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齿轮滚轧成形工艺是一种先进的塑性成形技术,它不仅可以大大提高齿轮加工效率和材料利用率,而且可以保证成型件组织流线不被切断,增强其力学性能,因此,受到齿轮加工行业的广泛关注。然而,滚轧模具作为齿轮滚轧成形实验台的关键部件,在齿轮滚轧成形加工中承受的轧制力比切削加工中刀具承受的切削力大得多。在当前的大模数钢齿轮滚轧成形过程中,由于齿啮合作用带来的冲击载荷大,若轧制工艺控制不当,时常发生滚轧轮轮齿断裂现象,这严重影响了成型件质量及设备的正常运行。因此,为解决上述问题,开展滚轧轮材料性能试验及滚轧轮轮齿裂纹扩展分析研究很有必要。本文以当前滚轧轮常用材料—冷作模具钢DC53为研究对象,主要进行了如下几方面的研究:(1)介绍了金属材料的疲劳断裂行为及特征,分析了疲劳断裂各个阶段形成机理,并简要介绍了断裂力学基础理论以及不同裂纹形式的断裂判据;(2)针对滚轧轮用冷作模具钢DC53材料,开展室温下单轴拉伸、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率试验,分别获得该材料的拉伸性能、断裂韧度、不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率方程表达式,即疲劳裂纹扩展速率常数C,m;(3)从线弹性断裂力学角度出发,利用三维断裂分析软件FRANC3D模拟计算标准CT试样穿透型裂纹前缘的应力强度因子及预估裂纹扩展寿命,并与理论计算和试验结果对比,验证该疲劳裂纹扩展数值模拟方法的可行性与准确性;(4)利用三维断裂分析软件FRANC3D,对含半椭圆形初始裂纹的滚轧轮轮齿子模型进行模拟分析,计算裂纹前缘应力强度因子,并基于最大周向正应力准则,模拟滚轧轮轮齿裂纹的扩展轨迹,并和工况下滚轧轮轮齿断口形貌对比;(5)采用“损伤容限设计”的断裂力学理论,利用材料试验结果,对滚轧轮轮齿的裂纹扩展寿命作出预测。本文通过材料试验、数值模拟与理论分析相结合的方法,从材料的角度探究滚轧轮轮齿疲劳断裂的原因机理,对滚轧轮轮齿疲劳断裂问题进行比较全面的探索,研究结果对滚轧轮的设计选材、修形及疲劳寿命预测、齿轮滚轧成形工艺参数的优化提供了有力的支撑。