螺旋伞齿轮精锻

河南科技大学 硕士学位论文 螺旋伞齿轮精锻工艺及数值模拟研究 姓名：皇涛 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：陈拂晓 20100101

摘要
论文题目：螺旋伞齿轮精锻工艺及数值模拟研究 专 业：材料加工工程 研 究 生：皇涛 指导教师：陈拂晓 教授
摘
要
螺旋伞齿轮的承载能力和传动平稳性能大大优于直齿伞齿轮，能很好地满足 高速重载传动要求，其显著的性能也促使研究人员对其设计与加工技术进行深入 研究。随着直齿伞齿轮的精锻技术的成熟及推广应用，螺旋伞齿轮的精密成形加 工日益受到人们的重视。传统的齿轮加工方式，既破坏了金属纤维流线组织，降 低了齿轮的齿根弯曲疲劳强度、齿面耐磨性等，同时生产效率低，材料利用率 低，生产成本高。以精密锻造取代现行的铣削加工是实现螺旋伞齿轮近净成形的 重要方法之一。 本文研究了从动螺旋伞齿轮的精锻工艺并对其精锻过程进行了数值模拟分 析。首先对齿轮钢 20CrMnTi 进行等温压缩试验，分析了该钢的热压缩变形规 律，探讨了变形速率、变形温度对其压缩流变应力及组织的影响，建立了该钢的 变形抗力模型。其次利用 UG 三维软件对从动螺旋伞齿轮模具结构和坯料进行建 模，借助 DEFORM 模拟软件对精锻成形工艺过程进行了三维刚塑性有限元模 拟，分析了其成形过程和齿形变形规律、应力分布、应变分布及力能参数等。从 不同摩擦系数、不同成形温度、不同坯料尺寸等影响因素分析齿形充填情况。同 时对从动螺旋伞齿轮精锻成形进行了物理模拟试验，分析了齿形充填金属流动规 律，并验证了从动螺旋伞齿轮精锻成形的可行性和数值模拟的正确性。最后根据 数值模拟和物理试验结果对从动螺旋伞齿轮精锻成形参数进行了优化，并在工程 实际中进行生产试验，检验了优化结果的正确性。
关 键 词：螺旋伞齿轮，精锻成形，数值模拟，齿轮钢 论文类型：应用基础研究
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Abstract
Research Status and Numerical Simulation of Precision Forging Process for Spiral Bevel Gear Specialty: Materials Processing Engineering Name: Huang Tao Professor Supervisor: Chen Fu-xiao
Subject:
ABSTRACT
The load-carrying capacity and smooth transmission performance of spiral bevel gear are much better than that of straight bevel gear, it can meet the requirements of high-speed heavy transmission very well. Its significant performance also prompts researchers to study its design and processing technology in depth. With the maturity of precision forging technology for straight-tooth bevel gear and its wide promotion and application in the world, people pay more and more attention to the precision molding of spiral bevel gear. The traditional gear processing method damages the metal fiber flow line organization, reduces the bending and fatigue strength of the root of gear tooth, and tooth surface abrasion etc. It also results in low productivity, low material utilization, and high production costs as well. Therefore, precision forging replacing the existing milling process is one of the most important means to achieve precision shaping of spiral bevel gear. This paper studies the forging process of driven spiral bevel gear, and makes numerical simulation analysis of its precision forging process. Firstly, an isothermal compression test for gear steel 20CrMnTi is taken, the thermal compression deformation law is analyzed, the impact of deformation rate, deformation temperature on its compression flow stress and organization is discussed and the deformation resistance model is established. Then, the modeling of die structure and forging of driven spiral bevel gear is taken place by the use of three-dimensional software UG, three-dimensional rigid-plastic finite element simulation of precision forging process is carried out by the use of simulation software DEFORM, and the forming process of driven spiral bevel gear, the law of tooth deformation, stress distribution, strain distribution, the force and energy parameters are analyzed. At the same time, the situation of tooth filling is analyzed on the condition of influencing factors such as different friction coefficient, different forming temperatures, different forging sizes
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Abstract
and so on. This paper also carries out physical simulation experiments for driven precision forging of spiral bevel gear, analyzes the law of tooth filling metal flow and verifies the feasibility of the precision forging of spiral bevel driven gear and the correctness of numerical simulation. Finally, according to the results of numerical simulation and physical experiments the precision forging parameters of driven spiral bevel gear are optimized and put into practice, the correctness of the optimization results is also tested.
