粉末冶金Fe-2Cu-0.6C齿轮表面滚压致密的有限元模拟与实验研究.pdf

第 2 0卷第 6期 V o I ．2 ONo ． 6 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a nd En g i n e e r i n g o f P o wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 5年 l 2月 De c． 2 01 5 粉末冶金 F e ． 2 C u ． 0 ． 6 C齿轮表面滚压致密的 有限元模拟与实验研究 罗 奕，滕浩 ，李志友 ，周科朝 中南大 学 粉末冶金 国家重 点实验 室，长沙 4 1 0 0 8 3 摘要采用 D e f o r m一 3 D软件对相对密度为 9 0 ％的F e ． 2 C u ． 0 ． 6 C粉末冶金齿轮表面滚压过程进行有限元模拟，研 究滚压过程中齿轮应力应变和相对密度的分布及变化规律，并利用标准渐开线齿形的工具轮进行齿轮坯料滚压实 验来验证有限元模拟结果。模拟结果表明，轮齿两侧面的等效应变分布存在差异，进入滚压面的最大等效应变出 现在分度圆附近，退出滚压面的最大等效应变出现在齿顶。齿面上的等效应力随滚压圈数增加而快速增大，并逐 渐趋于稳定。齿面表层相对密度的提高可分为 3个阶段，分别为孔隙快速压实阶段、密度缓慢增长阶段与密度稳 定阶段。工具轮完成 O ． 6 mm的进给后，轮齿表面到心部的相对密度呈梯度分布，表面形成大约 O ． 3 - 0 ． 5／ ／ l r n厚度 的致密层 相对密度≥9 8 ％ 。实验结果与模拟结果具有较好的一致性，验证了有限元模型的可靠性。 关键词粉末冶金齿轮；表面致密；有限元；De f o r l T 1 ． 3 D 中图分类号 T F 1 2 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 ． 0 2 2 4 2 0 1 5 6 8 3 7 ． 0 7 Fi n i t e e l e me n t s i m u l a t i o n a n d e x pe r i me n t o f s u r f a c e de ns i fic a t i o n o f P／ M Fe 一 2 Cu- 0 ． 6 C g e a r s b y r o l l i ng LUO Yi ， T ENG Ha o ， L I Z h i y o u ， ZHOU Ke - c h a o S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f P o wd e r Me t a l l u r g y ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i ty ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t A T h r e e ． d i me n s i o n a l fin i t e e l e me n t m o d e l wa s u s e d t o a n a l y z e t h e s u r f a c e d e n s i fi c a t i o n o f F e 一 2 Cu 一 0 ． 6 C P ／ M g e a r s d u r i n g a r o l l i n g p r o c e s s ． Th e d i s t ri b u t i o n s o f e ffe c t i v e s t r a i n ，e ffe c t i v e s tre s s a n d r e l a t i v e d e n s i t y o f t h e s a mp l e d u r i n g r o l l i n g p r o c e s s we r e o b t a i n e d ． T h e r o l l i n g e x p e rime n t wa s c o n d u c t e d u s i n g a s t a n d a r d s p ur t o o l g e a r t o v e r i f y t h e a c c u r a c y o f fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s ． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w d i f f e r e n c e s o f t h e e ffe c t i v e s t r a i n d i s t r i b u t i o n s o n t wo o p p o s i t e fl a n ks o f a t o o t h ． On t h e；a p p r o a c h s i d e ， t h e ma x i mu m s t r a i n o c c u r s n e a r p i t c h c i r c l e wh i l e o n t h e t r a i l s i d e t h e ma x i mu m s t r a i n i S f o u n d a t t o o t h t i p ． T h e e ffe c t i v e s ffe s s i n c r e a s e s f a s t a t i n i t i a l r o l l i n g p r o c e s s a n d t e n d s t o s t e a d y wi t h t h e n u mb e r o f r o l l i n g c y c l e s i n c r e a s i n g ． Th e d e n s i t y i n c r e a s i n g p r o c e s s o f g e a r t o o t h c o u l d b e d i v i d e d i n t o t h r e e s t a g e s f a s t i n c r e a s i n g ， s l o wl y i n c r e a s i n g a n d r e ma i n i n g s t a b i l i ty． Aft e r r o l l i n g p r o g r e s s ， t h e r e e x i s t s d e n s i t y d i s t r i b u t i o n g r a d i e n t wi t h a d e n s i fie d l a y e r a b o u t 0 ． 3 - 0．5 i n i n a t t h e t o o t h s u r f a c e ． T h e e x p e rime n t r e s u l t s a r e i n b e t t e r a gre e wi t h s i mu l a t i o n o ne s ，whi c h ve rifie d t he a c c ur a c y o f fini t e e l e m e nt a n al ys i s ． K e y wo r d s P M g e a r s ； s u r f a c e d e n s i fic a t i o n ； fi n i t e e l e me n t me t h o d ； De f o r m一 3 D 随着粉末冶金零件在汽车零部件制造领域的广泛 应用，高密度和高性能粉末冶金零件的市场需求量越 来越大，如变速器齿轮、同步器齿毂和齿套等 ” 。