ABAQUS二次开发在冷滚打成形参数化建模与仿真研究中的应用

结合冷滚打成形工艺的特点,基于Python语言对有限元分析软件ABAQUS进行二次开发,建立了冷滚打成形有限元模型的参数化建模插件,利用该插件可以对滚打轮和工件的几何模型、复杂材料属性以及打入深度、公转速度、进给速度等工艺参数进行便捷更改,实现冷滚打有限元仿真模型的参数化建立,自动完成几何建模、网格划分、材料属性定义到提交作业等一系列前处理过程,最后使用该插件进行了仿真模拟,并进行了冷滚打试验研究,对不同转速下的仿真成形力和齿形轮廓与试验进行了对比分析。结果显示：仿真所得成形力和齿形轮廓与试验都有相同的变化趋势,并且误差都控制在6%以内,验证了利用该插件建立冷滚打有限元模型的可行性和有效性。     

冷滚打成形中打入量对残余应力的影响规律仿真研究

在冷滚打成形过程中,当外加载荷逐渐卸去后成形件内部会出现残余应力,为了有效的控制其对成形件精度的影响,现针对打入量与残余应力之间的关系进行研究。依据冷滚打成形的基本原理,应用Abaqus软件建立了有限元动态仿真模型,通过仿真获得了不同打入量时工件表面Mises力的分布。由于动态仿真结果工件内部的力处于不平衡状态,不能直接进行残余应力求解,所以在动态仿真结果上建立了静态仿真模型,通过静态求解获得在不同打入量下成形工件在切向、轴向和径向的残余应力的变化规律。在自行开发的冷滚打设备上进行试验,运用X射线应力分析仪测量滚打后工件残余应力分布,进行冷滚打成形件残余应力的实验研究。通过对试件测量得到在不同打入量下制件沿深度方向的切向残余应力的分布,试验结果与有限元仿真结果对比分析表明,残余应力变化规律具有很好的一致性。     

丝杠冷滚打成形参数控制研究

建立了丝杠冷滚打成形的有限元模型,使用ABAQUS软件模拟其成形过程。首先在仿真结果的基础上,设计正交试验,研究冷滚打过程中工艺参数对滚打深度和隆起高度的影响关系;然后分别建立滚打深度和隆起高度与工艺参数之间的多元回归模型,并进行显著性检验;最后利用自行设计的滚打装置进行丝杠冷滚打试验,验证了模型的有效性。研究结果为通过控制工艺参数形成精确的零部件轮廓提供理论基础,对丝杠冷滚打成形有重要的指导意义。     

渐开线花键连续分度冷滚打干涉量分析与表征

针对渐开线花键连续分度冷滚打过程中滚打轮与工件之间的干涉现象,分析了滚打轮在打入和打出过程对工件干涉现象的形成机理,分析表明:打入和打出过程干涉现象分别出现在键槽轮廓的两侧。建立了计算冷滚打干涉量的数学模型,提出了利用齿厚误差表征干涉量的方法。计算结果表明:渐开线花键连续分度冷滚打具有展成法的特点;干涉现象主要集中在渐开线根部,键槽轮廓两侧干涉量相等。利用DEFORM软件对冷滚打过程进行了有限元模拟,分析了工件变形力分布情况,得到了键槽截面轮廓曲线,验证了分析和计算的正确性。进一步计算表明:干涉量与花键模数成正比,与滚打轮回转半径和齿形压力角成反比。干涉量的定量表征为滚打轮安装角计算和滚打轮轮廓设计奠定了理论基础。     

块体材料冷滚打成形变形力研究

简述了块体材料冷滚打成形的基本原理,应用ABAQUS建立了块体材料冷滚打成形的有限元模型并进行了模拟仿真,根据模拟结果,分析了块体材料冷滚打成形过程中变形力的变化情况及各工艺参数对变形力的影响规律。进行了初步的冷滚打成形试验,将仿真结果与试验结果进行对比分析,验证了有限元仿真的正确性。     

