摘要
塑性加工技术是人类历史上最为久远的制造方式之一，面向 21 世纪的
信息时代，它将是精密制造金属零件更为重要的方式。塑性加工从早期的
“锻打”发展到今天的“塑性加工成形”，是一个从“表象”到“本质”，
从“经验”到“理论”漫长的认识过程。标志着人类对这种制造方式认识
的深化，正朝着以净成形(net－shape)或近净成形(near－net－shape)为目标
的方向发展，在发达国家得以普遍重视，其实际生产应用也日渐广泛。
连续局部塑性成形作为塑性加工的一个分支，具有能量利用率和生产
效率高、质量稳定、易于实现机械化与自动化、能充分地发挥金属材料塑
性的潜在能力及冲击、振动、和环境危害甚少等优点，在塑性成形中占有
重要地位，也是塑性成形技术的主要发展趋势。虽然如此，但是尚存着许
多难题亟待解决，随着一个个难题的解决，必然会在现代净成形技术和绿
色制造工程中占有重要的席位。
齿轮是航空、航天、汽车、摩托等行业中被运用的量大面广的重要零
件之一。采用精密塑性成形工艺生产齿轮，不仅具有节材、节能、低成本、
高效率的显著优势，而且由于齿形具有良好的流线性，金属纤维组织分布
合理，达到较理想的分布状态，齿部抗弯强度、齿面接触疲劳强度与耐磨
性得以增强，齿轮使用寿命也得以提高。因此开展齿轮精密塑性成形的研
究是很有必要的。在齿轮精密塑性成形过程中，变形抗力大、流动复杂、
影响因素多、产品质量不易控制；在高温条件下齿轮的成形过程，存在着
坯料与模具和环境之间热交换，同时也存在着塑性变形功以及坯料和模具
间的摩擦功不断转化为热能，其结果促使坯料内的温度场不断发生变化，
进而影响到坯料的变形行为，并进一步影响内部的微观组织及机械性能；
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另外从力学观点来看，精锻成形过程是几何、物理、边界三重强非线性三
维复杂问题。因此传统的力学分析方法对这类复杂的成形过程难以奏效，
事实判明了数值模拟分析的重要性和必要性，并可由其所提供的变形力学
信息、成形性分析等为预测其成形规律和环境变量的影响提供依据，并对
工艺的制定、模具的设计以及发展齿轮精密成形技术等具有重要的理论意
义和实用价值。
本论文是我的导师宋玉泉教授关于“塑性精密成形”研究方向的一个
组成部分，按照他所提倡的“科、教、产一体化”培养模式，并以他的两
项发明专利为依托，立足于以 ANSYS 软件为模拟平台，密切结合吉林省
科技厅重点项目“汽车用圆柱圆锥直齿轮滚轧和挤压精成形设备研制”(批
准号：20030311)和吉林大学超塑性和塑性研究所“直齿轮中试生产线建
设”，开展了对“圆柱直齿轮滚轧制坯－镦挤、胀挤复合精成形”的有限元
弹塑性大变形热－力耦合数值模拟，对环境参数和轧件内部的参数对制件
成形性的影响进行了定性和定量的研究，总结了一些有意义的结论。因此
本文的主要研究内容和结果如下：
本文以某种直齿轮：模数 m＝2，齿数 z＝20，压力角 α＝２００，变位
系数 ｘ＝０ 为对象，针对直齿轮精密塑性成形变形抗力大，流动性差，特别
是成形中齿轮角隅部分更加难以充满问题，基于精密塑性成形技术、逐次
控制原理以及连续局部变形原理提出了“直齿轮滚轧制坯－镦挤、胀挤复
合精成形”的工艺方案，设计了滚轧制坯的模具结构和上下冲头带圆角的
镦挤、胀挤复合精成形的模具结构。
在 Pro/E 环境里对圆柱直齿轮进行了三维参数化建模设计，并利用有
限元分析软件 ANSYS 对直齿轮滚轧制坯—镦挤、胀挤复合精成形分别建
立了二维、三维弹塑性有限元模型，且都进行了弹塑性大变形热－力耦合
数值模拟分析；
分析了坯料在不同温度（１１００℃，１２００℃）、不同摩擦系数（０．３５，０．４５）、
不同齿顶圆角（０．５，０．８）条件下的热力耦合大变形数值模拟分析，获取
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了镦挤制坯过程中，金属的流动规律，应力应变分布、温度场分布，探讨
了摩擦系数、模具齿顶圆角、坯料温度对此成形过程力能参数影响的一般
规律和影响齿轮成形的逐次因素
获取了在“镦挤、胀挤复合精成形”过程中，金属的应力应变分布情
况、温度场分布情况、载荷—时间（行程）曲线、接触力分布情况，并定
性地研究了金属的流动规律，为工艺参数的制定和模具结构的设计及优化
提供了理论依据。
通过对“直齿轮滚轧制坯—镦挤、胀挤复合精成形”的数值模拟分析，
从理论上证明了我导师的专利“板压滚动塑性精成形机”(已获得了发明专
利，专利号：ZL 95 109500.5)在用于圆柱直齿轮精制坯和“直齿轮滚轧与
挤压组合精成形的设备与工艺”(已获实用性专利，专利号：ZL 1248079.7)
中的镦—胀复合挤压精成形创新思想的可行性和优越性，这对其向产业化
发展提供了借鉴性的指导作用。
Plastic processing technology is one of agelong manufacturing modes in
human history. Even in the 21st century of information age, it is still a main
method for producing metal pieces. Plastic processing technology has
developed from original ‘hammer’to nowaday ‘plastic processing shape’,
which is a extensive cognitive process from ‘idea’to ‘essence’and from
‘experience’to ‘law’. This process shows that people have understood this kind
of processing technology more deeply. Now net-shape and near-net-shape have
been the developing orientation of plastic processing, which has been
recognized in many countries and used more and more widely.
