第一章 绪 论
1.1 引言
汽车后桥主动齿轮是典型的阶梯轴，是汽车底盘后桥传动系统的重要传力零件，是汽车驱动的关键件，其产品质量直接关系到汽车的行驶安全。自从 20 世纪 90 年代以来，全球汽车行业呈现快速增长的发展趋势，我国汽车行业发展迅猛，汽车产业已经发展成为我国的支柱产业，表现之一是汽车产量的大幅增加。文献[1]中曾报道，自 2001 年起中国汽车工业总体上保持了良好的发展势头， 销量水平上 2007 年比 2003 年翻了一番，2009 年中国已成为世界上第一汽车生产大国，同时汽车消费量比例占全球总消费量的 12%，到 2020 年，中国的汽车产量将达到 2000 万辆左右，中国汽车行业前景广阔。由此可见，在未来十几年里，中国汽车年产量会有较大幅度的增长。汽车生产上所需的阶梯轴类件的需求量会大幅的增加，有着广阔的市场前景。因此对汽车轴类件生产工艺的的研究很有必要。由于对汽车后桥主动齿轮的质量要求比较高，在保证足够的强度、刚度和疲劳性能的条件下，还要有严格的尺寸公差和表面质量，这对其制造工艺要求很高。长期以来，轴类零件的生产工艺有切屑，锻造，挤压和轧制等多种加工工艺。
轧制在生产轴类件上有着先天性的优势，轴类零件轧制技术是一种机器轴类零件成形新工艺、新技术，它与传统的锻造、切削等方法比较，生产效率高、节能、节材、产品质量好，是先进制造技术的重要组成部分。先进制造技术 AMT(Advanced Manufacturing Technology)的提出与体系目前尚没有一个明确的、一致的定义。但普遍公认的含义是：先进制造技术指的是是制造业吸收信息技术和现代管理技术的成果后，将其综合应用于产品设计、加工、检测、生产管理、产品销售、使用、回收等制造全过程的制造技术的总称。先进制造技术无论在发达的工业国家、新兴工业国家还是发展中国家，都受到十分的重视，因为先进制造技术的发展对国民经济和国防实力具有重要发展和增强作用，为促进先进制造技术的发展和应用，他们配合相关的政策，投入大量经费，并积极制订有关的发展策略和计划。优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术是先进制造技术的重要组成部分也是其核心。
现代塑性加工业是制造业的一个重要组成部分，塑性加工过程是在一定外力（载荷）和边界条件诸如加载方式、加载速度、约束条件、几何形状、接触摩擦条件、温度场等作用下对材料进行“力”处理和“热处理”的过程，从而使材料发生所希望的几何形状的变化（成形）与组织性能的变化。塑性加工技术包括锻造、冲压、挤压、轧制及其它以材料发生永久变形为特点的材料加工技术。塑性加工具有高产、优质、低耗等特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。根据专家预测，21 世纪， 75%的产品零件粗加工和 50%的精加工将采用塑性加工的方式实现，工业部门的广泛需求为塑性加工新工艺新设备的发展提供了强大的动力和空前的机遇。目前，塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现，新工艺不仅可以节省原材料和机加工的工时，提高生产率，而且锻件的一致性也大大提高，锻件的质量可靠性也得到进一步提高。从发展趋势来看，进入 21 世纪，很多塑性成形工艺已基本达到了净近成形，塑性加工范围在不断的扩大，塑性加工精度在不断的提高，材料利用率在不断的上升。
近年来粉末冶金、冷摆碾、冷挤压、轧制等塑性加工方面的少无切屑加工工艺得到了愈来愈广泛的应用。在轴类零件生产中的楔横轧工艺、滚锻工艺是其中典型的代表。传统的塑性成形加载方式为采用模具对整个坯料施加变形载荷，这样的加载方式使得设备吨位大、生产效率低、能源利用率低等问题，而改变塑性加工的加载方式可得到新的加工工艺。例如旋压、摆动辗压、辊锻、楔横轧等技术都是典型的采用局部连续加载方式成形的。近些年新提出的无模多点成形和数控渐进成形则更是将这种加载方式的变革带到了新的阶段。
第二章 汽车后桥主动齿轮坯楔横轧模具设计
楔横轧成形是由两个同向旋转轧辊上的楔形模具带动轧件旋转，实现径向压缩轴向延伸变形，轧制出各种形状要求的台阶轴。因此，合理设计楔横轧模具是实现轧件咬入并最终成形符合形状即各项要求的轧件的关键。本章主要结合楔横轧模具设计的原则要求和一般过程，设计汽车后桥主动齿轮坯楔横轧成形模具。
2.1 楔横轧模具设计基本要求
2.1.1 模具设计基本原则
在设计楔横轧模具时，一般要遵循四个原则：
（1）对称原则一般我们希望楔横轧为对称轧制，这样模具在设计时也左右对称，使轧件所受轴向力相等而不会轴向移动，同时轧件两边的转速也相等。对于在长度上本身是对称的轴类件，只需在加工中和工艺上加以注意，就自然满足对称轧制原则。但多数轴类件在轴向上是不对称的，为了使轧件两边的力符合对称原则，有成对轧制、分段对称轧制、长棒料预轧楔轧制、对称力轧制四种解决方法。这些方法都能有效地解决不对称件的对称问题，使其在成型过程中，对称轧制。