冷滚打成形中滚打深度与回弹规律的仿真

为了有效地控制回弹对成形件精度的影响,针对变形量与回弹量之间的关系进行研究。依据冷滚打成形的基本原理,应用ABAQUS软件建立了有限元动态仿真模型,通过仿真获得了不同滚打深度下成形齿槽截面在切向、轴向和径向的变形规律与回弹量。由于动态仿真后工件内部的力处于不平衡状态,不能直接进行回弹求解,所以在动态仿真结果的基础上建立了静态仿真模型,通过静态分析获得了不同滚打深度成形齿槽截面各部分在切向、轴向和径向的回弹规律。在改装的实验设备上进行冷滚打成形实验,获得了工件廓形,并将其与相同工艺条件下的仿真结果进行比较,验证了仿真结果的正确性,为有效控制回弹对成形精度的影响提供了参考。     

丝杠冷滚打成形过程金属流动规律研究

通过数值模拟与试验相结合的方法研究了丝杠冷滚打成形过程中的金属流动规律,论述了丝杠冷滚打成形原理,建立了丝杠冷滚打成形过程的数值模拟方案;根据对应力场、应变场数值模拟结果的分析,进行了丝杠冷滚打成形试验,对试验获得的丝杠工件金相组织变形、硬度分布及硬化层分布进行分析研究。结果表明:成形工件的齿槽底部最先滚打的点相比最后滚打的点变形量小;齿槽底部硬度增大,沿其底部法线方向有一定深度的硬化层,使材料硬度和强度得以提高;初步获得冷滚打过程中的金属流动规律,为进一步揭示丝杠冷滚打成形工艺的成形机理以及精确参数控制提供指导。     

高速冷滚打成形过程的有限元数值模拟

通过对高速冷滚打成形原理进行分析,利用有限元软件Abaqus对LY12铝合金高速冷滚打成形过程进行数值模拟;计算了成形过程中的变形击打力;并利用自行设计的试验装置进行了连续成形过程中变形击打力的试验验证。结果表明:高速冷打滚成形的数值模拟结果与实际试验结果基本一致,验证了数值模拟的有效性,为进一步深入研究高速冷滚打成形技术奠定了理论及应用基础。     

冷滚打花键成形加工参数对表面粗糙度影响规律研究

为改善冷滚打成形花键表面粗糙度,提高冷滚打成形花键表面质量。根据冷滚打花键成形原理,研究冷滚打成形花键表面粗糙度主要影响因素(滚打轮转速、工件进给量、滚打方式、击打深度),定量分析滚打轮转速、工件进给量与表面粗糙度之间的关系,进行冷滚打花键试验。研究结果表明:表面粗糙度随滚打轮转速的增加整体呈现下降趋势,表面粗糙度随工件进给量的增加整体呈现上升趋势。滚打轮转速在1 581 r/min～2 032 r/min范围内,工件进给量在21mm/min～35 mm/min范围内,可获得合适的冷滚打花键表面粗糙度,得到理想的冷滚打成形花键表面质量。     

冷滚打成形件表面鳞纹主要影响因素的仿真研究

针对冷滚打成形件表面存在的鳞纹缺陷,依据冷滚打成形的基本原理,分析了鳞纹产生的原因及主要影响因素;在Abaqus软件环境下建立了有限元仿真模型,仿真了顺打和逆打方式下,滚打轮公转速度和工件水平进给速度变化时鳞纹高度和鳞纹间宽的变化规律,以及相同滚打轮公转速度和工件水平进给速度条件下,不同滚打方式时鳞纹高度、鳞间宽度和截面形状的异同;在改装的实验设备上进行冷滚打成形实验,对工件表面产生的鳞纹进行测量,获得了鳞纹二维截面形状和鳞纹高度,与仿真结果相互比较,验证了有限元仿真的正确性,可为冷滚打成形技术中工件表面质量的控制和工艺参数的选择提供参考。     

