驅動輪齒焊接徑向變形的優化與預測

王 磊,陳彥龍,李 智

(1.河北機電職業技術學院,河北 邢臺 054000;2.山東濟鋼合金材料科技有限公司,濟南 250105)

0 引言

拖拉機作為普遍而實用的農用動力設備,其性能的好壞決定拖拉機整機的工作效率與使用壽命,而變速箱的驅動輪齒的設計尤為關鍵。圖1為某拖拉機驅動輪齒外形圖。經查閱資料可知：為較大限度提高齒輪的加工效率、有效降低加工成本,激光焊接技術在逐漸替代傳統的花鍵連接技術,即采用無縫焊接實現拖拉機驅動輪內環與驅動齒尖的高度配合;但是,在進行輪齒焊接過程中由于應力作用的存在,引起的橫向、徑向變形不可避免,為了更好提高焊接質量,筆者從輪齒焊接徑向變形角度出發,分析了相關焊接工藝,對驅動輪齒的機構及相關參數進行了研究。

1 驅動輪齒焊接原理及結構

驅動輪齒屬于小型零部件,依據我國焊接水平的現狀,拖拉機的驅動輪齒采用激光焊接。其基本原理可以表述為：在滿足焊接材料的前提條件下,利用高能量密度的激光束對驅動輪的內圈與外齒進行無縫焊接。此過程中,由于表面激光輻射加熱的存在,形成具有一定方向的熱傳導趨勢,進而在形成特定熔池的環境下,兩組件熔化粘合。

對于驅動輪齒結構,因為溫度在此焊接過程中的變化會引起其結構的不完整性(即變形性),結構的位移會影響驅動輪齒焊接的進行,溫度場與位移場的相互關系需在優化驅動輪齒焊接徑向變形時考慮在內,充分應用熱力耦合機理進行分析。

圖1 拖拉機驅動輪齒外形圖Fig.1 Contour diagram of the driving gears on the tractor

2 焊接工藝優化

2.1 理論模型建立

針對拖拉機驅動輪齒焊接,結合焊接速度、焊接順序及焊接功率等影響因素,建立拖拉機驅動輪齒焊接應力應變理論模型為

(1)

式中 {dε}e—滿足焊接條件產生的彈性應變增量;

{dε}T—滿足焊接條件產生的熱應變增量;

{σ}—輪齒焊接條件中承受的應力狀態;

[D]e—滿足焊接條件產生的彈性矩陣,隨溫度變化;

α0—初始溫度的線膨脹系數;

α—線膨脹系數;

T—驅動輪齒焊接溫度。

2.2 有限元模型建立

對拖拉機驅動輪齒焊接徑向變形分析,通過理解輪齒焊接過程中熱元素積累原理(見圖2),分別從x、y、z三維方向進行微分化,建立有限元模型。

圖2 焊接過程中的熱元素積累原理Fig.2 Thermal element accumulation principle during the welding

驅動輪齒的材料選擇合理可以保證整體焊接過程有限元數值計算的客觀誤差最小化,筆者給出如表1所示的拖拉機驅動輪齒有限元材料關鍵參數設置情況。其中,焊接速度和焊接功率可以作為主要影響輪齒焊接徑向變形的因素,分別設定0.008m/s的焊接速度與2 600W的焊接功率按照驅動齒輪正確焊接順序,對此過程產生的徑向變形進行規律把控。

2.3 焊接變形分析

在進行驅動輪齒焊接的過程中,齒輪因焊接產生的溫度場是齒輪熱變形的誘因之一。根據輪齒基本焊接理論,就輪齒本體而言,變形過程主要包括徑向變形和橫向變形。

表1 拖拉機驅動輪齒有限元材料關鍵參數設置表Table 1 Key parameter setting table of finite element material of the tractor driving wheel teeth

針對驅動輪齒的焊接工藝,形成變形分析流程如圖3所示。由圖3可知：為準確分析焊接過程中的徑橫向變形,應建立正確的三維物理模型,通過定義材料屬性、劃分網格及關鍵約束條件設置后進行數值求解迭代。

圖3 拖拉機驅動輪齒變形分析流程圖Fig.3 Deformation analysis flow chart of the tractor driver gears teeth

考慮拖拉機輪齒齒根、齒頂的熱流動密度和相應端面的對流換熱系數,繪制如圖4所示的拖拉機驅動輪單輪齒有限元分析的參數分布模型。此模型可以更為真實地模擬實際焊接場景,同時可一定程度簡化有限元分析的繁瑣計算環節,提高迭代效率。

