第2期 朱小星等：齿廓间相对滑动对滚轧齿轮齿廓金属流动的影响 ·249· o.1((@) 0.4间 0.2 -0.2 从动侧 主动侧 -0.3 从动侧 主动侧 -0.4 -04 -0.8 0.5 -1.0/ 6 -2 26 10 125 -10-50510 15 啮合点与节点的距离mm 啮合点与节点的距离mm 图5轧件齿廓两侧的相对滑动系数.(a)h1=2mm;(b)h1=5mm Fig.5 Relative sliding coefficient on both sides of the workpiece tooth:(a)h=2 mm:(b)h=5 mm 负值，齿廓上受到剪切摩擦力的方向与2方向相 体，采用四面体划分网格，对坯料外圈进行局部单元 同，且方向不改变，导致在轧件齿廓主动侧和从动侧 细化，总单元格数38万，坯料划分网格后效果如 上金属滑动方向没有变化；当h1=5mm时，在啮合 图7()所示.坯料材料为工业纯铅和45钢，材料 节圆上下相对滑动方向改变，导致其在主动侧齿廓 模型的本构关系用如下方程表示： 节圆上下段所受剪切摩擦力方向都朝向节圆处，在 G=G(e,8,T) (11) 从动侧齿廓上下段所受剪切摩擦力方向背离节圆. 式中，σ为等效应力，E为等效塑性应变，：为应变速 齿廓上相对滑动导致的剪切摩擦会对齿廓金属流动 率，T为变形温度 产生如图6(a)和(b)所示的影响：h,=2mm时，主 工业纯铅在冷态下滚轧，45钢在高温下进行滚 动侧齿廓金属向齿顶滑移，从动侧齿廓金属向齿根 轧，轧辊、支撑轴及夹板的初始温度和环境温度均设 滑移：当h,=5mm时，主动侧齿廓金属以节圆为分 为20℃，轧件与轧辊、支撑轴及夹板之间均为接触 界线同时向节圆处滑移，从动侧齿廓金属从节圆处 传热，换热系数设为5×103W·(m2·K)-1:轧件与 分别向齿顶、齿根滑移 空气之间为对流换热，换热系数设为20W·m2 K.轧辊与坯料的摩擦类型为剪切摩擦，主轴、夹 板和坯料间的摩擦类型为库伦摩擦，库伦摩擦因数 设为0.2.轧辊转速为11.9r·s1,进给速度为0.2 mms-,轧件转速为18.1475rs,参数设置时，固 定工件，轧辊自转并绕轧件公转：由于轧辊、夹板和 轧件 轧件 主轴在成形过程中的变形量与轧件相比可以忽略不 ) (b) 计，模拟时轧辊、支撑轴和夹板均视为刚体. 图6轧件齿廓两侧金属流动示意图.(a)h1=2mm:(b)h,=5 mm Fig.6 Metal flow on both sides of workpiece tooth:(a)=2mm: 轧辊 (b)h=5mm 3.2有限元仿真 坏料 基于Solidworks软件进行三维建模并导入De- 夹板 fom3D软件生成有限元模型，对齿轮的滚轧成形过 主轴 程进行有限元模拟能够准确地模拟轧制过程中金属 的塑性变形情况.图7(a)为有限元模型的组成，包 含轧辊、两个夹板、主轴和坯料.齿轮轧件齿形参数 图7齿轮滚轧有限元模型.(a)有限元模型组成：(b)坯料网 是模数m=5,齿数z=40,压力角a=20°，变位系数 格划分 Fig.7 Finite element model of gear rolling:(a)components of the x=+0.1,采用坯料外径为200.3mm.模拟过程中 finite element model:(b)mesh of the blank 坯料的塑性变形远远大于弹性变形，由于不研究弹 性变形等对齿形精度影响，所以坯料设置为刚塑性 图8是45钢在1100℃轧制过程的有限元仿真第 2 期 朱小星等: 齿廓间相对滑动对滚轧齿轮齿廓金属流动的影响 图 5 轧件齿廓两侧的相对滑动系数． ( a) h1 = 2 mm; ( b) h1 = 5 mm Fig． 