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摘要：目前国内汽车用精密齿轮的生产多采用闭式锻造工艺。常见的设备有瑞士HATUBER生产的AMP50-XL高速镦锻机。高速热镦锻属于闭式锻造，少无飞边，自动化生产，一火完成加工，因此具有材料利用率高、锻件精度高、加工效率高等优点。高速热镦锻是多工位加工工艺，即同一台热镦锻机上完成棒料的热剪切、镦粗、预成形、终成形和冲孔等工序，其工艺设计和模具设计较复杂。特别是各工艺参数的设置不仅直接影响到锻件的质量还会降低模具寿命。本文基于DEFORM-3D软件对齿轮坯高速热镦锻工艺进行有限元模拟，分析坯料产生环形折叠缺陷的原因。通过改进原始工艺参数，模拟和实验均得到了无缺陷锻件。
关键词：齿轮坯；精密锻造；DEFORM-3D；有限元模拟；缺陷分析
引言：文章分析了高速镦锻机生产的齿轮坯的折叠缺陷。利用DEFORM-3D软件对原始热锻工艺进行了数值模拟，分析了镦粗、预锻的折叠角、温度和等效应变。结果表明：折叠缺陷是坯料高径比太大、锻压速度过低引起的。通过改进工艺参数，模拟和实验均获得了无缺陷齿轮坯。
1.精锻过程有限元模拟
1.1有限元模型
采用UGNX软件建立热镦锻工艺各工步锻件（见图1）模型，根据锻件建立相应的模具：镦粗模，预锻模和终锻模，并选取坯料和模具的1/4作为计算和分析模型。利用DEFORM-3D对齿轮坯高速镦锻过程进行模拟。坯料为：直径51mm，高度80mm，高径比为1.57，材质选用软件材料库的AISI1045钢。
图1.齿轮坯高速镦锻工艺：
1.2模拟控制
利用拉格朗日插值法对齿轮坯热镦锻工艺进行热力耦合计算。镦粗、预锻和终锻的步长分别设为：0.5、0.3、0.2mm。采用绝对网格划分坯料，网格最大尺寸1mm，尺寸比例因子为1。鉴于实际热锻成形中，冷模具和热坯料的剧烈传热，热传导系数设为11W/（m2•℃）。
2.模拟结果和缺陷分析
原始热镦锻工艺的数值模拟结果显示：在镦粗过程中，坯料上下端面有明显的折叠缺陷，而且折叠痕迹呈现为环状。环状折叠区域中金属的折叠角度分布在200°到347°的区间之内，如图2（a）所示。沿着半径方向，环状折叠的折叠角先从221°增大至最大值347°，然后又减小至200°。随着锻造进入预锻阶段，镦粗产生的折叠缺陷并没有消失的趋势，如图2（b）所示。进入终锻，软件对网格重新划分，环状折叠断开并且部分消失。
图2.2锻件的折叠角度（°）：
2.1高径比对折叠缺陷的影响
等效应变是判断金属变形程度的物理量。如图3（a）所示，镦粗中坯料等效应变在轴向差值较大，而径向差值较小，表明坯料高度方向的变形量远大于径向。这意味着坯料高径比过大。随着压下量增加，大的高径比导致坯料侧面大变形区的金属包围了端部难变形区的金属，因此形成环状折叠区域。
图3.锻件的等效应变：
2.2模具下压速度对折叠缺陷的影响
模具下压速度为200mm/s，原始精锻工艺的每个工位的时间为：镦粗0.9s，预锻1.29s，终锻0.51s。由于模具下压速度较低，镦粗和预锻中坯料和模具接触时间均长于0.6s，这导致坯料的端部热量损失加剧。镦粗过程中坯料的温度分布如图4（a）所示，可见坯料端部有明显的热量损失，温降约为350℃。过低的温度使得坯料端部金属快速硬化，变形能力急剧下降，造成圆柱端部的金属和侧面金属变形能力悬殊。虽然高速锻造存在明显的温度效应，但由于预锻的变形简单，预成形中坯料温度上升的空间有限，并不能缓解端部的热量损失。由图4（b）可见，环状折叠区的温度上升了50℃左右，但折叠角度（图2（b））并未减小。
图4.锻件温度（°）：