（2）旋转条件轧件必须在模具楔形的作用下能正常地旋转，这是楔横轧轧制必要条件，所以模具设计时旋转条件必不可少。从旋转条件判别式可以看出：模具与轧件间的摩擦系数μ 越大，旋转条件就越好，而且是平方关系的影响；模具成形角α 、展宽角β 、断面收缩率11Dd越小，其旋转条件越好。
（3）缩颈条件在设计模具时，应满足轧件不会因为轴向力过大而被拉细，轧件不被轴向力PZ拉细的判别条件是从上式可以看出：当轧件的材料、温度及轧后直径 d1等确定后．轧件是否会被拉细，主要决定于成形角的大小，α 角越大越易拉细。当断面收缩率比较大时，容易产生拉细现象，故成形角α 应取小的数值。
第三章 汽车后桥主动齿轮坯............................. 43-58
3.1 参数化设计简介............................. 43-47
3.1.1 参数化设计............................. 43-45
3.1.2 CATIA 二次开发简介............................. 45-47
3.2 楔横轧模具的参数化设计............................. 47-50
3.2.1 轧件参数化分析 .............................47-48
3.2.2 楔横轧模具参数化分析............................. 48-50
3.3 后桥主动齿轮坯楔横轧模具............................. 50-52
3.4 后桥主动齿轮坯楔横轧模具............................. 52-58
第四章 有限元模拟及分析 .............................58-83
4.1 刚塑性有限元法 .............................58-59
4.2 DEFORM-3D 软件............................. 59-61
4.3 DEFORM-3D 有限元模拟............................. 61-65
4.3.1 模型简化............................. 61-62
4.3.2 前处理界面设置 .............................62-65
4.4 模拟成形情况及后处理分析............................. 65-83
4.4.1 轧制过程中应变场分析............................. 66-70
4.4.2 轧制过程中应力场分析............................. 70-73
4.4.3 轧件金属流动分析............................. 73-78
4.4.4 轧件几何形状的分析............................. 78-83
结论
本文从对汽车后桥主动齿轮和楔横轧基本原理的了解入手，对目前汽车后桥主动齿轮坯的生产工艺，生产设备，模具制造有了较为深刻的认识，从而选择出了自己论文中应用的工艺方法和生产设备，作为模具设计的依据。对楔横轧基本原理的学习和理解，和模具设计时的设计原则、基本参数设计过程的认知，为我的模具的设计打下了理论基础。同时对建模软件CATIA和分析软件DEFORM-3D学习，为本论文后桥主动齿轮坯的有限元分析提供了必要的前提。对模具的参数化建模，使模具的建模过程和修改方案变得简单易行，设计思路也变得清晰，由此可知楔横轧的其他的典型的轴类件也可以用参数化建模完成对它的模型设计，然后可以生成楔横轧模具的参数化建模数据库，使得其建模过程成为参数优化过程。
本文对后桥主动齿轮的楔横轧成形过程进行了有限元模拟，DEFORM-3D 的强大功能使得模拟过程清楚明了，结果真实可靠，为模具优化提供了有力的保障。就我而言，通过分析模拟结果让我对楔横轧成形的全过程有了更直观、更系统、更准确的理解和判断。不断的修改之后，模具参数基本合理，成形过程稳定，轧件应力应变完全正常，轧件尺寸相对精确，模拟结果比较成功。能得出最后的结果，中间离不开多位老师的指导和关心，我的导师马品奎，所里的李志刚老师、赵泼老师、王明辉老师等多位老师的悉心指导和帮助，是我学到知识和得出结论的基础。论文的结论还有很多不足和可以继续展开的工作：在本论文的参数化设计中，由于时间较紧，只对模具设计所必须的数据进行了参数化计算和设计。
对于整个楔横轧工艺过程中有关的计算，比如轧件的端面移动量、轧制压力和力矩、模具加工中的有关数据等，同样可以通过编程的方法实现对它们的参数化设计计算，如此使得楔横轧模具参数化设计更加系统。还可以在汽车后桥主动齿轮坯的基础上，运用相同方法组建楔横轧常用典型轴类件参数化模型数据库，实现大部分楔横轧轴类件模具的参数化设计。这些都可以在以后的工作中进行尝试。
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