賈燕龍，劉志奇，宋建麗，李永堂，付建華

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030034; 2.材料成形理論與技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024;3.江鈴重型汽車有限公司，太原 030032)

滾打速度對(duì)花鍵冷敲精密成形過(guò)程的影響規(guī)律

賈燕龍1，2，3，劉志奇1，2，宋建麗1，2，李永堂1，2，付建華1，2

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030034; 2.材料成形理論與技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024;3.江鈴重型汽車有限公司，太原 030032)

針對(duì)花鍵冷敲成形工藝的特點(diǎn)，以ABAQUS軟件為平臺(tái)，采用動(dòng)態(tài)顯式有限元法對(duì)花鍵冷敲精密成形過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究并揭示了花鍵冷敲成形過(guò)程中滾打速度對(duì)滾打力、應(yīng)變和金屬軸向流動(dòng)的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)隨著滾打輪旋轉(zhuǎn)速度的增大，滾打力和等效應(yīng)變逐漸增大;花鍵軸端面凸起系數(shù)增大，金屬軸向流向增加，“塌陷”現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。

花鍵;冷敲成形;數(shù)值模擬;滾打速度

花鍵冷敲精密成形技術(shù)是花鍵毛坯在受到具有一定型廓的滾打輪高速斷續(xù)打擊，表層金屬經(jīng)過(guò)多次漸變塑性變形后實(shí)現(xiàn)花鍵最終成形的一種特種成形工藝[1]，是目前加工高精度、高性能花鍵的先進(jìn)制造技術(shù)，具有高效、高質(zhì)、節(jié)能、節(jié)材等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度、采用不同的研究手段對(duì)花鍵冷敲過(guò)程進(jìn)行了研究，主要通過(guò)理論解析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐[1-6]等探討了單次滾打過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)冷敲成形的影響，尚未見(jiàn)到通過(guò)數(shù)值模擬方法研究花鍵冷敲成形完整的滾打過(guò)程中進(jìn)給速度不變，滾打速度與滾打力、應(yīng)變和金屬軸向流動(dòng)關(guān)系的文獻(xiàn)。在花鍵冷敲精密成形過(guò)程中，滾打輪旋轉(zhuǎn)速度直接決定著工件的變形速度，即影響著在不同應(yīng)變率下工件的變形規(guī)律[7]。本文主要采用ABAQUS有限元分析軟件建立花鍵冷敲成形過(guò)程有限元模型，通過(guò)模擬花鍵冷敲完整的三維變形過(guò)程，研究并揭示了花鍵冷敲成形過(guò)程中滾打速度對(duì)滾打力、應(yīng)變和金屬軸向流動(dòng)的影響規(guī)律。

1 花鍵冷敲成形過(guò)程三維有限元模型的建立

建立合理的花鍵冷敲成形模型是實(shí)現(xiàn)花鍵冷敲成形過(guò)程三維數(shù)值模擬的關(guān)鍵。參考文獻(xiàn)[8]的方法建立了完整的漸開線花鍵間歇分度冷敲成形三維有限元模型，如圖1所示。模型的有效性已得到驗(yàn)證[8]，冷敲成形參數(shù)如表1所示。

圖1 花鍵冷敲成形有限元模型Fig.1 Finite element model of spline cold rolling

為了確定不同應(yīng)變率對(duì)花鍵冷敲成形復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的影響，選擇滾打輪旋轉(zhuǎn)速度為ω=104.6 rad/s，209.2 rad/s，313.8 rad/s，418.4 rad/s，進(jìn)行數(shù)值模擬。滾打輪旋轉(zhuǎn)一周工件的軸向進(jìn)給量為s=60 v/n，其中:v為工件的軸向進(jìn)給速度;n為打輪的旋轉(zhuǎn)速度。因此，在保持工件的軸向進(jìn)給量相同的條件下，不同滾打輪旋轉(zhuǎn)速度與工件進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)參數(shù)如2所示。