As a branch of plastic processing, consecutive local shaping is of such
advantages as high availability of energy and high production efficiency, steady
quality of production liability to fulfill mechanization and automatization, full
utilization of the plastic potential of metal material, little of impact and
vibration and environmental harm. Even so, there is still unsolved difficult With
problems solved gradually, consecutive local plastic shaping is sure to take a
importance position in modern near-net-shape and green manufacture
engineering.
Gear is one of pieces used widely in aviation, spaceflight, automobile and
motorcycle etc. Precise plastic forming technique for manufacturing gear not
only save materials and energy, reduce the lost and improve the efficiency, but
also make the gear produced by this technique be of good streamline,
reasonable and ideal distribution of fiber structure, which enhance flexural
strength of tooth and contact fatigue strength on the tooth face, improve
wearability improved and prolong operating life. So it is necessary to study
gear’s precise plastic forming. During precise plastic forming of gear, there is
high deformation resistance, complicated flow, too many influencing factors
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and hard controling the quality of pieces. While at high temperature, blank will
exchange heat with die and circumstance during forming of gear,
simultaneously, plastic deformation work and friction work between blank and
die transfer into heat energy continuously, which made temperature field in the
blank change constantly and then affect deformation of the blank and its
microscopic structure and mechanical characteristic. Additionally, from the
point of view of mechanics, precise forming is a complex tridimensional
process including strong nonlinearity of geometry, physical and boundary
condition. It is hard to analyze this kind of complicated forming process with
traditional mechanics method. Therefore, it is essential to simulate numerically
the process. Mechanical information of deformation and analysis of
formability,etc,given in simulation can be used in forecasting the deforming law
and the effect of environment variables. Moreover it also plays an important
theoretical role and practical value in making technique, designing die and
developingof precise forming technique of gear.
The paper was one of the reseach directions on the plastic precise forming
of my supervisor, Prof.Song Yuquan,who advocated the education mode of ‘the
integrationof Science、Teaching、Production’.Basing on this mode and his two
invention patents, chooseing ANSYS as platform and linking the important
project of JiLin province Science and technology ministry ‘cylindrical and cone