5 Ｒelative sliding coefficient on both sides of the workpiece tooth: ( a) h1 = 2 mm; ( b) h1 = 5 mm 负值，齿廓上受到剪切摩擦力的方向与 v2t 方向相 同，且方向不改变，导致在轧件齿廓主动侧和从动侧 上金属滑动方向没有变化; 当 h1 = 5 mm 时，在啮合 节圆上下相对滑动方向改变，导致其在主动侧齿廓 节圆上下段所受剪切摩擦力方向都朝向节圆处，在 从动侧齿廓上下段所受剪切摩擦力方向背离节圆． 齿廓上相对滑动导致的剪切摩擦会对齿廓金属流动 产生如图 6( a) 和( b) 所示的影响: h1 = 2 mm 时，主 动侧齿廓金属向齿顶滑移，从动侧齿廓金属向齿根 滑移; 当 h1 = 5 mm 时，主动侧齿廓金属以节圆为分 界线同时向节圆处滑移，从动侧齿廓金属从节圆处 分别向齿顶、齿根滑移． 图 6 轧件齿廓两侧金属流动示意图． ( a) h1 = 2 mm; ( b) h1 = 5 mm Fig． 6 Metal flow on both sides of workpiece tooth: ( a) h1 = 2 mm; ( b) h1 = 5 mm 3. 2 有限元仿真 基于 Solidworks 软件进行三维建模并导入 De￾form-3D 软件生成有限元模型，对齿轮的滚轧成形过 程进行有限元模拟能够准确地模拟轧制过程中金属 的塑性变形情况． 图 7( a) 为有限元模型的组成，包 含轧辊、两个夹板、主轴和坯料． 齿轮轧件齿形参数 是模数 m = 5，齿数 z = 40，压力角 α = 20°，变位系数 x = + 0. 1，采用坯料外径为 200. 3 mm． 模拟过程中 坯料的塑性变形远远大于弹性变形，由于不研究弹 性变形等对齿形精度影响，所以坯料设置为刚塑性 体，采用四面体划分网格，对坯料外圈进行局部单元 细化，总单元格数 38 万，坯料划分网格后效果如 图 7( b) 所示． 坯料材料为工业纯铅和 45 钢，材料 模型的本构关系用如下方程表示: σ = σ( ε，ε ·，T) ． ( 11) 式中，σ 为等效应力，ε 为等效塑性应变，ε · 为应变速 率，T 为变形温度． 工业纯铅在冷态下滚轧，45 钢在高温下进行滚 轧，轧辊、支撑轴及夹板的初始温度和环境温度均设 为 20 ℃，轧件与轧辊、支撑轴及夹板之间均为接触 传热，换热系数设为 5 × 103 W·( m2 ·K) － 1 ; 轧件与 空气之间为对流换热，换 热 系 数 设 为 20 W·m － 2 K － 1 ． 轧辊与坯料的摩擦类型为剪切摩擦，主轴、夹 板和坯料间的摩擦类型为库伦摩擦，库伦摩擦因数 设为 0. 2． 轧辊转速为 11. 9 r·s － 1，进给速度为 0. 2 mm·s － 1，轧件转速为 18. 1475 r·s － 1，参数设置时，固 定工件，轧辊自转并绕轧件公转; 由于轧辊、夹板和 主轴在成形过程中的变形量与轧件相比可以忽略不 计，模拟时轧辊、支撑轴和夹板均视为刚体． 图 7 齿轮滚轧有限元模型． ( a) 有限元模型组成; ( b) 坯料网 格划分 Fig． 7 Finite element model of gear rolling: ( a) components of the finite element model; ( b) mesh of the blank 图 8 是 45 钢在 1100 ℃轧制过程的有限元仿真 · 942 ·