20CrMnTi倒擋中間齒輪精鍛成形工藝優(yōu)化研究

林應(yīng)學(xué)

摘要：在汽車的傳動(dòng)零件中，倒擋齒輪是非常重要的組成部分之一，在整個(gè)齒輪鍛造中產(chǎn)業(yè)中屬于較為關(guān)鍵的部分。不過(guò)由于齒輪采用的材料為20CrMnTi，因此在鍛造時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)齒輪的齒面精度以及相應(yīng)的性能產(chǎn)生一定的影響。此外，20CrMnTi合金鋼在鍛造時(shí)產(chǎn)生的成形應(yīng)力也較大，從而對(duì)鍛造齒輪的模具使用壽命產(chǎn)生影響。針對(duì)這種情況，本文利用Deform-3D軟件，模擬了齒輪的鍛造過(guò)程，從而得到了齒輪殘余應(yīng)力以及成形力的大小。通過(guò)分析不同工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力以及成形力大小的影響，在此基礎(chǔ)上選擇最佳的工藝參數(shù)，從而能夠減小20CrMnTi齒輪在鍛造時(shí)的殘余應(yīng)力以及成形力。

關(guān)鍵詞：倒擋中間齒輪;20CrMnTi;精鍛成型;工藝優(yōu)化

0? 引言

齒輪是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)零件，廣泛的應(yīng)用于汽車以及航空航天等行業(yè)，其對(duì)加工精度的要求非常嚴(yán)格，因此提高不同材料的齒輪鍛造精度一直是機(jī)械制造企業(yè)所關(guān)注的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的方法在加工齒輪時(shí)采用的是切屑加工，整個(gè)過(guò)程的生產(chǎn)效率較低，并且不能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行充分的利用，經(jīng)濟(jì)性較差。不過(guò)通過(guò)采用鍛造成形的方式則能夠解決傳統(tǒng)加工工藝中的不足，但是冷精鍛成形因?yàn)榻饘俚睦鋺B(tài)流動(dòng)存在一定的差異，進(jìn)而使得模具會(huì)承受較大的載荷加速模具的損耗，并且在齒端還可能會(huì)出現(xiàn)充型不滿的情況。而熱鍛屬于高溫鍛造，整個(gè)鍛造過(guò)程中需要消耗大量的能源，而隨著冷卻鍛件表面的氧化程度不斷加深，最終齒輪成形的精度會(huì)明顯的下降。本文針對(duì)傳統(tǒng)的切屑加工以及其他鍛造成形工藝中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出齒輪加工的新工藝，即溫鍛成形。這種齒輪成形工藝的鍛件溫度處于熱鍛與冷鍛的溫度之間，齒輪最終的成形效果較好，并且能夠保證具有較高的精度。

國(guó)外的研究人員采用有限元分析的方法，分析了不同參數(shù)對(duì)鋼材成形殘余應(yīng)力的影響，而國(guó)內(nèi)的研究人員則利用ANSYS以及Deform對(duì)平面磨削的參與應(yīng)力已經(jīng)仿真分析。不過(guò)目前在齒輪殘余應(yīng)力上的研究，主要關(guān)注點(diǎn)還是集中在齒輪新材料的使用以及對(duì)傳統(tǒng)機(jī)加后的齒輪殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，而對(duì)于采用溫鍛成形工藝得到的齒輪所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及成形力的研究明顯不足。本文通過(guò)使用Deform軟件，模擬倒擋中間齒輪的溫鍛成形過(guò)程，并進(jìn)行相應(yīng)的分析，得到了齒輪在成形過(guò)程中實(shí)際的殘余應(yīng)力分布情況，并且明確鍛造缺陷，在此基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而確保齒輪鍛造完成后的殘余應(yīng)力以及成形力盡可能的低。

1? 齒輪溫鍛成形工藝

1.1 齒輪結(jié)構(gòu)與尺寸

以某種型號(hào)齒輪為例，其齒輪齒數(shù)為18，法相模數(shù)為3，變?yōu)橄禂?shù)為0.225，精度要求要達(dá)到9級(jí)，具體的機(jī)構(gòu)尺寸如圖1所示。本文中所研究的倒擋中間齒輪成形工藝采用的是溫鍛法，對(duì)于齒輪部采用精鍛成形的工藝，成形完成后不需要進(jìn)行后續(xù)的機(jī)加，對(duì)于軸部以及內(nèi)徑來(lái)說(shuō)，需要預(yù)留相應(yīng)的加工量，便于之后的機(jī)械成形。

1.2 齒輪的材料和模具

本文研究的齒輪使用的材料為20CrMnTi合金鋼，這種材料具體的元素組成見(jiàn)表1。20CrMnTi屬于滲碳合金鋼，性能優(yōu)良，具有較好的淬透性，經(jīng)過(guò)滲碳淬火之后其表面硬度高并且耐磨性強(qiáng)，而心部則韌性較好，因此整體具備較好的低溫沖擊韌性，經(jīng)正火處理后能夠具備較高的切削性。