spurgears rolling preform and extrusion precise forming equipment research
and manufacture for automobile’(NO.20030311), the author made the finite
element numerical simulationabout elasto-plastic large deformation heat-force
couping of rolling preform and stamping-extrusion and bulge-extrusion
combining precise forming for spur gear’, investigated qualitativiely and
quantitatively on the gears formability for the environmental and the blank
parameters , summarized some useful conclusions.So the main research content
and result are as follows:
The parameters of spurgear chosen in th
引文
[1] 周贤宾. 塑性加工技术的发展――更精、更省、更净. 中国机械工程，2003, 14(1)
[2] 寇淑清，杨慎华等. 高精度直齿圆柱齿轮冷锻成形及关键技术探索. 中国机械工程
学会锻压学会第六届学术年会论文集，北京，1995:88~91
[3] 董湘怀，黄树槐，李志刚等. 塑性加工技术的发展趋势. 中国机械工程，2000,
11(9):1074~1077
[4] H.Kudo. Towards net-shapeforming.Journal of Materials Processing Technology，
1990，(22):307~342
[5] 张士宏. 塑性加工技术的科学化与中国塑性加工技术的发展. 世界科技研究与发
展，1994, 23(5):5~11
[6] K.Kondo. K.ohga.Precision cold die forging of a ring gear by divided flow
method.Int.J.Mech. Sci:1995，35(8):1105~1113
[7] Naunit R.Chintkara，Yohngjo Kim.An analysis of extemal sPllne gear forming by an
upper bound energy method.Int.J.Mech:sci:1996，38(7):777~789
[8] Kurt Lange.Modem metal forming technology for industrial Production.Journal of
Materials Processing Technology，1997(71):2~13
[9] Yoshinori Nagai，Yasutomo Nagai et al..The trial for fomling of a spur gear made from
the drawn cup.In:Advanced technology of plasticity,Beijing: International Academic
Publishers，1993
[10]滕木荣. 热处理研究动向(B): 表面热处理.热处理，2000，41(1):3~10
[11]Yoshikazu Maisumura，Hiroshi yado.Evolution of Ultrafinegraine Femte in Hot
Sulcesslve Deformection Trans[SI]，1987，27:492
[12]安立宝. 齿轮加工技术新进展. 航空工艺技术, 1994 ,1：33~35
[13]谢谈, 贾得伟, 等. 精密塑性成形技术在中国得应用于进展. 机械工程学报，2001，
37(7)：100~104
91
参考文献
[14]刘建生，陈慧琴，郭晓霞, 著. 金属塑性加工有限元模拟技术与有限元应用.北京：
冶金工业出版社，2003
[15]卢险峰. 冷锻工艺与模具. 机械工业出版社，1999-3
[16]池成中，许树勤. 齿轮半精锻件的齿形设计. 锻压机械，1997，5：15~16
[17]田福祥，林化春，孟凡利，等. 直齿圆柱齿轮热精锻一冷推挤精密成形研究. 锻压
机械，1997，32(6):26~28
[18]杨慎华，寇淑清，黄良驹, 等. 直齿圆柱齿轮冷精锻实用化工艺研究. 中国机械工
程，1999，10(4）：401~402
[19]寇淑清，杨慎华，黄良驹, 等. 直齿圆柱齿轮净成形技术研究. 热加工工艺，1999，
(5）：29~31
[20]寇淑清，杨慎华，黄良驹, 等. 高精度直齿圆柱齿轮冷锻成形加工方法的研究. 锻
压技术，2000，(5）：10~13
[21]上海交通大学《冷挤压技术》编写组，冷挤压技术. 上海：上海人民出版社，1976，
10~15
[22]杨长顺，冷挤压模具设计. 北京：国防工业出版社，1994，1~4
[23]洪深泽，挤压工艺与模具设计. 北京：机械工业出版社，1995，1~6
[24]贾宪安，胡九锡. 热挤压工艺与模具设计.北京：机械工业出版社
[25]林法禹，特种锻压工艺. 北京：机械工业出版社，1991，116~118
[26]杨煜. 国内外冷挤压技术发展综述. 锻压机械，2001, (1)：3~5
[27]胡亚民，郑光泽，车路长. 精密体积成形技术的现状及其发展. 锻压机械, 2001，
15(2）：65~69
[28]E.Doege，B.A.BehrensReduce Process Chains due to the PreCision forging of gears－
effect on the conventiollal forging technology.Journal of Materials Processing
Technology， 1997, (71):14~17
[29]MH.Sadeghi，T.A.Dean.Pricision Forging Straight and Hellcal sPur Gears.Journal of