冷滚打成形力及金属变形的有限元数值模拟

为了得到能够准确高效计算冷滚打成形实体零件外齿形的成形力和整体金属塑性变形情况的数值模拟方法,根据冷滚打成形的基本原理,建立了能够表征冷滚打成形实体零件外齿形特点的典型有限元模型,并参照实验条件进行了实例计算。所得计算结果与实验相比较,证明了该计算模型和方法能够有效反映出稳定成形时主成形力的平均峰值。同时金属塑性变形的计算结果能有效反映冷滚打成形齿形时的金属变形情况,能够预测和解释外沿飞边和纵向的弓形缺陷的发生。在此基础上研究了提高数值计算效率的方法,得出质量缩放因子取60 000、最小单元格长度0.25mm时可获得较高的计算效率。     

分体夹装式冷滚打主轴设计及可靠性分析

针对冷滚打成形中主轴受高频冲击的特点,对现有冷滚打主轴结构进行改进,给出了一种分体夹装式冷滚打主轴结构,并建立了相应的有限元分析模型。通过数值模拟的方法得到了该结构的模态和受力情况,验证了该结构的可行性。在此基础上,设计了用于C630车床的冷滚打实验用主轴,采用LMS系统得到了该主轴的前三阶模态,并通过和数值模拟方法所得结果进行对比,验证了有限元分析方法和结果的有效性。在C630车床上用该主轴结构对紫铜和20钢块料进行了冷滚打成形实验,进一步证明了分体夹装式冷滚打主轴结构的可行性。     

Metal flowing of involute spline cold roll-beating forming

The present research on involute spline cold roll-beating forming is mainly about the principles and motion relations of cold roll-beating,the theory of roller design,and the stress and strain field analysis of cold roll-beating,etc.However,the research on law of metal flow in the forming process of involute spline cold roll-beating is rare.According to the principle of involute spline cold roll-beating,the contact model between the rollers and the spline shaft blank in the process of cold roll-beating forming is established,and the theoretical analysis of metal flow in the cold roll-beating deforming region is proceeded.A finite element model of the spline cold roll-beating process is established,the formation mechanism of the involute spline tooth profile in cold roll-beating forming process is studied,and the node flow tracks of the deformation area are analyzed.The experimental research on the metal flow of cold roll-beating spline is conducted,and the metallographic structure variation,grain characteristics and metal flow line of the different tooth profile area are analyzed.The experimental results show that the particle flow directions of the deformable bodies in cold roll-beating deformation area are determined by the minimum moving resistance.There are five types of metal flow rules of the deforming region in the process of cold roll-beating forming.The characteristics of involute spline cold roll-beating forming are given,and the forming mechanism of involute spline cold roll-beating is revealed.This paper researches the law of metal flow in the forming process of involute spline cold roll-beating,which provides theoretical supports for solving the tooth profile forming quality problem.     

车轮踏面硌伤处的瞬态滚动接触应力分析

通过建立三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,研究带有踏面硌伤的车轮在指定牵引或制动力条件下的瞬态滚动接触行为,分析不同速度、硌伤几何和材料塑性变形对踏面硌伤处滚动接触行为的影响。结果表明:在60~300km/h速度范围内,车轮硌伤所激起的接触力随速度的增加而降低;初期硌伤可能存在的边缘"堆起"能大大增加接触应力的水平,或可导致滚动接触疲劳的萌生;对于具有尖锐边缘的硌伤,弹塑性等效应力水平仍可明显大于车轮材料的强度极限,即可发生持续的塑性变形,易于萌生疲劳;相对而言,对于具有钝边缘的硌伤,相应的接触应力水平要低得多,车轮偏于安全。     

准双曲面齿轮冷摆辗加工新方法及其数值模拟

针对目前准双曲面齿轮冷摆辗技术存在模具结构复杂、摆辗力相对较大等问题,提出了一种新型的冷摆辗方法。该方法简化了模具结构,采用局部线接触连续塑性成形。基于刚塑性有限元法基本理论,借助通用三维有限元软件DEFORM-3D对准双曲齿轮摆辗成形全过程进行了三维动态分析,研究了速度场量、接触区以及模具受力的分布和变化规律。研究结果揭示了准双曲面齿轮冷摆辗的变形规律。