20CrMnTi倒擋中間齒輪精鍛成形工藝優化研究

林應學

摘要：在汽車的傳動零件中，倒擋齒輪是非常重要的組成部分之一，在整個齒輪鍛造中產業中屬于較為關鍵的部分。不過由于齒輪采用的材料為20CrMnTi，因此在鍛造時會產生一定的殘余應力，進而對齒輪的齒面精度以及相應的性能產生一定的影響。此外，20CrMnTi合金鋼在鍛造時產生的成形應力也較大，從而對鍛造齒輪的模具使用壽命產生影響。針對這種情況，本文利用Deform-3D軟件，模擬了齒輪的鍛造過程，從而得到了齒輪殘余應力以及成形力的大小。通過分析不同工藝參數對殘余應力以及成形力大小的影響，在此基礎上選擇最佳的工藝參數，從而能夠減小20CrMnTi齒輪在鍛造時的殘余應力以及成形力。

關鍵詞：倒擋中間齒輪;20CrMnTi;精鍛成型;工藝優化

0? 引言

齒輪是機械傳動中最重要的傳動零件，廣泛的應用于汽車以及航空航天等行業，其對加工精度的要求非常嚴格，因此提高不同材料的齒輪鍛造精度一直是機械制造企業所關注的重點。傳統的方法在加工齒輪時采用的是切屑加工，整個過程的生產效率較低，并且不能夠對材料進行充分的利用，經濟性較差。不過通過采用鍛造成形的方式則能夠解決傳統加工工藝中的不足，但是冷精鍛成形因為金屬的冷態流動存在一定的差異，進而使得模具會承受較大的載荷加速模具的損耗，并且在齒端還可能會出現充型不滿的情況。而熱鍛屬于高溫鍛造，整個鍛造過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明顯的下降。本文針對傳統的切屑加工以及其他鍛造成形工藝中存在的問題進行分析，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。

國外的研究人員采用有限元分析的方法，分析了不同參數對鋼材成形殘余應力的影響，而國內的研究人員則利用ANSYS以及Deform對平面磨削的參與應力已經仿真分析。不過目前在齒輪殘余應力上的研究，主要關注點還是集中在齒輪新材料的使用以及對傳統機加后的齒輪殘余應力進行分析，而對于采用溫鍛成形工藝得到的齒輪所產生的殘余應力以及成形力的研究明顯不足。本文通過使用Deform軟件，模擬倒擋中間齒輪的溫鍛成形過程，并進行相應的分析，得到了齒輪在成形過程中實際的殘余應力分布情況，并且明確鍛造缺陷，在此基礎上對相關參數進行優化，進而確保齒輪鍛造完成后的殘余應力以及成形力盡可能的低。

1? 齒輪溫鍛成形工藝

1.1 齒輪結構與尺寸

以某種型號齒輪為例，其齒輪齒數為18，法相模數為3，變為系數為0.225，精度要求要達到9級，具體的機構尺寸如圖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，對于齒輪部采用精鍛成形的工藝，成形完成后不需要進行后續的機加，對于軸部以及內徑來說，需要預留相應的加工量，便于之后的機械成形。

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表1。20CrMnTi屬于滲碳合金鋼，性能優良，具有較好的淬透性，經過滲碳淬火之后其表面硬度高并且耐磨性強，而心部則韌性較好，因此整體具備較好的低溫沖擊韌性，經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→中頻感應加熱→鐓頭→溫鍛→沖連皮→機加。根據帶軸齒輪的材料特點以及其結構尺寸，能夠明確在溫鍛條件下模具的具體結構，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? 響應面實驗

通過查閱相關資料，明確了影響20CrMnTi倒擋中間齒輪鍛造成形的三個關鍵工藝參數，分別為坯料的溫度、下壓速度以及摩擦系數。針對這三個工藝參數，設計響應面分析實驗，通過對響應面進行優化設計，從而得到最佳的參數組合，同時完成相應的驗證。

2.1 響應面實驗結果

參照具體情況，確定摩擦系數的取值區間為0～0.2，下壓速度的取值區間為5～20mm/s，坯料溫度的取值區間為700～850°C。通過進行相應的設計，能夠得到17種變量組合，通過對這17種參數組合使用Deform-3D進行數值模擬，得到其最大殘余應力與成形力。

2.2 結果分析

根據最小二乘法確定殘余應力以及成形力的曲面響應方程， 兩個模型的P<0.0001，即方程模型是顯著的。將置信水平定為95%，當P≤0.0001時，表示相關因素對結果有非常顯著的影響，當P≤0.005時，表示相關因素對結果有顯著的影響，而當P>0.005時，則表示相關因素對結果沒有太大影響。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。

通過分析溫度對殘余應力的影響，能夠知道齒輪的殘余應力會隨著坯料溫度的升高而減小，這是因為當溫度越高，材料的屈服應力就會越低，材料能夠更加容易流動，從而使鍛件的變形比較均勻，進而減小了殘余應力。而當變形速度不斷增大時，殘余應力會出現先減小再增大的情況，當速率低于2mm/s時，隨著變形速率的增加，變形的時間逐漸縮短，而動態再結晶的晶粒由于缺少繼續變大的時間，因此最終的經歷呈細化狀態，并且變形均勻，相應的殘余應力就較小;而當變形速率過大，使得坯料出現較大的溫度梯度變化，殘余應力就會增加，但對整體不會有太大影響。而隨著摩擦系數的增加，殘余應力會出現一定的波動，但整體不會有太大的變化。

為了能夠得到最小的殘余應力，應盡可能的保證成形力是最小的，得到三個參數的最佳組合，即：摩擦系數為0.015，下壓速度為5mm/s，成形溫度為850°C。

3? 最佳工藝模擬

根據得到的響應面優化的最佳組合，模擬齒輪的鍛造過程，得到如圖3所示的結果。根據圖3中內容能夠知道20CrMnTi帶軸齒輪的殘余應力應該是介于0～809MPa。最大殘余應力為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程中出現裂紋的可能。成形力的變化如圖4所示，可以知道通過對相關參數進行優化之后，在相同步數下優化后的成形力均低于未優化的成形力，最大的成形力為702KN，相較于最初的1060KN，減少了360KN左右。

4? 結語

本文通過對影響20CrMnTi倒擋中間齒輪精鍛成形工藝的參數進行優化，得到了最佳的參數組合，摩擦系數、下壓速度以及成形溫度組合，從而能夠使殘余應力與成形力最小，相關的研究方法與研究思路對齒輪鍛造工藝的研究有一定的幫助。

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