRoll Forging Shaft Technology．

This paper divides the two types of sh蛆fo画ng into several feature segments based on the research of the geometry of the two types of shaft forging，through the analysis^of forging process^{todeterminetheir} respective^roller forging process(spiral bevel gears by blocking roller forging process of forgings，bars forgings by roll f0蟛ng process)，according^tothe design principle^ofroller forging process，the design^{methodof two} types^ofshaft forgings^roller forga‘ng process^Was proposed，and give^the given type^axial parts design process^{andmouldcalculation。Basedonthe} three—dimensional modeling software PRO／E environment，the three-dimensional modeling^{of two} types^axial forging^androller forging^{stockWasachievedwhilethe} respectively designing^ofmold cavity，laid a foundation for the finite element analysis．

The metal flow law，stress and strain distribution law and deformation law in the two shaft parts roll for百ng metal forming process has been studied with finite

Ⅱ

武汉理T大学硕十学位论文

element simulation soft-ware，and we obtained the ideal simulation results by constantly adjusting the mold and the process parameters， and achieve the optimization^{of twoshaftpartsroll} forging process^anddie cavity．

Keyword：Axial forgings，Roll forging billet，Emergent^{characteristicsFinite} element analysis，Solid^{Modeling，Stress，Strain}

III

武汉理工大学硕上学位论文

目录

摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I
ABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．Ⅱ
第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1
1．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1
1．2辊锻成形工艺概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3
1．3辊锻技术国内外研究及应用状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4
1．4数值模拟技术在辊锻技术中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5
1．5课题来源、课题研究的内容、意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6
1．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7
第2章主动螺旋伞齿轮辊锻制坯工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8
2．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8
2．2几个基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8
2．3制定辊锻毛坯图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9
2．4确定辊锻道次⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10
2．5辊锻型槽系的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1
2．6四道次截面尺寸计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
2．6．1制坯辊锻型槽设计的计算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
2．6．2制坯辊锻型槽设计的图解法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l5
2．6．3各道次型槽的纵向尺寸设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16
2．7本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18
第3章螺旋伞齿轮锻件辊锻工艺的有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
3．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
3．2刚塑性有限元法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20
3．3DEFORM一3D有限元分析软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l

IV

武汉理工大学硕’{二学位论文

3．4PRO／E环境下螺旋伞齿轮锻件辊锻制坯模具的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22
3．4．1创建三维模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22
3．4．2模具装配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24
3．4．3骨架折弯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24
3．5螺旋伞齿轮锻件辊锻制坯有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一26
3．5．1第一道次辊锻成形过程的有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26
3．5．2第二道次辊锻成形过程的有限元模拟及模具修改⋯⋯⋯⋯⋯⋯29
3．5．3第三、第四两个道次辊锻成形过程的有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯31
3．6螺旋伞齿轮锻件辊锻工艺有限元模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l
3．6．1辊锻制坯四个道次变形过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31
3．6．2辊锻制坯四个道次应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33
3．6．3辊锻制坯四个道次应变场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34
3．7本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35
第4章汽车拉杆辊锻工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36
4．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36
4．2成形辊锻工艺概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．37
4．3确定原始坯料、辊锻道次及送料方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一38
4．3．1原始坯料长度尺寸计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38
4．3．2确定辊锻道次⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38
4．3．3选取送料方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39
4．4拉杆成形辊锻的型槽设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39
4．5拉杆预成形辊锻的型槽设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．40
4．5．1拉杆预成形毛坯设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40
4．5．2拉杆预成形辊锻型槽设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43
4．6拉杆成形辊锻工艺的制坯型槽设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。44
4．7本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．45

V

武汉理工大学硕士学位论文

第5章汽车拉杆辊锻工艺的有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46
5．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46
5．2PRO／E环境下成形辊锻模具的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46
5．3拉杆锻件的辊锻成形有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．50
5．2．1制坯辊锻有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50
5．2．2预成形辊锻有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52
5．2．3终成形辊锻有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52
5．3拉杆锻件辊锻成形工艺有限元模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．53
5．3．1拉杆锻件成形辊锻三个阶段变形过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53
5．3．2拉杆锻件成形辊锻三个阶段变形过程应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯54
5．3．3拉杆锻件成形辊锻三个阶段变形过程应变场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯55
5．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯56
第6章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57
6．1结1沧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。57
6．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。58
参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．59
致 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62
攻读硕士学位期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．63