KEY WORDS: Spiral bevel gear, precision forging, numerical simulation，pinion
steel
Dissertation Type: Application basic research
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第 1 章 绪论
第1章 绪论
1.1 引言
齿轮作为机械装置中调节速度与传递功率的主要零件，广泛应用于航空航 天，机械电子，船舶汽车等机械领域，齿轮生产在现代化机械行业一直以来都占 据着十分重要的地位，随着我国经济的快速发展，齿轮的使用量也在迅速的增 长。 齿轮的加工有很多种方式，传统的加工方式主要采用切削加工，例如汽车驱 动桥的主动和从动螺旋伞齿轮，都是采用由锻坯经过格林森切齿机切削加工齿形 生产的。经过长期的应用发展，这种加工方式工艺逐渐趋于成熟，生产稳定，但 也存在一定的缺点和不足，比如材料利用率低、生产效率低，同时，坯料经过切 削加工后，破坏了金属内部纤维流线组织，降低了齿轮的齿根抗弯曲疲劳强度、 齿面耐磨性和接触疲劳强度等，齿轮的使用寿命较低。随着市场对齿轮产品性能 以及成本要求的不断提高，切削加工的方法已经很难适应当前企业生产要求和社 会的需求，这就要求人们不断探索、开发齿轮加工的新工艺、新技术[1-5]。
1.2 螺旋伞齿轮概述
直齿伞齿轮易于加工，并且传动中不产生轴向力，因此广泛应用在相交轴线 齿轮的传动中。但是在高速传动过程中，每对齿都是同时进行迅速的啮合，易产 生冲击，造成传动不平稳，承载能力差，噪音高等缺点。而螺旋伞齿轮由于是从 轮齿的一端向另一端连续平稳的啮合，就避免了上述问题的产生，可以很好的弥 补直齿伞齿轮的缺陷。 与直齿伞齿轮相比，螺旋伞齿轮的齿面节线是弯曲的，可以近似看作是将直 齿伞齿轮切成无数个薄片后扭转得到与母线倾斜而形成的。螺旋伞齿轮齿轮副在 传动过程中的轮齿是从一端向另一端逐渐接触的，在传动中至少有两个或两个以 上的齿同时进行啮合，啮合的齿数比直齿伞齿轮多，增大了接触比，也即增大了 重迭系数，因此具有受冲击小，传动平稳，噪音小，承载能力强等特点。被广泛 应用于航空航天，汽车和各种精密机床等行业中。因此，螺旋伞齿轮的设计和制 造在机械行业中已占据很重要的地位。 由于螺旋角的存在，重迭系数增大，负荷比压降低，磨损比较均匀，同时也 增大了齿轮的负载能力，也即延长了齿轮使用寿命。能够实现大的传动比，小轮
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齿数可以减少至五个齿。能够调整刀盘半径，利用齿线曲率修正接触区。可以进 行齿面研磨，来降低噪音、改善接触区并提高齿面光洁度[6]。 旋向： 螺旋伞齿轮按旋向分，有左旋和右旋两种，如图 1-1(a)、(b)所示，其判断依 据是轮齿以逆时针方向与母线倾斜者为左旋齿轮，轮齿以顺时针方向与母线倾斜 者为右旋齿轮。一对啮合的螺旋伞齿轮副须具有不同旋向的两个齿轮，否则，无 法实现啮合。
(a)左旋
(b)右旋
图 1-1
螺旋齿轮旋向图
Fig.1-1 direction of spiral gear
螺旋角： 节线是轮齿曲面与节锥面的交线，其上任一点的切线与节锥母线的夹角成为 该点的螺旋角。用符号 β 表示。螺旋伞齿轮齿轮副正确啮合时，由于螺旋角的关 系，重叠系数增大，因而负荷比压降低，磨损较均匀，相应的增大了齿轮的负载 能力，因此齿轮使用寿命得到延长[7]。 螺旋伞齿轮的特点： 节面齿线是曲线。这决定了轮齿在啮合时，每对齿只能是局部接触，并且在 每一瞬时至少有两对以上的齿同时啮合。因而与同样大小的直齿伞齿轮相比，不 但可以传递更大的载荷。而且工作时更平稳，噪音和震动明显减小。齿形较复 杂，塑性成形齿形时，金属充满型腔的运动路线弯曲长，流动阻力大，齿形难于 充满。 螺旋伞齿轮材料的选择： 齿轮材料的选取对合格优质的齿轮来说至关重要，其主要依据是齿轮工作时 所承受载荷的大小、齿轮的精度要求和转速的高低。载荷大小以齿轮齿面上单位 压应力作为衡量标准，按其大小不同，分为轻载荷、中载荷、重载荷和超重载荷
