齒輪高效精密滾軋成形技術(shù)是一種新型齒輪制造方法,其技術(shù)特點是能保證金屬材料組織流線在制造過程中不被切斷,相對于傳統(tǒng)方法具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、齒輪制品疲勞壽命長等優(yōu)勢,受到廣泛關(guān)注。滾軋輪作為軋制模具,是滾軋成形設(shè)備的核心部件之一,滾軋輪直接與材料接觸并實現(xiàn)軋制成形工藝,其服役壽命和耐用性直接影響著生產(chǎn)的效率和成本。實踐表明,在大模數(shù)鋼齒輪滾軋成形的過程中,滾軋輪受到很大的循環(huán)載荷,如果設(shè)計不夠合理、工藝參數(shù)控制不當,極易發(fā)生輪齒疲勞斷裂失效現(xiàn)象,嚴重影響滾軋生產(chǎn)的正常進行,而目前國內(nèi)外對此方面的研究十分有限。本文以某型齒輪滾軋成形平臺的軋制模具滾軋輪為研究對象,基于疲勞與斷裂力學(xué)理論,研究滾軋輪的服役壽命,為優(yōu)化成形工藝參數(shù)并提高滾軋輪的壽命提供有價值的參考。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)闡述疲勞失效的主要過程及機理、疲勞壽命定量計算與裂紋擴展分析的方法,基于疲勞與斷裂力學(xué)理論,構(gòu)建適用于滾軋輪疲勞斷裂失效分析及服役壽命評估的研究方法;(2)以滾軋輪材料冷作模具鋼DC53為研究對象,基于極限拉伸強度估算材料的S-N曲線,確定冷作模具鋼DC53的壽命評估參數(shù);(3)基于非線性有限元方法模擬齒輪軸向滾軋成形工藝過程,分析滾軋過程中的載荷參數(shù),并建立滾軋輪的模具應(yīng)力分析模型,研究滾軋輪服役過程中的應(yīng)力演化規(guī)律;(4)基于有限元方法開展?jié)L軋輪服役壽命研究,根據(jù)滾軋輪應(yīng)力演化規(guī)律及材料疲勞壽命參數(shù)研究滾軋輪服役條件下的疲勞壽命,根據(jù)材料斷裂力學(xué)參數(shù)研究滾軋輪輪齒表面萌生疲勞裂紋之后的裂紋擴展壽命;(5)研究主要工藝參數(shù)坯料軸向進給速度和滾軋輪轉(zhuǎn)速對滾軋輪應(yīng)力狀態(tài)與服役壽命的影響,為優(yōu)化齒輪滾軋成形的工藝參數(shù)并提高滾軋輪的服役壽命提供參考依據(jù)。本文采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)路線,基于疲勞與斷裂力學(xué)理論,對滾軋輪的疲勞斷裂失效進行較為全面的研究。研究結(jié)果對滾軋輪服役壽命評估、設(shè)計選材優(yōu)化、成形工藝參數(shù)優(yōu)化等實際應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG333
【部分圖文】：

圖 3.3 冷作模具鋼 DC53S-N 曲線Fig.3.3 S-N curve of DC53 cold working die steel將式 3.8 所示的應(yīng)力-壽命關(guān)系表達式繪制成應(yīng)力-壽命曲線如圖 3.3 所示 曲線將作為材料的疲勞壽命模型用于全壽命的評估。3 裂紋擴展壽命評估參數(shù)3.1 斷裂韌度依據(jù)國家標準《GB/T 4161-2007 金屬材料 平面應(yīng)變斷裂韌度試驗方法》測定材料的斷裂韌度。課題組前期研究工作中已按照國家標準方法，測定冷鋼 DC53 的平面應(yīng)變斷裂韌度0.5= 22.18 M P a mIcK [78, 79]。3.2 裂紋擴展速率依據(jù)國家標準《GB/T6398-2000 金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》，定材料的裂紋擴展速率參數(shù)。課題組前期研究工作中已按照國家標準方法，紋擴展速率試驗，由裂紋擴展速率 da/dN 和應(yīng)力強度因子范圍 ΔK 作圖并使

圖 3.4 裂紋擴展速率試驗 da/dN-ΔK 曲線Fig.3.4 da/dN-ΔK curve of DC53 crack propagation test使用如式 3.9 所示的 Paris 公式對應(yīng)力比 R=0 條件下的疲勞裂紋擴展速率試據(jù)進行擬合。mC( )daKdN 中：裂紋長度；疲勞周次；/dN：單位循環(huán)的裂紋擴展量，即裂紋的擴展速率；：裂紋尖端應(yīng)力強度因子變化范圍；m：材料常數(shù)。Paris 公式能較好的描述冷作模具鋼 DC53 的疲勞裂紋擴展第二階段行為，驗數(shù)據(jù)擬合得到的材料常數(shù)如表 3.5 所示，試驗所得材料參數(shù)將用于裂紋擴展

圖 4.2 20CrMnTi 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4.2 Stress-Strain curve of 20CrMnTi steel將試驗測定的壓縮曲線數(shù)據(jù)作為材料力學(xué)性能模型建立于 Deform 3D 材20CrMnTi 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線用于齒輪滾軋成形的仿真分析。滾軋成形是形過程，伴隨著大量熱量產(chǎn)生，材料表面摩擦力相比于常規(guī)情況有所增加滾軋輪的摩擦系數(shù)取值為 0.2[28, 86]。.3 成形模擬結(jié)果由于塑性成形有限元計算消耗的計算機資源巨大，并且耗時嚴重，對計算合理的簡化，可提高計算效率。本文重點研究內(nèi)容是齒輪滾軋成形設(shè)備重軋輪的服役壽命，本節(jié)研究齒輪滾軋成形過程的主要目的在于求解滾軋，因此可以對齒輪滾軋成形模擬的模型進行部分簡化。根據(jù)前期研究工作算的結(jié)果，單個輪齒成形模型與完整齒輪成形模型的模擬結(jié)果在滾軋輪方面并無差異，因此本節(jié)建立單個輪齒的滾軋成形仿真模型，坯料的成形 4.3 所示。
【參考文獻】

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本文編號：2847096