VI

武汉理T大学硕上学位论文

第1章绪论

1．1引言

轴类零件是汽车行业中经常遇到的典型零件，它主要用来支撑传动零部件， 传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由外圆 柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面组成【l】。轴类零件中可根据使用要求、 生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件的毛坯形式。对于外圆直径相差 不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差较大的阶梯轴或重要的轴， 常选用锻件，这样既能节约材料又可以减少机加工工作量，还可以改善机械性 能。本文以两种典型的轴类零件一汽车后桥主动螺旋伞齿轮和汽车拉杆作为研 究对象，并对两种轴类零件进行工艺分析，采用合理的加工工艺以制备高质量 的轴类锻件l引。

汽车后桥主动螺旋伞齿轮是汽车后桥主减速箱传递动力的关键零件之一，是 由锻件经过切削加工而制造的，其锻件的制造精度、质量直接影响机器设备的 效率、运动精度以及零件的使用寿命等。在使用上，螺伞齿轮具有传动平稳、 噪音低、吃面磨损均匀、使用寿命长、可以实现大传动比等特点，因此，广泛 应用于轿车、微型车、中小型汽车等领域，需求量较大【3】。所以，选用先进的锻 造工艺生产汽车后桥主动螺旋伞齿轮锻件以提高产品质量，具有及其重要的意 义。如图1．1为各类主动螺旋伞齿轮锻件：

彰。嘶”饿”嬲黝”矽锄缓缈
霎 ，夕～＼萋f
m
罄 j汐 Ⅵ“。
，
塾≯移；■旁 零差
≮菱蓼锄簟j
擎 》，彩 镶
％ ?臻 。 |’j

图1．1汽车后桥主动齿轮锻件

武汉理工大学硕十学位论文

目前生产汽车后桥主动螺伞齿轮锻件的主要生产方法及生产线是：锤上拔 长，模锻压力机模锻成形。该工艺的缺点是：(1)锤上拔长是打击力锻造，设 备吨位高，噪音大，需要打击的次数多，生产效率低，劳动环境差，成形的坯 件表面粗糙，直线度很低。(2)一般模锻锻造成形时极易发生弯曲，产生较大 的飞边，降低了材料利用掣4。7j。

拉杆是汽车转向系统的主要零件之一，位于汽车转向梯形机构的底边，连 接左右转向臂【8】。拉杆主要作用是为车辆转弯时提供稳定性，减少侧倾，增加轮 胎抓地力，从而使两个车轮同步，以调正全速。考虑到拉杆在汽车转向系统中 的重要性，在长期使用后必须更换，因此拉杆需要大批量生产。而拉杆坯件的 加工质量会直接影响到零件的成形精度和质量。所以，生产高质量的拉杆坯件 就成为拉杆生产制造工艺中的关键问题。拉杆坯件的传统制造方法是热模锻， 产生的飞边较大，材料利用率很低。我们对这两类锻件进行了分析，以上两种 典型传动零件属于轴类零件，均可以采用辊锻制坯【9．”】。由于辊锻制坯的过程是 近似静压的、局部的、连续及非封闭变形过程，所以，锻造力小，且无飞边， 锻件金属纤维方向不但不会被破坏，反而能够得到改善，提高了锻件的机械性 1引。如图1．2为汽车拉杆辊锻工艺坯件图：

鬈⋯‘⋯”。⋯ ⋯1|⋯。|⋯|⋯。’。⋯。⋯?||j’。二

图1．2：拉杆坯件图

本文中将对这两类轴类锻件的辊锻制坯工艺进行数值模拟，并对两类轴类 锻件的辊锻制坯进行试样比较。通过有限元模拟的模拟分析，可以全面了解其 在成形过程中应力场、应变场的变化与金属流动规律等，为试验中改进工艺和 模具提供方向和依据，并把模拟结果与生产试样相比较，为大批量的生产高强 度、高精度的轴类锻件的辊锻坯件提供强有力的参考依据。

2