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第 1 章 绪论
四种。齿轮的制造精度对齿形准确度、公差、啮合等具有重要影响。汽车用的齿 轮精度(采用格里森制)一般为 6～8 级，机床用的齿轮精度一般为 6～8 级(中、 低速)和 8～12 级(高速)。齿轮在工作时转速越高，齿轮齿根和齿面受到的交变 应力次数越多，齿面的磨损也就越严重。因此，可把齿轮在工作时的的圆周速度 作为材料承受磨损和疲劳的尺度，一般分为：低速齿轮(1～9m/s)，中速齿轮(6～ 10m/s)和高速齿轮(10～15m/s)三种[8]。 低合金渗碳钢或碳氮共渗钢（20CrMnTi、20CrNi3、18Cr2Ni4WA、40Cr、 30CrMnTi 等钢）适用于重载、高速或中速，且受较大冲击载荷的齿轮。其热处 理采用渗碳、淬火、低温回火，齿轮的表面可以获得 58～63HRC 的硬度，并且 由于淬透性好，齿轮心部具有较高的强度和韧性。经这种热处理后的齿轮，其表 面抗疲劳强度、齿根的抗弯曲强度、心部的抗冲击能力以及耐磨性能都比表面淬 火的齿轮高，但是由于热处理变形大，对于精度要求较高的齿轮，一般还要进行 磨削加工。主要适用于工作条件比较恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥齿轮。 与渗碳相比，碳氮共渗具有力学性能高、热处理变形小、生产周期短等优点，还 可应用于中碳合金钢或中碳钢，因此大部分齿轮可选用碳氮共渗工艺[9]。 汽车后桥传动系统中的齿轮在工作时，特别是主动轮受冲击较频繁，受力较 大，因此对材料要求较高。实践证明，20CrMnTi 钢具有较高的力学性能，经过 渗 碳 、 淬 火 、 低 温 回 火 后 ， 其 表 面 硬 度 可 达 58 ～ 62HRC ， 心 部 硬 度 30 ～ 45HRC，热处理工艺性和正火状态切削加工工艺性能均较好。齿轮在渗碳、淬 火、回火后，还可采用喷丸处理，增大表面压应力，以提高齿轮的耐用性能。 传统螺旋伞齿轮加工时，其毛坯采用锻造成形，设计锻坯时应遵守如下原 则：锻坯转角处凹模的圆角半径，应大于锻件相对应处的圆角半径，以免产生折 迭；锻坯在高度方向的尺寸，应大于锻件的相应尺寸，使金属流动采取镦粗成 形。以便减少金属流动时的摩擦阻力，从而减少锻造变形力和模具磨损；沿各个 流动平面，锻坯的横截面积应等于锻件的横截面积和飞边横截面积之和[10]。
1.3 齿轮精锻工艺发展现状
1．国外齿轮精锻工艺研究 目前，国内外很多学者对于齿轮精锻技术进行了不同程度的研究，并取得了 显著效果。大多研究的重点主要集中在工艺设计与优化、模具结构改进及齿形设 计等方面。 国外对螺旋伞齿轮的研究较早，发展很快，技术上也很先进，如德国、美 国、日本等几个工业发达国家一直处于领先地位。国外生产的螺旋伞齿轮无论在
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制造精度、抗疲劳强度、耐磨度方面，都处于世界领先地位。20 世纪 90 年代初 期，六轴五联动数控铣齿机的出现取代了所有的传动链和调整环节，工作时无需 人工干预，可程序化实现各种齿制螺旋伞齿轮的加工，大大提高了生产效率及产 品的质量。每个国家对于不同的加工工艺也有自己独特的研究和见解，所以也就 呈现出各具特色的发展模式。 随着计算机科学的发展，使模拟仿真成为可能，俄罗斯、美国采用空间啮合 几何学、机械加工运动学进行数学建模，并实现利用有限元分析螺旋伞齿轮的三 维实体造型，采用间隙单元法进行非线性的接触分析。 日本于二十世纪九十年代，在螺旋伞齿轮模锻成形试验研究方面取得了一定 的进展，经过多次试验，锻造出了小锥角螺旋伞齿轮的钢质样件[11,12]。 Ravikiran Duggirala[13]在从动螺旋伞齿轮的锻造过程中利用数值模拟的方法 寻求金属成形的流动规律，对模具进行了优化，并在锻压成形过程中应用应力分 析软件对模具的受力和应力分布情况进行了分析；J.C.Choi[14,15]等人利用上限法 对螺旋齿轮的成形过程进行了分析并和试验结果进行了对比研究。 