王 磊,陳彥龍,李 智

(1.河北機電職業(yè)技術(shù)學(xué)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(nóng)用動力設(shè)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(qū)動輪齒的設(shè)計尤為關(guān)鍵。圖1為某拖拉機驅(qū)動輪齒外形圖。經(jīng)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(shù)在逐漸替代傳統(tǒng)的花鍵連接技術(shù),即采用無縫焊接實現(xiàn)拖拉機驅(qū)動輪內(nèi)環(huán)與驅(qū)動齒尖的高度配合;但是,在進行輪齒焊接過程中由于應(yīng)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(zhì)量,筆者從輪齒焊接徑向變形角度出發(fā),分析了相關(guān)焊接工藝,對驅(qū)動輪齒的機構(gòu)及相關(guān)參數(shù)進行了研究。

1 驅(qū)動輪齒焊接原理及結(jié)構(gòu)

驅(qū)動輪齒屬于小型零部件,依據(jù)我國焊接水平的現(xiàn)狀,拖拉機的驅(qū)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(qū)動輪的內(nèi)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(dǎo)趨勢,進而在形成特定熔池的環(huán)境下,兩組件熔化粘合。

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

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

2 焊接工藝優(yōu)化

2.1 理論模型建立

針對拖拉機驅(qū)動輪齒焊接,結(jié)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(qū)動輪齒焊接應(yīng)力應(yīng)變理論模型為

(1)

式中 {dε}e—滿足焊接條件產(chǎn)生的彈性應(yīng)變增量;

{dε}T—滿足焊接條件產(chǎn)生的熱應(yīng)變增量;

{σ}—輪齒焊接條件中承受的應(yīng)力狀態(tài);

[D]e—滿足焊接條件產(chǎn)生的彈性矩陣,隨溫度變化;

α0—初始溫度的線膨脹系數(shù);

α—線膨脹系數(shù);

T—驅(qū)動輪齒焊接溫度。

2.2 有限元模型建立

對拖拉機驅(qū)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(qū)動輪齒的材料選擇合理可以保證整體焊接過程有限元數(shù)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(qū)動輪齒有限元材料關(guān)鍵參數(shù)設(shè)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(shè)定0.008m/s的焊接速度與2 600W的焊接功率按照驅(qū)動齒輪正確焊接順序,對此過程產(chǎn)生的徑向變形進行規(guī)律把控。

2.3 焊接變形分析

在進行驅(qū)動輪齒焊接的過程中,齒輪因焊接產(chǎn)生的溫度場是齒輪熱變形的誘因之一。根據(jù)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(qū)動輪齒有限元材料關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置表Table 1 Key parameter setting table of finite element material of the tractor driving wheel teeth

針對驅(qū)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(yīng)建立正確的三維物理模型,通過定義材料屬性、劃分網(wǎng)格及關(guān)鍵約束條件設(shè)置后進行數(shù)值求解迭代。

圖3 拖拉機驅(qū)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?shù)臒崃鲃用芏群拖鄳?yīng)端面的對流換熱系數(shù),繪制如圖4所示的拖拉機驅(qū)動輪單輪齒有限元分析的參數(shù)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(huán)節(jié),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(qū)動輪單輪齒有限元分析參數(shù)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(qū)動輪齒焊接形成的焊接溫度場、焊接應(yīng)力與變形分布,從熱源與熔池模型和化學(xué)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(guān)系(見圖5),為設(shè)定正確的力學(xué)邊界性能和輪齒的硬度、塑形變形分析提供基礎(chǔ)條件。

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

3 驅(qū)動輪齒焊接試驗

3.1 條件設(shè)置

進行驅(qū)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(jù)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(yīng)力數(shù)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(qū)動輪齒焊接試驗選取材料為20CrMnSi,其主要化學(xué)元素成分分布及含量如表2所示。

表2 拖拉機驅(qū)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(yōu)化預(yù)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(qū)動輪齒不同焊接因素水平下的設(shè)計方案。

表3 驅(qū)動輪齒不同焊接因素水平下的設(shè)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(shè)定為2 000～2 850W,相對應(yīng)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(qū)動輪齒在焊接過程中的應(yīng)力與溫度云圖分布情況。圖6為驅(qū)動輪單齒焊接溫度分布云圖。由圖6可知：焊接輪齒的齒側(cè)面部位溫度最大,對于輪齒徑向變形來講,是關(guān)鍵影響因素之一。

圖6 拖拉機驅(qū)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(jīng)后期數(shù)據(jù)處理,利用試驗效果對驅(qū)動輪的輪齒外廓進行深層次優(yōu)化,給出輪齒焊接的優(yōu)化與預(yù)測模型。

驅(qū)動輪齒直線部分的優(yōu)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(qū)動輪齒圓弧線部分的優(yōu)化為

(3)

式中d—驅(qū)動輪齒圓弧線直徑;

α—驅(qū)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(yōu)化后的物理模型。

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

優(yōu)化后的焊接模型焊接殘余應(yīng)力小于驅(qū)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(shù)模型優(yōu)化的可行性。該優(yōu)化可有效降低后續(xù)驅(qū)動輪齒在作業(yè)過程中的的磨損率,提高驅(qū)動輪齒的使用壽命,進而保證拖拉機整機的作業(yè)效率。此參數(shù)下的拖拉機驅(qū)動輪齒徑向變形較小,可達到較為滿意的焊接效果。

4 結(jié)論

1) 通過分析拖拉機驅(qū)動輪齒焊接原理,建立了驅(qū)動輪齒的數(shù)學(xué)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(shè)置焊接條件,進行驅(qū)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(yīng)力與應(yīng)變分布及此焊接輪齒的顯微組織機構(gòu)三者之間相互影響關(guān)系角度,對焊接的徑向變形進行了參數(shù)優(yōu)化。

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