1.齒根熱流動密度 2.齒頂熱流動密度 3.齒面對流換熱 4.齒頂端面對流換熱 5.齒根端面對流換熱圖4 拖拉機驅動輪單輪齒有限元分析參數分布模型Fig.4 Parameter distribution finite element analysis model of single wheel tooth of the tractor driving wheel

為更加準確掌握驅動輪齒焊接形成的焊接溫度場、焊接應力與變形分布,從熱源與熔池模型和化學組分角度,以焊接各微觀影響因素為載體,給出三者之間的互相影響關系(見圖5),為設定正確的力學邊界性能和輪齒的硬度、塑形變形分析提供基礎條件。

圖5 拖拉機驅動輪齒焊接過程各微觀因素關系圖Fig.5 Micro factors relation diagram in the welding process of the driving wheel teeth on the tractor

3 驅動輪齒焊接試驗

3.1 條件設置

進行驅動輪齒焊接徑向變形試驗,選用三維高斯圓錐熱源模型,根據溫度場在焊接過程中隨著焊接源不斷變動的特性,以輪齒的徑向殘余應力數值作為評定焊接徑向變形大小的主要標準,同時注意焊縫中心接頭的達標性要求。該拖拉機驅動輪齒焊接試驗選取材料為20CrMnSi,其主要化學元素成分分布及含量如表2所示。

表2 拖拉機驅動輪齒焊接材料成分分布及含量Table 2 Composition distribution and content of welding materials for tractor driving gear teeth

3.2 優化預測

以焊接功率和焊接速度為影響因素,選取3個因素水平進行分析,形成如表3所示的驅動輪齒不同焊接因素水平下的設計方案。

表3 驅動輪齒不同焊接因素水平下的設計方案Table 3 Design scheme of driving gear teeth under different welding factors

由表3可知：變量因素中的焊接功率設定為2 000～2 850W,相對應的焊接速度給定范圍在0.006～0.010m/s之間,進行徑向變形觀察,可掌握驅動輪齒在焊接過程中的應力與溫度云圖分布情況。圖6為驅動輪單齒焊接溫度分布云圖。由圖6可知：焊接輪齒的齒側面部位溫度最大,對于輪齒徑向變形來講,是關鍵影響因素之一。

圖6 拖拉機驅動輪單輪齒焊接溫度場分布云圖Fig.6 Cloud diagram of temperature field distribution of single gear welding of the tractor driver wheel

經后期數據處理,利用試驗效果對驅動輪的輪齒外廓進行深層次優化,給出輪齒焊接的優化與預測模型。

驅動輪齒直線部分的優化為

(2)

式中x—焊接試驗中的前后焊點相對坐標;

L—焊接試驗中的前后焊點距離;

Δ—x的修正量;

Δmax—x的最大修正量。

驅動輪齒圓弧線部分的優化為

(3)

式中d—驅動輪齒圓弧線直徑;

α—驅動輪齒根角。

利用上述理論模型,得到如圖7所示的焊接工藝優化后的物理模型。

圖7 拖拉機驅動輪齒焊接工藝優化后模型Fig.7 Optimized welding process model of the tractor driving wheel gears teeth

優化后的焊接模型焊接殘余應力小于驅動輪齒的屈服極限強度,焊接匹配模型更加均勻地將載荷進行分布,驗證了此激光焊接工藝及參數模型優化的可行性。該優化可有效降低后續驅動輪齒在作業過程中的的磨損率,提高驅動輪齒的使用壽命,進而保證拖拉機整機的作業效率。此參數下的拖拉機驅動輪齒徑向變形較小,可達到較為滿意的焊接效果。

4 結論

1) 通過分析拖拉機驅動輪齒焊接原理,建立了驅動輪齒的數學模型,通過考慮焊接順序、焊接速度及焊接功率等因素的影響,設置焊接條件,進行驅動輪齒的焊接徑向變形分析。

2) 從輪齒焊接過程中所形成的瞬間溫度場、輪齒的應力與應變分布及此焊接輪齒的顯微組織機構三者之間相互影響關系角度,對焊接的徑向變形進行了參數優化。

3) 焊接試驗：得到了驅動輪單齒焊接溫度分布云圖和優化模型,可有效降低焊接徑向變形,提高驅動輪齒的使用壽命,并可為其他類似農業機械的焊接工藝改進提供思路和參考。