德国的 BLW 公司是世界上最早的采用摩擦压力机进行精锻齿轮生产的厂 家。其加工工艺适用于为模数 2～12，直径为 25.4～300mm 的伞齿轮，精度为 6 级，广泛用于汽车、拖拉机等工程机械的直齿伞齿轮生产。美国、日本、英国都 曾引进过它的专利[16]。 二十世纪末，伯明翰大学机械工程学院与齿轮制造商、齿轮用户及钢铁公司 等七方联合共同开发完成了圆柱直齿轮和斜齿轮的精密锻造。该项目研究和试验 了圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮、同步器齿轮。并在 850～900℃温度下锻造钢齿 轮，齿形轮廓误差为 0.1mm，表面粗糙度为 Ra=3～5μm，尺寸误差可控制在 0.1～0.2mm[17]。 2．国内齿轮精锻工艺研究 我国的齿轮制造业起步于 20 世纪 50 年代，经过十余年的发展，到 20 世纪 60 年代已初步奠定了发展基础，逐渐形成了门类齐全的齿轮制造业体系。随后 几十年随着大批成套设备的引进和国家政策的影响，我国已培养了一批齿轮行业 专业化技术队伍，在设计优化、制造工艺方面都有相当的技术力量，齿轮技术得 到进一步提高，也逐渐缩小了与国外先进水平的差距[18]。 郑建设[19,20]成功地应用螺旋伞齿轮精密模锻近净成形技术，完成了菲亚特前 桥螺旋伞齿轮精密模锻成形，采用该项技术齿轮承载能力和齿轮强度可以提高 1.5～1.8 倍，材料利用率可达 80%以上，生产效率能够提高 3～5 倍，可节约电 力能源达 200%以上，提高了齿轮的使用寿命，经济及社会效益得到显著提高。
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第 1 章 绪论
张猛 [21] 等对汽车差速器主动螺旋伞齿轮塑性成形过程进行了试验研究，设 计并加工出试验用模具，依托万能拉伸试验机进行塑性成形实验，采用网格实验 分析的方法，研究齿轮成形过程中截面上金属流动情况及齿型充满过程，揭示了 内部金属纤维走向及其分布，得到了塑性成形螺旋伞齿轮铅试件的行程压力曲 线，为成形模具结构设计和力能参数计算提供了可靠的实验依据。 山东大学的张清萍 [22] 等人在分流锻造基础上，对两步成形直齿圆柱齿轮冷 精锻工艺模具齿形设计方法进行研究，分别采用修正模数法、变位法对终锻模具 和预锻模具的齿形进行设计，并采用正交试验、数值模拟的方法对其进行优化设 计，据模拟结果表明新工艺改善了金属的充填性能。 田福祥[23]等提出了“一火两锻”新工艺和螺旋伞齿轮闭式精锻新型模具结构， 该结构保证了坯料的准确定位，利用浮动的凹模和模芯结构，实现了齿轮无飞边 粗锻，提出了当量线膨胀率的概念和渐开线齿形线膨胀定理，分析影响主要因 素，并给出设计公式，通过新工艺的试验表明：采用该结构，材料消耗和生产成 本得到降低，模具寿命和生产效率得到提高。 王华君 [24] 等对从动螺旋伞齿轮的精锻过程进行三维刚塑性有限元模拟和铅 试样物理模拟，显示了齿形的成形过程和内部金属的变化趋势，获得了螺旋伞齿 轮精锻过程的金属流动规律、变形力参数特征、应变分布状态和齿形充填模式。 寇淑清 [25] 等对轿车伞齿轮以闭式模锻为预锻，分别以闭式模锻、孔分流、 约束孔分流为终锻的两步成形工艺方法进行有限元数值模拟分析研究，得到了成 形过程中金属流动规律及力学场量分布，在终锻阶段采取分流措施对约束孔分 流，降低了成形载荷，提高了角隅充填能力，研究结果表明数值分析准确，工艺 设计合理。 江雄心 [26] 等对空心直齿圆柱齿轮的精锻过程进行了有限元数值模拟分析， 获得了变形过程中的金属流动规律和变形力学特征。 螺旋齿轮精锻是近几年国内外研究的热点，主要存在以下几个问题： 1．齿形充填不饱满。在精锻过程中，齿轮的角隅处往往难以充满，导致产 品不合格。因此，如何使齿腔充满是保证齿轮质量的首要因素，它甚至是比如何 降低成形力还要优先考虑，在实际生产中要求更为迫切。 2．齿形精度低。一般情况下，对于精度要求不太高的齿轮，精锻后其轮齿 无需进行机加工或者只需少许的加工便可以直接投入生产使用，这就要求锻造后 的齿轮具有比较精确的尺寸。精锻时齿轮的精度是由齿模型腔决定的，由于存在 弹性因素、热收缩变形因素、高温二次氧化等的影响，所以齿模型腔齿形和锻件 齿形并不能完全保持一致。加工齿模型腔时，为保证其精度，采用电极加工，而