2.3实际生产锻件的折叠缺陷
实际生产的终锻件如图5所示，齿轮坯上表面分布着一个肉眼可见的封闭的环状折叠缺陷，呈椭圆形，长轴约为63mm，短轴约为51mm。该环状折叠线的A段跨越齿轮坯的5个凹槽和4个辐板，B段分布在中心孔的边沿上。金相显微观察显示A处的折叠深度和B处近似。同样在预锻件上表面中心也存在封闭的环状折叠线，呈椭圆形，长轴约为56mm，短轴约为41mm，并且，预锻件背面也存在封闭的环状折叠线。这与模拟结果一致。
图5.终锻件表面折叠缺陷：
3.工艺参数的改进及模拟
对原始精锻工艺的数值模拟表明：锻件的高径比太大和锻造速度过低是锻件产生折叠缺陷的主要原因。改进的思路为：首先，减小坯料的高径比。通过减小高径比提高金属变形协调性，防止坯料端部边缘出现环状接合区。其次，提高锻压速度。通过提高模具的压下速度，可以减少坯料端面热量损失，而且高速锻造的温度效应更加明显。另外，由于模具温度变化范围有限，提高模具温度并不能可观地减少坯料热量损失。为了改进工艺，设计以下模拟实验对坯料高径比和模具下压速度进行定量分析。首先，由于坯料的直径一般在50到58mm之间，体积一定，因此高径比的设定范围在1.08到1.58之间成等差数列分布，数值经过圆整如表1所示。其次，高速镦锻机可以无级调速，工作效率可以达到100件/min，但锻造吨位较低。
通过对比1～8#模拟实验结果表明，当模具压下速度从200mm/s提高至245mm/s时，随着模具高径比的减小，锻件的折叠角不断减小；当模具压下速度提高至300mm/s时，随着模具高径比的减小，热锻过程中齿轮坯的最大折叠角一直减小至231°，这表明减小高径比能够有效消除坯料端部的环形折叠缺陷，并且当高径比一定时，随着锻造速度的提高，折叠缺陷消除的效果越明显。
4.实际生产验证
根据改进后的工艺参数生产出的齿轮坯终锻件具有良好的表面质量，没有出现折痕等缺陷。改进后的精锻工艺参数为：①坯料高径比设为1.42，减少热锻折叠缺陷的产生；②锻造速度提高至300mm/s，使热镦锻中坯料在各个工位的停留时间小于1s，以减少坯料镦粗过程中的端部的温降；③为了保证锻造加工精度，应使坯料的直线度小于2.5mm；④锻造温度须维持在1220～1250℃，以提高金属塑性变形能力，降低预锻和终锻的载荷，模具温度维持在150～200℃，尽量减小模具热循环温度幅度，延长模具寿命[1]。
结论：
简而言之，本文基于DEFORM-3D模拟了齿轮坯热镦锻工艺过程，分析了原始工艺存在的不足之处。对原始高速热镦锻工艺的模拟表明：原始坯料高径比过大、锻造速度过低导致坯料在镦粗过程中端部金属发生严重折叠，折叠角达到347°，因此在镦粗和预锻中锻件表面有十分明显的环状折叠缺陷，这与实际生产的齿轮坯锻件表面存在椭圆形折叠缺陷吻合。对不同组合的热锻工艺参数进行有限元模拟，其结果显示：当高径比为1.42，锻造速度为300mm/s时，镦粗中坯料环状折痕被消除了并且端部的温度稳定在1120℃左右，达到后续成形要求。改进工艺参数后进行实际生产，所得无缺陷齿轮坯与模拟的结果一致[2]。
参考文献：
[1]蒋鹏．汽车用齿坯的精密锻造技术[J]．金属加工，2017（17）：15-18．
[2]王波，李名尧，陈传山，等．基于Deform3D内齿冷挤压数值模拟分析[J]．上海工程技术大学学报，2018，26（1）：70-73
论文作者:巨军荣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/25
标签：坯料论文; 锻工论文; 缺陷论文; 环状论文; 齿轮论文; 模具论文; 温度论文; 《基层建设》2019年第20期论文;