摘 要：將密柵云紋法引入齒輪精鍛研究，根據(jù)直齒圓柱齒輪沖擠精鍛終了階段鍛件分流面的云紋圖像導(dǎo)出位移速度場，獲得了相應(yīng)的變形規(guī)律，為進(jìn)一步研究應(yīng)變分布提供了依據(jù)。 關(guān)鍵詞：直齒圓柱齒輪；沖擠精鍛；密柵云紋法 一、引言 對直齒圓柱齒輪精鍛這類三維非穩(wěn)態(tài)非線性大變形問題，用理論方法難以獲得其變形全過程金屬流動(dòng)的位移場和應(yīng)變場。密柵云紋法作為一種實(shí)驗(yàn)解析方法，能夠利用云紋圖像真實(shí)地記錄變形體的全場位移，經(jīng)過解析可以獲得應(yīng)變信息，從而可以識別變形體的宏觀塑性流動(dòng)規(guī)律。所以把密柵云紋法引入齒輪精鍛研究是恰當(dāng)?shù)?。本文以某型號拖拉機(jī)減速小齒輪［1］（齒數(shù)15，模數(shù)3.5，高度變位系數(shù)0.395，齒輪厚度26.5mm，圖1）為研究對象，采用面內(nèi)密柵圖云紋法的“位移增量微分法”原理［2］獲取沖擠精鍛該齒輪鍛件的分流面變形的云紋圖象，進(jìn)而求解位移速度場，分析金屬的變形規(guī)律。 [align=center] 圖 1 減速小齒輪零件[/align] 二、云紋實(shí)驗(yàn) 沖擠精鍛模擬實(shí)驗(yàn)是用工業(yè)純鉛實(shí)心圓柱坯料在圖2所示的專用模具［1］內(nèi)進(jìn)行的。該模具為可分式，采用組合式浮動(dòng)凹模保證齒頂下角部充滿，上模設(shè)有分流沖頭和飛邊槽以保證齒頂上角部充滿。沖頭半徑為10mm，并帶有拔模斜度。凹模內(nèi)設(shè)有頂桿，以保證鍛件出模。實(shí)驗(yàn)成形設(shè)備為YE-1000型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)。根據(jù)位移增量微分法，在坯料沖擠精鍛至變形終了階段時(shí)，將坯料取出按分流面（由于齒輪齒數(shù)為奇數(shù)，分流面一側(cè)有齒，一側(cè)無齒）中剖，貼上云紋柵片，再入模給一增量變形，拍攝下相應(yīng)的云紋圖像（圖3）。變形情況見表1，所用的基準(zhǔn)柵和試件柵柵線密度均為12l/mm。 [align=center] 圖 2 直齒圓柱齒輪沖擠精鍛可分式模具簡圖[/align] [align=center] 表1 云紋實(shí)驗(yàn)情況 [/align] [align=center] 圖3工業(yè)純鉛模擬熱態(tài)鋼沖擠精鍛直齒圓柱齒輪終了階段云紋圖 （a）場云紋（b）場云紋[/align] 三、位移速度場求取 上述云紋圖像實(shí)質(zhì)上就是一定比例的位移速度場。以鍛件中心軸為z軸，其方向朝上，建立rθz圓柱直角坐標(biāo)系。根據(jù)云紋圖像作出云紋黑帶中心線，確定云紋級數(shù)，并沿r向和z向劃分掃描網(wǎng)格（圖4）。網(wǎng)格間距取2～5mm，云紋較密的區(qū)域，其應(yīng)變梯度較大，網(wǎng)格應(yīng)取密些，反之則取稀些。網(wǎng)格劃分完畢后，對云紋黑帶中心線圖場沿z向網(wǎng)格截面掃描，場沿r向網(wǎng)格截面掃描，即得云紋黑帶中心坐標(biāo)位置（r，z）與位移速度分量（和）的關(guān)系數(shù)據(jù)。為了消除掃描誤差，根據(jù)有關(guān)數(shù)值方法［3］編程對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，再根據(jù)擬合后的數(shù)據(jù)，作出了分流面位移速度場-r、-z、-r和-z等曲線（圖5～12）。 [align=center] 圖 4 場（a）、場（b）云紋黑帶中心線及掃描網(wǎng)格劃分[/align] [align=center] 圖 5 分流面左半部（有齒）-r曲線[/align] [align=center] 圖 6 分流面右半部（無齒）-r曲線[/align] [align=center] 圖 7 分流面左半部（有齒）-z曲線[/align] [align=center] 圖 8 分流面右半部（無齒）-z曲線[/align] [align=center] 圖 9 分流面左半部（有齒）-r曲線[/align] [align=center] 圖 10 分流面右半部（無齒）-r曲線[/align] [align=center] 圖 11 分流面左半部（有齒）-z曲線[/align] [align=center] 圖 12 分流面右半部（無齒）-z曲線[/align] 四、結(jié)果分析 1.云紋圖象 由圖3、4所示場和場云紋圖可見： （1）在沖頭端面和齒頂小凸包附近，云紋十分密集，說明這些區(qū)域的金屬塑性變形和應(yīng)變較大。其它區(qū)域的云紋相對稀疏，應(yīng)變相對較小。 （2）在齒底角部和沖頭根部沒有云紋，說明這些區(qū)域可能是剛性區(qū)或粘滯區(qū)。 （3）由于分流面左右部分不對稱，云紋在整體上也不對稱，但在一些局部對稱區(qū)域如沖頭端面及凹模頂桿外緣附近，云紋較對稱，說明這些區(qū)域的變形體位移和應(yīng)變較對稱。 （4）在沖頭附近區(qū)域，場云紋和場云紋基本上和基準(zhǔn)柵柵線平行，說明這些區(qū)域主要存在正應(yīng)變。其它區(qū)域云紋基本上與基準(zhǔn)柵柵線斜交，說明正應(yīng)變和剪應(yīng)變均有一定的量值。 （5）各級云紋在頂桿頂部外緣處（r≈15mm）匯集，形成放射狀云紋，說明此處的金屬變形流動(dòng)十分激烈，存在應(yīng)變集中現(xiàn)象，其應(yīng)變源集中在云紋射線的中心。從實(shí)際情況看，是因?yàn)橛猩倭拷饘購拇颂幇寄Ｐ竞晚敆U間的結(jié)合縫隙中擠出。 （6）沖頭圓角處、頂桿外緣和齒部小凸包等區(qū)域是位移速度的“奇異點(diǎn)”，各種不同的流動(dòng)速度均在此處匯合。 2.位移速度場 由圖5～12所示位移速度場曲線可知： （1）變形金屬徑向位移速度是這樣分布的：其方向一直與r軸相同，其值在鍛件中心處為零，然后沿r軸正向逐漸增大，在某處達(dá)到最大后，又轉(zhuǎn)而遞減，直到在凹模壁處減小到再次為零為止。取得最大值的區(qū)域分布在沖頭圓角（r=9～10mm,z≤4.35mm）、沖頭側(cè)壁和凹模壁之間（r＝18～20mm，z≥4.35mm）等處。不過由于坯料被剖分貼密柵片，金屬流到凹模壁處有少許被擠入縫隙，稍大于零。 （2）軸向位移速度是這樣分布的：沖頭臺肩鍛靠凹模前，在r＝0～7mm區(qū)域內(nèi)方向與z軸相反，大小由沖頭端面沿z軸反向逐漸遞減至凹模底面為零：在r＝7～10mm之間的半截錐面是分流面，方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，大小約為零；在r＞10mm區(qū)域內(nèi)，方向與z軸相同，大小沿z軸正向逐漸增大。鍛靠后，方向與z軸相反，大小沿z軸反向逐漸遞減至凹模底面為零。 五、結(jié)論 本文應(yīng)用密柵云紋法研究了直齒圓柱齒輪沖擠精鍛變形。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的變形終了階段鍛件分流面的云紋圖像，導(dǎo)出了相應(yīng)的位移速度場，并據(jù)此對金屬變形進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步應(yīng)用密柵云紋法研究直齒圓柱齒輪沖擠精鍛的應(yīng)變分布提供了依據(jù)。