錢東升+鄧加?xùn)|

摘 要 有限元數(shù)值模擬技術(shù)作為一種高效低成本的分析手段，被廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域，也是工科院校面向本科生開(kāi)設(shè)的專業(yè)課之一。本文以錐齒輪精密冷擺輾成形有限元模擬為例，介紹了DEFORM-3D軟件在“材料成型數(shù)值模擬”課程教學(xué)中的具體應(yīng)用，使學(xué)生掌握了關(guān)鍵建模技術(shù)和數(shù)值分析方法，提高了解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 錐齒輪 冷擺輾 數(shù)值模擬 課程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.10.055

Abstract Finite element numerical simulation technology， as a kind of high efficiency and low cost analysis method， has been widely used in various engineering fields， and is also one of the professional courses for undergraduate students in engineering colleges. The bevel gear precision cold rotary forging forming finite element simulation as an example， introduces the software DEFORM-3D in the material molding numerical simulation "teaching in the specific application， make students grasp the key modeling technology and the numerical analysis method， to improve the ability of solving practical engineering problems.

Keywords bevel gear； cold ring rolling； numerical simulation； course teaching

0 引言

“材料成型數(shù)值模擬”是工科院校面向材料成型方向?qū)W生開(kāi)設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。隨著國(guó)家工程建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決工程應(yīng)用問(wèn)題的要求越來(lái)越高。由于“材料成型數(shù)值模擬”涉及材料力學(xué)、有限元理論和加工工藝等多學(xué)科知識(shí)，①是一門理論性、工程性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，初學(xué)者在使用數(shù)值模擬軟件的過(guò)程中會(huì)面臨簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、建立材料模型、劃分網(wǎng)格和設(shè)置邊界條件等關(guān)鍵問(wèn)題，加大了本課程的教學(xué)難度。因此在教學(xué)課程中可通過(guò)實(shí)例演示的方法激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，從而獲得良好的教學(xué)效果。

錐齒輪是相交軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞基礎(chǔ)件，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力高、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶、機(jī)械、儀表等眾多領(lǐng)域。其加工方法主要包括傳統(tǒng)切削加工和精密鍛造成形。切削加工材料利用率和生產(chǎn)效率低，而且破壞了流線完整性，產(chǎn)品性能降低。精密鍛造可直接成形出齒形，實(shí)現(xiàn)少無(wú)切削加工。常用的精密鍛造方法有模鍛和擺輾成形，②③④其中擺輾是一種局部回轉(zhuǎn)成形，屬于特種鍛造范疇，具有成形力小、尺寸精度高的技術(shù)特點(diǎn)。其成形原理如圖2所示，擺輾過(guò)程中，由圓錐形上模局部加壓于毛坯，并繞機(jī)器主軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而下模不斷向上推動(dòng)毛坯完成進(jìn)給，直到毛坯被反復(fù)輾壓填充模具型腔。

本課程以錐齒輪精密冷擺輾成形為實(shí)例，介紹了其在“材料成型數(shù)值模擬”課程中的應(yīng)用。通過(guò)該課程的教學(xué)，不僅可以讓學(xué)生初步掌握數(shù)值模擬技術(shù)，同時(shí)能夠讓學(xué)生更加清楚地了解錐齒輪精密冷擺輾成形技術(shù)，為材料成型專業(yè)的學(xué)生打下了堅(jiān)實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬實(shí)踐教學(xué)

1.1 理論分析

數(shù)值模擬已成為繼理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試后的第三大科學(xué)研究方法，包括有限差分法、有限體積法、有限元法和邊界元法。其中有限元法可通過(guò)對(duì)變形體離散分析，模擬整個(gè)成形過(guò)程的材料流動(dòng)變化規(guī)律，成為目前分析和處理非線性問(wèn)題的最好工具。有限元法的實(shí)質(zhì)是指將實(shí)際結(jié)構(gòu)離散成規(guī)則的單元體，再對(duì)單元體進(jìn)行分析和集成，從而得到滿足工程精度的近似結(jié)果。對(duì)于有限元模擬來(lái)說(shuō)，計(jì)算精度和計(jì)算效率是一對(duì)矛盾體，因此選用何種模擬軟件、建立什么樣的有限元模型成為數(shù)值模擬過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。

1.2 錐齒輪冷擺輾成形建模過(guò)程分析

錐齒輪冷擺輾是一個(gè)復(fù)雜的彈塑性、大變形力學(xué)過(guò)程，具有高度的幾何非線性、材料非線性和邊界非線性等特點(diǎn)。因此采用剛塑性隱式通用有限元軟件DEFORM-3D模擬錐齒輪冷擺輾成形過(guò)程。由于錐齒輪冷擺輾精密成形的上模和下模幾何形狀比較復(fù)雜，若直接在DEFORM-3D中建模將會(huì)面臨繁瑣和復(fù)雜的裝配定位工作，因此需利用通用三維造型軟件Pro/E進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建及裝配，并保存為STL格式文件，再將其導(dǎo)入到DEFORM-3D前處理器中建立有限元模型。有限元單元?jiǎng)澐值馁|(zhì)量好壞、大小直接影響著數(shù)值模擬結(jié)果的精度和計(jì)算效率。由于錐齒輪齒形部分十分復(fù)雜，為了更好地描述齒輪齒形部分的信息，采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，以便于網(wǎng)格的自適應(yīng)生成。另外，由于成形過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注齒形部位的材料流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變和損傷等場(chǎng)量的分布，為了提高計(jì)算精度，將這部分的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。劃分網(wǎng)格后建立材料模型、確定合理的邊界條件及工藝參數(shù)即可完成整個(gè)有限元建模過(guò)程。