表1 冷敲成形參數(shù)Tab.1 The parameters of spline cold rolling

表2 滾打輪旋轉(zhuǎn)速度與工件進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)參數(shù)Tab.2 The parameters of tool rotation speed corresponding to the feed rate of workpiece

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)滾打力的影響規(guī)律

圖2 不同旋轉(zhuǎn)速度下滾打力隨時(shí)間的變化Fig.2 The variation of force with time at different rotation speed

圖2顯示了不同滾打輪旋轉(zhuǎn)速度對(duì)滾打力的影響。從圖2中可以看出，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，滾打力隨時(shí)間變化曲線的斜率增大;當(dāng)滾打輪旋轉(zhuǎn)速度較小時(shí)，滾打力隨旋轉(zhuǎn)速度增大的幅度較大，隨時(shí)間變化曲線比較平穩(wěn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較大時(shí)，滾打力增大的幅度減小，并且隨時(shí)間變化曲線具有明顯的波動(dòng)。

2.2 對(duì)應(yīng)變的影響規(guī)律

不同滾打輪旋轉(zhuǎn)速度下成形花鍵的等效應(yīng)變分布如圖3-圖5所示。可以看出，隨著滾打輪旋轉(zhuǎn)速度的不斷增大，花鍵的等效應(yīng)變也隨之逐漸增大，在各別齒槽底部區(qū)域表現(xiàn)的更為顯著。在圓周方向上，花鍵齒槽底部區(qū)域等效應(yīng)變的升幅要大于兩齒側(cè)區(qū)域和齒頂區(qū)域(如圖3-圖4所示);在軸向方向上，花鍵齒槽區(qū)域和兩齒側(cè)區(qū)域等效應(yīng)變?cè)诨ㄦI軸中部區(qū)域的升幅較大，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，軸端區(qū)域和中部區(qū)域隨著距軸端面距離的增加，等效應(yīng)變的升幅先增大后又緩慢減小，軸尾區(qū)域基本不受影響，而齒頂區(qū)域的等效應(yīng)變受工件進(jìn)給速度的影響較小(如圖3、圖5所示)。

圖3 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)等效應(yīng)變分布的影響Fig.3 The effect of roller rotation speed on the equivalent strain distribution

圖4 花鍵沿圓周方向表層等效應(yīng)變分布圖Fig 4.The spline surface equivalent strain distribution along the circumferential direction

圖5 花鍵齒槽沿軸向方向表層等效應(yīng)變分布圖Fig.5 The equivalent strain distribution along the axial direction on gear groove surface

2.3 對(duì)金屬軸向流動(dòng)的影響規(guī)律

由于花鍵軸端面齒頂出現(xiàn)“塌陷”，采用軸端面金屬凸起系數(shù)(P)來(lái)評(píng)定成形花鍵的金屬軸向流動(dòng)情況，P值越大，軸向流出軸端面的金屬越多，“塌陷”現(xiàn)象越嚴(yán)重。P定義如下:

式中:L0——工件的原始長(zhǎng)度;

Lmax——冷敲終了時(shí)花鍵最大凸起處長(zhǎng)度;

Lmin——冷敲終了時(shí)花鍵最小長(zhǎng)度。

圖6 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)花鍵軸端面凸起系數(shù)的影響Fig.6 The effect of rotation speed on spline axial end convex coefficient

不同滾打輪旋轉(zhuǎn)速度對(duì)花鍵軸端面凸起系數(shù)的影響情況如圖7所示，可以看出，花鍵軸端面凸起系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大而增大。主要原因?yàn)?，?dāng)工件的單次軸向進(jìn)給量不變時(shí)，隨著滾打輪旋轉(zhuǎn)速度的增大，使工件受到的軸向慣性力增大;隨著滾打輪旋轉(zhuǎn)速度的增大，塑性波在工件中傳播的波速增大，使徑向方向上發(fā)生塑性變形的深度增大，從而減小了中部沒(méi)變形金屬對(duì)表層金屬軸向流動(dòng)的牽制和阻礙;隨著滾打輪旋轉(zhuǎn)速度的增大，滾打輪對(duì)工件的單次敲擊能量增大，工件材料中質(zhì)點(diǎn)的軸向流動(dòng)速度增大，因此，工件金屬更容易發(fā)生軸向流動(dòng)，使端面凸起系數(shù)不斷增大。

