论文部分内容阅读
谐波减速器是机器人中广泛使用的传动零件。柔轮是谐波减速器中的核心结构,直接影响谐波减速器的传动精度和疲劳寿命。目前,先进的柔轮制造工艺被日本和美国的企业垄断,国内亟待研发成熟的柔轮制造工艺。柔轮是薄壁回转体零件,适合使用旋压工艺进行加工,但柔轮常用材料30CrMnSiA合金钢室温塑性成形性能差,难以进行塑性成形,而传统的锻造和切削加工方法,由于加工过程中零件装夹困难和金属流线被破坏,存在材料利用率低、成形质量不稳定和产品力学性能低等缺点。电流对金属材料塑性具有改善作用,利用材料的电致塑性效应能有效提高难变形材料的成形潜力。因此,本文提出利用30CrMnSiA合金钢的电致塑性效应提高其塑性及成形能力,解决材料室温塑性差的问题,结合旋压成形和滚轧成形方法,实现柔轮的近净成形。本文针对柔轮完整旋滚复合成形工艺中的拉深旋压制坯过程,以柔轮杯形坯为研究对象,进行电流辅助拉深旋压成形方法的研究。基于电流辅助单向拉伸试验,研究了柔轮材料30CrMnSiA合金钢的电致塑性效应,采用修正的Johnson-Cook模型构建了30CrMnSiA合金钢的高温电致塑性本构方程。根据传热学和电接触理论,考虑拉深旋压工装特点,进行了电流辅助拉深旋压电流施加方法设计,并通过旋压实验对比,获得了最佳的通电方案。基于ABAQUS有限元软件,编写了30CrMnSiA合金钢高温电致塑性本构方程的材料子程序,建立了“电-热-力”完全耦合的电流辅助拉深旋压有限元模型,并通过模拟研究了电流辅助拉深旋压成形机理。搭建了电流辅助拉深旋压实验平台,并进行了电流辅助拉深旋压实验研究;以旋压件内径偏差和倒锥角为成形质量指标,采用响应面对柔轮杯形坯电流辅助拉深旋压成形进行工艺参数优化。研究结果表明,在200600℃,电流能有效降低30CrMnSiA合金钢的强度,但材料塑性未有显著提高;在6001000℃,电流能有效降低30CrMnSiA合金钢的强度并提高其塑性;基于电流辅助单向拉伸试验构建的30CrMnSiA合金钢高温电致塑性本构方程能有效预测材料在电流辅助条件下的流变行为。采用导体动态接触能实现对坯料的局部加热,具有加热效率高的优点,能有效降低坯料加热对电源设备和导电设备的要求,适合在电流辅助拉深旋压中使用;在三种电流施加方案中都易出现电火花放电现象,对坯料造成烧蚀,其中使用尾顶和反推盘作为正负电极的方案仅对口部造成烧蚀,影响最小。坯料在预热阶段存在明显的温度梯度,起旋温度超过1000℃时可能造成坯料的过烧;电流施加能显著降低拉深旋压过程中的旋压力,并改善杯形坯口部的回弹现象。电流辅助拉深旋压有效消除了室温旋压时出现的破裂现象;旋压件内径偏差随电流的增大而减小,随旋轮与芯模相对间隙的增大而增大,随进给比的增大先增大后减小;定义旋压件母线与轴线的夹角为倒锥角,倒锥角随着电流的增大而增大,随着旋轮与芯模相对间隙的减小先减小后增大;电流辅助拉深旋压最优工艺参数组合是:I=1200A,t0=52s,f=0.36mm/r,δ=-38%。