2 錐齒輪冷擺輾成形數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 理論分析

利用有限元模擬軟件進(jìn)行工程實(shí)踐問(wèn)題的分析的核心是對(duì)模擬結(jié)果的正確分析。只有正確分析結(jié)果才能了解模型是否可靠，模擬結(jié)果是否具有指導(dǎo)意義。然而大部分學(xué)生能夠通過(guò)反復(fù)練習(xí)掌握軟件的建模使用方法，卻不知道分析哪些以及如何分析模擬結(jié)果。如何做好數(shù)值模擬結(jié)果分析，有以下三點(diǎn)：一是可以從缺陷或問(wèn)題的解決和優(yōu)化入手。如在錐齒輪冷擺輾成形過(guò)程中毛坯形狀對(duì)成形軸向載荷和鍛件成形質(zhì)量有重要影響，可通過(guò)分析模擬結(jié)果中模具充填效果和金屬流動(dòng)情況、多次建模模擬分析來(lái)對(duì)毛坯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。二是可以分析成形結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期效果，如鍛件形狀、尺寸和質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)；是否獲得了和實(shí)際問(wèn)題足夠近似的結(jié)果，這也是對(duì)模型可信度的一個(gè)評(píng)價(jià)。三是分析成形過(guò)程、金屬流動(dòng)速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)等結(jié)果，從而進(jìn)行工藝分析和優(yōu)化。

2.2 錐齒輪冷擺輾成形模擬結(jié)果分析

從后處理結(jié)果中可以提取出不同時(shí)刻的典型成形步，通過(guò)提取的圖可以看到錐齒輪齒形隨時(shí)間不斷變化的成形過(guò)程，如圖5所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，冷擺輾成形過(guò)程中，齒形部位充型主要發(fā)生在擺輾后期，采用該毛坯成形的錐齒輪齒形充填完整。

由于冷擺輾成形是增量成形工藝中的一種，其成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)速度場(chǎng)比傳統(tǒng)鍛造過(guò)程的復(fù)雜得多，因此采用可直觀反映內(nèi)部金屬流動(dòng)屬性的帶箭頭的矢量線段表示金屬流動(dòng)速度場(chǎng)對(duì)整個(gè)冷擺輾成形過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的研究，如圖6所示。箭頭方向可表示金屬流動(dòng)方向，箭頭顏色則代表金屬流動(dòng)速度的大小。在冷擺輾成形過(guò)程中，與上模直接接觸的主動(dòng)變形區(qū)的金屬流動(dòng)速度遠(yuǎn)大于未與上模接觸的被動(dòng)變形區(qū)。

圖7顯示的是錐齒輪冷擺輾過(guò)程等效應(yīng)變場(chǎng)的演變，可以看到，工件的等效應(yīng)變值隨冷擺輾成形過(guò)程的不斷進(jìn)行而逐漸增大。成形時(shí)主動(dòng)變形區(qū)中的齒根與下模先接觸，發(fā)生屈服率先進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。下模的不斷進(jìn)給和上模連續(xù)的碾壓使塑性變形區(qū)向四周擴(kuò)散。錐齒輪冷擺輾成形過(guò)程中等效應(yīng)變值的最大值發(fā)生在齒根處。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)“材料成型數(shù)值模擬”教學(xué)，不僅可以讓學(xué)生掌握DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件基本的建模方法，并且通過(guò)錐齒輪冷擺輾成形工藝的分析可以引導(dǎo)學(xué)生如何利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析優(yōu)化。實(shí)踐證明這種實(shí)例演示的授課方式比單純的理論講解更容易提高學(xué)生的興趣。另外，有限元法在分析成形過(guò)程、工藝優(yōu)化等方面具有重要作用，因此，作為一名材料成型方向的學(xué)生，熟練掌握數(shù)值模擬技術(shù)是很有必要的。

注釋

① 靳玉春，等.材料成型過(guò)程數(shù)值模擬[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2004.

② 張清萍，崔煥勇，王玉增.錐齒輪精鍛成形工藝及有限元分析[J].機(jī)床與液壓，2009.37（11）：32-33，37.

③ 裴興華，張猛，胡亞民.擺動(dòng)輾壓[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

④ 鄧小賓.錐齒輪冷擺輾精密成形規(guī)律和工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.