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            變速器二軸齒輪鍛件折疊缺陷的原因分析及解決方法

            作者:浙江三歡齒輪有限公司 瀏覽: 發表時間:2021-12-28 10:36:20

            變速器二軸齒輪鍛件折疊缺陷的原因分析及解決方法

            它是折疊鍛件生產中常見的缺陷,是由高溫下氧化金屬表層局部收斂并壓入鍛件而形成的。在機加工表面,外觀上一般很難區分褶皺和裂紋,但折尾一般比較圓鈍,折區兩側金屬通常有氧化和明顯脫碳。折疊破壞了鍛件表面的完整性,殘留在零件表面形成應力集中點,容易導致零件在使用中斷裂失效。

            折疊缺陷發現

            我公司某齒輪加工車間加工一批由20CrMnTi制成的二軸(以下簡稱“二軸齒輪”)的某變速器二齒輪零件。當硬質車床在滲碳淬火后安裝定位在端面時,發現部分零件在內孔附近有沿周向分布的缺陷。缺陷的位置和外觀如圖1、圖2和圖3所示。

            通過沿徑向切割斷口,在金相顯微鏡(100×)下觀察,發現缺陷區有夾雜物,端部呈圓形鈍頭,不符合淬火裂紋特征。被硝酸酒精溶液腐蝕后,無法判斷兩側金屬經過滲碳淬火工藝后是否脫碳(圖4),但已經可以判斷是典型的鍛造折疊缺陷。有折疊缺陷的零件約占6%。因為無法修復,只能報廢,廢品率很高。

            原因

            二軸齒輪鍛件鍛造工藝流程:帶鋸下料(φ85mm圓鋼)→中頻感應爐加熱→程控錘鐓粗成型,鑲模如圖5所示。

            一般來說,導致齒輪箱齒輪鍛件在鍛造過程中折疊的因素有三個。

            ①鋼材表面的折痕和折疊缺陷殘留在鍛造表面形成折疊;

            ②下料生產的毛坯端面有倒角、彎曲或毛刺、凹陷或凸起;

            ③鍛造成形過程中,各種因素導致金屬對流、回流等異常流動,造成折疊。

            鋼材表面質量

            鋼材軋制過程中軋輥之間產生的毛刺被壓入表面,在后續軋制中形成折痕和褶皺。如果鍛造前不及時清理,會殘留在鍛件表面,形成鍛造褶皺。但由于鋼材的表面缺陷隨機存在于鋸切的毛坯上,沒有固定的位置,不會像二軸齒輪那樣導致固定位置折疊并沿圓周方向分布。

            下料過程

            如果鋼材下料采用剪切下料,坯料的端面會在端面邊緣倒角、彎曲、凹陷、凸起或毛刺,后續鍛造時會在固定位置折疊。二軸齒輪鍛造使用的鋼材為φ85mm的20CrMnTi圓鋼,采用切割方式,不存在上述剪切切割缺陷,毛坯端面平整(圖6),鍛件上不會留下褶皺。

            鐓粗成形過程中的異常流動

            模腔設計不合理往往導致鍛造時金屬流動異常,從而形成折疊。一般不合理的設計包括:凸圓角過小、拔模角度過小、分型位置不合適等。第二軸齒輪的熱鍛如圖7所示。

            在熱鍛拉拔中,連接蒙皮和腹板內部的區域1較小,尤其是腹板外部的區域2較大。二軸齒輪在錘頭上鐓粗后直接終鍛,沒有預鍛和布料步驟,無法合理分配金屬體積。這將導致不同零件的流量和填充的差異,體積最小,接縫處的材料流動最強烈,其次是第一部分和第二部分。另外熱鍛3的R5略小,金屬不易流動。利用DEFORM 2D軟件對錘頭上模鐓粗毛坯的終鍛過程進行了模擬。速度矢量圖如圖8所示,未滿時距表層0.5毫米處的流線如圖9所示,滿后距表層0.5毫米處的流線如圖10所示。

            圖10流線顯示A和b都有折疊趨勢,圖8顯示A處也有明顯回流,實際生產中沒有折疊缺陷,這得益于這個地方的大圓角,有利于金屬流動??梢钥闯?,當圖9中的腔體未充滿時,折疊趨勢不明顯;填充后,C處的金屬很少流向腹板外部,而連接蒙皮到C處的金屬流速很高,在連接處受到很大阻力。金屬沿著最小阻力向上和向外傾斜流動,這驅動連接表皮和接合處的表面金屬進入內部。當沖擊力較大,變形率較大時,折疊會向外移動到C,即二軸齒輪的折疊位置。

            因此,可以確定第二軸齒輪的折疊是由于金屬在最終鍛造的接合處流出的流動不順暢,這驅動表面金屬參與鍛造并形成折疊。

            解決辦法

            折疊的原因是終鍛過程中金屬流動不順暢,所以要通過改善終鍛過程中的金屬流動來實現減少折疊趨勢。

            終鍛最后階段流出時接頭處金屬面臨較大阻力的原因如下:①接頭處流出的金屬流量高于圖10中C處;②接頭處的模具表面與B處C處的模具表面過渡不夠平滑,使得B處的周圍金屬容易被驅動。然后,有必要減小兩種金屬流速之間的差異,并使兩個模具表面平緩過渡。根據這些需要,修改模具型腔,降低接頭處的下模,放大B處的圓角(圖11)。這樣從接頭蒙皮流出的金屬在C處會更接近模具表面,在C處金屬流動會加速,不容易對接頭蒙皮處的金屬形成很大的阻力,同時在b處金屬流動會更順暢。

            使用DEFORM 2D模擬改變型腔后的最終鍛造過程,填充后距離表層0.5mm的流線如圖12所示。

            從改變后的流線模擬來看,折疊趨勢已經基本消除。事實上,當模具按照這種模具改造方案修復后再重新生產時,原來發生折疊的鍛造表面沒有出現折疊(圖13),證明了前面對折疊原因的分析是正確的,采用的解決方案是有效的。

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