圖2中所示的齒輪溫鍛成形工藝具體有，下料→表面處理→中頻感應(yīng)加熱→鐓頭→溫鍛→沖連皮→機(jī)加。根據(jù)帶軸齒輪的材料特點(diǎn)以及其結(jié)構(gòu)尺寸，能夠明確在溫鍛條件下模具的具體結(jié)構(gòu)，初定圖2中的模具作為初始模具，由凹模與凸模組成，其中凹模與凸模都是平底模。

2? 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

通過(guò)查閱相關(guān)資料，明確了影響20CrMnTi倒擋中間齒輪鍛造成形的三個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)，分別為坯料的溫度、下壓速度以及摩擦系數(shù)。針對(duì)這三個(gè)工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到最佳的參數(shù)組合，同時(shí)完成相應(yīng)的驗(yàn)證。

2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參照具體情況，確定摩擦系數(shù)的取值區(qū)間為0～0.2，下壓速度的取值區(qū)間為5～20mm/s，坯料溫度的取值區(qū)間為700～850°C。通過(guò)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，能夠得到17種變量組合，通過(guò)對(duì)這17種參數(shù)組合使用Deform-3D進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其最大殘余應(yīng)力與成形力。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)最小二乘法確定殘余應(yīng)力以及成形力的曲面響應(yīng)方程， 兩個(gè)模型的P<0.0001，即方程模型是顯著的。將置信水平定為95%，當(dāng)P≤0.0001時(shí)，表示相關(guān)因素對(duì)結(jié)果有非常顯著的影響，當(dāng)P≤0.005時(shí)，表示相關(guān)因素對(duì)結(jié)果有顯著的影響，而當(dāng)P>0.005時(shí)，則表示相關(guān)因素對(duì)結(jié)果沒(méi)有太大影響。B下壓速度P=0.0004≤0.005，表明其能夠顯著影響殘余應(yīng)力;C坯料溫度P≤0.0001，表明其能夠非常顯著的影響擠壓力。A摩擦系數(shù)P=0.0008≤0.005，表明其能夠顯著影響成形力;C坯料溫度P≤0.0001，表明其能夠顯著影響擠壓力。

通過(guò)分析溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，能夠知道齒輪的殘余應(yīng)力會(huì)隨著坯料溫度的升高而減小，這是因?yàn)楫?dāng)溫度越高，材料的屈服應(yīng)力就會(huì)越低，材料能夠更加容易流動(dòng)，從而使鍛件的變形比較均勻，進(jìn)而減小了殘余應(yīng)力。而當(dāng)變形速度不斷增大時(shí)，殘余應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)先減小再增大的情況，當(dāng)速率低于2mm/s時(shí)，隨著變形速率的增加，變形的時(shí)間逐漸縮短，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒由于缺少繼續(xù)變大的時(shí)間，因此最終的經(jīng)歷呈細(xì)化狀態(tài)，并且變形均勻，相應(yīng)的殘余應(yīng)力就較小;而當(dāng)變形速率過(guò)大，使得坯料出現(xiàn)較大的溫度梯度變化，殘余應(yīng)力就會(huì)增加，但對(duì)整體不會(huì)有太大影響。而隨著摩擦系數(shù)的增加，殘余應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，但整體不會(huì)有太大的變化。

為了能夠得到最小的殘余應(yīng)力，應(yīng)盡可能的保證成形力是最小的，得到三個(gè)參數(shù)的最佳組合，即：摩擦系數(shù)為0.015，下壓速度為5mm/s，成形溫度為850°C。

3? 最佳工藝模擬

根據(jù)得到的響應(yīng)面優(yōu)化的最佳組合，模擬齒輪的鍛造過(guò)程，得到如圖3所示的結(jié)果。根據(jù)圖3中內(nèi)容能夠知道20CrMnTi帶軸齒輪的殘余應(yīng)力應(yīng)該是介于0～809MPa。最大殘余應(yīng)力為309MPa，比原有方案的499MPa減少了190MPa左右，表明能夠有效的降低齒輪在鍛造過(guò)程中出現(xiàn)裂紋的可能。成形力的變化如圖4所示，可以知道通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化之后，在相同步數(shù)下優(yōu)化后的成形力均低于未優(yōu)化的成形力，最大的成形力為702KN，相較于最初的1060KN，減少了360KN左右。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)影響20CrMnTi倒擋中間齒輪精鍛成形工藝的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了最佳的參數(shù)組合，摩擦系數(shù)、下壓速度以及成形溫度組合，從而能夠使殘余應(yīng)力與成形力最小，相關(guān)的研究方法與研究思路對(duì)齒輪鍛造工藝的研究有一定的幫助。

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