采 用一次压制烧结方法生产的粉末冶金齿轮密度一般低 于 7 ． 2 g ／ c m3 ，孔隙率高于 8 ％，抗疲劳强度约为普通 锻钢齿轮 的 6 0 ％[ 。粉末锻造是提高粉末冶金齿轮材 料密度的常用方法，可将齿轮整体孔隙度减4 , N接近 零，但其尺寸精度差，成本高。采用表面滚压工艺可 使粉末冶金齿轮轮齿的表面产生一定厚度的致密层， 提高齿轮的接触疲劳与弯曲疲劳寿命，同时心部仍然 基金项 目国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 资助项目 2 0 1 3 A A0 3 1 1 0 2 收稿日期2 0 1 4 1 2 ． 1 5 ；修订 日期2 0 1 5 - 0 4 1 6 通讯作者李志友，研究员，博士。电话0 7 3 1 8 8 8 3 6 2 6 4 ；E - ma i l l iz h i y o u C S U ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 O卷第 6期 罗奕，等粉末冶金 F e 一 2 C u ． 0 ．6 C齿轮表面滚压致密的有限元模拟与实验研究8 4 3 [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O 】 [ 1 2 】 [ 1 3 ] s t u d y o f s u r f a c e d e n s i fic a t i o n o f P M g e ws by r o l l i n g u s i n g FE a n a ly s i s[ J ] ． P r o d u c t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 1 2 1 1 3 1 2 0 ． P L ANI T Z E R F ’ HAr Z E NBI CH LE R L BUC HMAYR B． FE M s u p po r t e d d e v e l o p me n t o f a r a d i a l f o r g i n g p r o c e s s f o r s u r f a c e d e n s i f i c a t i o n o f P ／ M g e a r s【 J ] _ I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f Ma t e ri a l F o r mi n g ， 2 0 0 9 ， 2 1 9 3 9 6 ． Y AZ I C I B A， K RAF T L R I E DE L H． F i n i t e e l e me n t mo d e l l i n g o f P M s u r f a c e d e n s i fi c a t i o n p r o c e s s【 J 】 _P o wd e r Me t a l l u r g y , 2 0 0 8 ， 5 1 3 2 l 1 _ 2 1 6 ． GRA S ER E， HAJ ECK M ， BEZOLD A， e t a 1 ．Op t i mi z e d d e ns i t y p r o fi l e s f o r p o wd e r me t a l l u r g i c a l g e a r s [ J ] ． P r o d u c t i o n En g i n e e r i ng ， 2 0 1 4， D0I 1 O． 1 0 07 ／ s l 1 7 4 0 01 4- 05 43 一 1 ． T AKEMAS U S HI NBUTS U Fo r m r o l l i n g f o r fin i s h i n g p o wd e r me t a l g e a r s[ J 】 ．Ge ars o l u t i o n s ，Me d i a S o l u t i o n s ，I n c ， 2 0 0 4 3 3 -3 9． 周朝辉，曹海桥 ，吉卫，等． DE F OR M 有限元分析系统软件 及其应用[ J ] ．热加工工艺， 2 0 0 3 4 5 1 5 2 ． ZHOU Ch a o h u i ，CAO Ha i - q i a o，J l W e i ，e t a 1 ．Ap pl i c a t i o n o f d e f o rm l i mi t e d l i a b i l i ty a n a l y s i s s y s t e m s o f t w a r e 【 J ] ．Ho t Wo r k i n g T e c h n o l o y g , 2 0 0 3 4 5 1 - 5 2 ． 薛克敏，王晓溪，李萍，等．纯钼粉末 多孔烧 结材料 E C AP 的数值模拟 及实验[ J 】 ．中国有色金属学报，2 0 1 1 ，2 1 1 l 98 -2 0 4 ． XUE Ke mi n，WANG Xi a o x i ，LI Pi n g ， e t a 1 ．Nu me ric a l s i mul a t i o n a n d e x pe rime n t o fp u r e mol y b d e n u m po wd e r s i n t e r e d ma t e r i a l wi t h p o r o s i t i e s d u r i n g E C AP[ J 】 ． T h e Ch i n e s e J o u rna l o f No n f e r r o u s Me t a l s ， 2 0 1 1 ， 2 1 1 1 9 8 - 2 0 4 ． 林云峰．齿轮传动过程 中齿面摩擦力变化规律 的理论分 析[ J ] ． 科技创新导报。 2 0 0 9 5 6 4 6 5 ． LI N Yu n f e n g ．Th e o r e t i c a l an a l y s i s o f th e v a r i a t i o n o f t o o t h s urf a c e f r i c t i o n d u r i n g g e ars d r i v in g[ J ] ． S c i e n c e and T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n He r a l d ， 2 0 0 9 5 6 4 6 5 ． S HI MA S ， OY A NE M． P l a s t i c i ty the o r y f o r p o r o u s me t a l s【 J ] ． Me c h a n i c a l S c i e n c e ， 1 9 7 6 ， 1 8 6 2 8 5 2 9 1 ． 郑 伟 刚，陈 大 ．齿 轮 的滚压 塑性成 形技术 的研 究现 状[ J ] ． 塑性工程 学报， 2 0 0 5 ， 1 2 4 4 3 - 4 6 ． ZHE NG We i g an g ，CHE N Da ．Th e s i t u mi o n o f s t u d y i n g o n t e c h n o l o g i e s o f r o l l i n g p l a s t i c i t y f o rm i n g for g e ars[ J 】 ． J o u r n a l o f P l a s t i c i ty E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 1 2 4 4 3 4 6 ． 编辑汤金芝 研 F【 [ 【 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m