Materials Processing Technology，1995, (45):25~30
[30]Yoshikazu Maisumura，Hiroshi yadoEvolution of Ultrafinegraine Femte in Hot
92
吉林大学硕士研究生学位论文
Sulcesslve Deformection Trans[51]，1987，27:492
[31]J.C.Choi et al..A study on the forging of sPur gears.Int.J.Mech.Sci:1996 ，
38(12):1333~1347
[32]赵键，陈拂晓，上官林键. 体积成形的数值模拟. 模具工业，2000, (9): 26~30
[33]夸克工作室编著. 有限元分析基础篇 ANSYS 与 Matlab . 北京，清华大学出版社,
2002
[34]胡中. 塑性有限元模拟技术的最新发展. 塑性工程学报，1994, 1 (3):3~12
[35]张汝清,詹先义. 非线性有限元分析[M]. 重庆：重庆大学出版社 1990(Zhang
Ruqing,Zhan Xianyi[M]:Chongqing:Chong qing Univesity Publishing house,1990(in
Chinese))
[36]谭建国编著. 使用 ANSYS 6.0 进行有限元分析. 北京，清华大学出版社 2002
[37]孙宗强，田福祥. 直齿圆柱齿轮精锻研究的现状及发展趋势. 青岛建筑工程学
报 ,1999,21: 98~102
[38]T.Wanheim，等. 塑性加工过程的物理模拟. 世界塑性加工最新论文集. 北京：机
械工业出版社，1988,787~792
[39]许树勤，付元，董仕深. 齿坯精锻充填性能的模拟试验研究. 太原重型机械学院学
报，1997，18(3）：283~286
[40]陈火红编著. Marc 有限元实例分析教程. 北京：机械工业出版社，2002-4
[41]刘建生，陈慧琴，郭晓霞, 著.金属塑性加工有限元模拟技术与有限元应用. 北京：
冶金工业出版社，2003，86~95
[42]王跃先，陈军，阮雪榆. 金属塑性成形有限元法在仿真中的网格质量优化.塑性工
程学报，2002，9(1）：10~13
[43]许言午(福特汽车公司，美国), 杨鹤群(迈伯特冈有限公司). 广义成形技术的发展、
应用与未来合作. 塑性工程学报, 2002(12）
[44]梁桂明, 朱象矩, 黄希忠. 齿轮技术的发展趋势. 中国机械工程, 1995，6(3)：25~27
[45]张志红，直圆齿轮精密成型研究: [华北工学院硕士学位论文], 1999
[46]张伯鹏. 先进制造技术基础研究现状及发展趋势. 中国机械工程，1997，8(2):
93
参考文献
60~63
[47]宋玉泉. 板压滚动塑性精成形机. 中国发明专利， ZL 95 109500.5
[48]宋玉泉. 直齿轮滚轧与挤压组合精成形的装置及工艺. 中国专利, ZL. 01248079.7
[49]张保红，张冶民. 直齿轮精密塑性成形研究. 华北工学院学报，1999， (11)21~23
[50]Saeed Moaveni 著 欧阳宇 王菘等译，Finite Element Analysis Theory and
Appliction with ANSYS，北京，电子工业出版社，2003-6
[51]颜云辉, 谢里阳，韩清凯编. 结构分析中的有限单元法及其应用. 沈阳：东北大学
出版社，2000-11
[52]王勖成编，FINITE ELIEMENT METHOD. 北京：清华大学出版社，2002-5
[53]罗子健，尚保忠编. 金属塑性加工理论与工艺. 西安：西北工业大学社，1994-12
[54]富田佳宏（日）著，胡平，李运兴，柳玉启译. 长春：吉林科学技术出版社，1995-2
[55]蔡旺. 叶片精锻过程三维热力耦合有限元模拟. 西北工业大学硕士论文，2002-3
[56]孔祥谦，王传傅．有限元法在传热学中的应用．科学出版社，1981
[57]N.Rebelo and S.K obayashi. A coupled Analysis of viscoplastic Deformation and Heat
Transfer. Int, J.Mech.Sci. 1980, 22:707~718
[58]刘才，崔振山．板材热轧热力耦合有限元模拟．机械工程学报, 1998, 34(4)：36~39
[59]汪大年．金属塑性成形原理．机械工业出版社，1982
[60]陈国学，胡伟，耿建．复杂锻件成形过程中的温度场的数值模拟．塑性工程学报，
1998，5（4）：59~64
[61]卫原平，阮雪榆．金属成形过程中热力耦合分析技术的研究．塑性工程学报，1999，
1（2)：3~9
[62]刘涛，杨凤鹏编. 精通 ANSYS. 北京：清华大学出版社，2001-9
[63]博嘉科技编著. 有限元分析软件-ANSYS 融会与贯通. 北京：中国水利水电出版
社，2002
[64]Ansys User’s Manual:Introduction to Ansys,Vol.I, Swanson Analysis system,
inc.1998
[65]大贺乔一等. 分流方式冷温精密锻造技术应用.中日紧密锻造论文集. 西安，
94
吉林大学硕士研究生学位论文
1996,(5):93~96
[66]Yang.D.Y.Cho J R Lee NK .3Dfinite element Simulation of Complicated hot forging
process using a new remeshing Scheme based on body fitted mapping
technique .Proc .4th TCTP ,1993.1255~1260
[67]朱震午编译，齿轮少无切削加工. 北京：机械工业出版社，1975：144~145
[68]上海机械制造研究所，华东纺织工学院.《金属少无切削加工》.上海：上海科学技
术出版社
[69]宋玉泉. 连续局部塑性成形的发展前景.中国机械工程,2000,11(1~2): 65~67
[70]孙惠学，胡金华，史艳国，等．大型锻件镦粗弹塑性有限元分析．钢铁，１９９８，３３
（４）：31~34
[71]宋玉泉 上下均为双动的可调式液压机 中国专利 ZL 200410010699.6