3 結(jié)論

(1)隨著滾打輪旋轉(zhuǎn)速度的增大，滾打力隨時(shí)間變化曲線的斜率增大，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較小時(shí)，增大的幅度較大，變化曲線較平穩(wěn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較大時(shí)，增大的幅度減小，變化曲線波動(dòng)明顯;

(2)隨著滾打輪旋轉(zhuǎn)速度的增大，花鍵的等效應(yīng)變逐漸增大，齒槽底部區(qū)域較為顯著，圓周方向上，花鍵齒槽底部區(qū)域等效應(yīng)變的升幅大于齒側(cè)和齒頂區(qū)域，軸向方向上，花鍵齒槽和齒側(cè)區(qū)域在中部區(qū)域的等效應(yīng)變升幅較大，齒頂區(qū)域受影響較小;

(3)隨著滾打輪旋轉(zhuǎn)速度的增大，花鍵軸端面凸起系數(shù)增大，金屬軸向流向增加，“塌陷”現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。

[1]崔鳳奎，李言，周彥偉，等.漸開線花鍵滾軋輪CAD及磨削仿真[J].機(jī)械工程報(bào)，2005(12):211-215.

[2]KRAPFENBAUER H.New Aspects for the Mass Production of Spur Gears by Cold Rolling.IPE international Industrial＆Production Engineering[J].1984，8(3):39-41.

[3]LANGE K，KURZ N.Basic Research on Cold Rolling of Involute Splines and Gears[C]∥Metals Congress，Detroit:1984，16-20.

[4]張璐，楊明順，李言，等.高速冷滾打過(guò)程變形力解析方法及其修正[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2011(10):1-7.

[5]張璐，李言，楊明順，等.絲杠冷滾打成形過(guò)程金屬流動(dòng)規(guī)律研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012(13):1623-1628.

[6]崔鳳奎，趙魏，徐永福，等.冷滾打成形對(duì)花鍵組織與性能的影響[J].機(jī)床與液壓，2009(12):36-38.

[7]趙魏.冷滾打花鍵動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系仿真實(shí)驗(yàn)研究[D].河南洛陽(yáng):河南科技大學(xué)，2009.

[8]賈燕龍，付建華，劉志奇，等.花鍵冷敲精密成形數(shù)值模擬研究與分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014(5):97-100.

Effect of Tool Rotation Speed on Cold Rolling Process of Spline

JIA Yan-long1，2，3，LIU Zhi-qi1，2，SONG Jian-li1，2，LI Yong-tang1，2，F(xiàn)U Jian-hua1，2
(1.School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.Shanxi Key Laboratory of Metal Forming Theory and Technology，Taiyuan 030024，China; 3.JMC Heavy Duty Vehicle Co.，Ltd，Taiyuan 030032，China)

According to the characteristics of the cold rolling process of spline，a finite element software ABAQUS is used to simulate the 3D-deformtion at different tool rotation speed during the cold rolling process of spline.The distribution and evolution laws of tool rotation speed on rolling force，strain distribution and metal axial flow are obtained and analyzed.The research results show that rolling force and equivalent stain will be gradually increased with tool rotation speed，and spline shaft coefficient and the metal axial flow will be increased as well.At the same time，the phenomenon of“collapse”will become more and more serious.

spline，cold rolling，numerical simulation，tool rotation speed

TG335.19

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.005

1673-2057(2015)04-0264-04

2015-01-20

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(51275331);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20131415110001);山西省自然科學(xué)基金(2013011022-1)

賈燕龍(1987-)，男，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧纤苄猿尚渭夹g(shù)。