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在电极加工时，会存在放电间隙和电极烧损现象，电极齿形与齿模型腔齿形也不 能保持一致。因此，齿模齿形的设计和加工在精锻齿轮中占据着举足轻重的地 位，是齿轮精锻技术中的一个难点。 3．成形力高，模具寿命低。螺旋伞齿轮精锻时，为了保证齿形充满，往往 加大锻打力度，致使变形力过高，导致模具寿命降低。
1.4 数值模拟技术在齿轮精锻中的应用
金属的体积成形问题是个比较复杂的塑性大变形过程问题，存在大变形引起 的几何非线性(应变与位移之间的非线性)、材料在塑性变形状态下的本构关系非 线性(应力和应变之间的非线性)，边界条件的非线性。过去，想要精确求解体积 成形问题是有一定难度的，通常采用诸如滑移线法、能量法、N-S 法等一般的 数值分析方法，同时需要做大量的简化和假设，这样往往会造成分析的结果和实 际的情况相差很远，在解决复杂问题时，也不能够满足理论分析和工程实际的需 求。随着有限元理论和计算机技术的快速发展，数值模拟技术在金属塑性成形分 析中的应用也越来越多的受到广泛关注和重视。 进入二十一世纪，随着计算机技术的快速发展，有限元数值模拟技术己经逐 渐成为分析复杂成形过程的有力工具。通过对齿轮精锻成形工艺进行有限元数值 模拟，可以获得变形过程的应力-应变分布、成形载荷分布、材料流动分布、几 何尺寸变化以及成形件缺陷等等，利用这些数据可以对齿轮的精锻工艺和模具设 计进行分析评估，同时也为成形方案的最终确定和工艺参数的选择提供切实有效 的依据。因此，有限元数值模拟技术己经成为分析齿轮精锻成形过程、验证设计 方案和优化工艺模具参数的最有效方法之一。 有限元法具备较高的边界拟和精度、具有能提供丰富的单元类型、能够较全 面的考虑多种因素对成形过程的影响、能够在较少假设条件下提供相近变形力学 信息等显著优点 [27] ，对金属塑性成形问题分析，不受具体成形问题限制，适合 于各类金属塑性成形过程分析。 Doege[28]对直伞齿轮锻造过程进行了有限元法数值模拟研究，获得了锻件在 锻后冷却过程中齿形轴向收缩和径向收缩的相关数据。 Tb.Herlan[29]采用 ANSYS 软件，应用有限元分析方法优化轮齿几何形状，给 出了 FEM 分析的模具受力图和优化后的轮齿形状，对精锻齿轮进行了疲劳测 试，并与传统工艺生产的齿轮进行了比较。 Yoon[30] 利用刚塑性有限元分析了直伞齿轮锻造过程，获得了变形过程中的 载荷—行程曲线。
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第 1 章 绪论
Szentmihali[31]等利用有限元软件 FORGE3 对用厚壁空心坯料冷锻成形螺旋 伞齿轮进行了有限元分析，得到了冷锻终了阶段变形体内的等效应变分布。 Yang[32] 采用模块方法对直齿圆柱齿轮锻造过程进行有限元分析，获得了变 形过程中的力—行程曲线、坯料外形变化、变形体内的等效应变分布以及平均应 力分布。
1.5 课题研究意义
国内外齿轮研究、生产并投入生产使用已经多年，也取得丰硕成果，随着各 种行业的飞速发展，齿轮的需求量日益增多，然而目前国内外螺旋伞齿轮的生产 大多还是采用传统的加工方式，各种不足也日益显现。螺旋伞齿轮的精锻成形可 以实现一次成形即得到完整齿形，并且齿轮的齿面部位不需或者仅仅只需少量的 精加工便可直接投入生产使用，其特点如下： 1．齿轮的组织和性能得到改善 螺旋伞齿轮齿坯经过高温锻压，在塑性成形过程中，坯料三向受压，坯料金 属流线沿螺旋齿形呈连续状均匀分布，晶粒和内部组织均得到细化，微观缺陷减 少，齿轮强度和抗冲击强度均能提高约 20%以上，寿命可延长 1 倍。 2．减少能耗，降低成本，增强市场竞争力 传统的齿轮加工采用切削加工，既费工费时又浪费材料，而经精锻后的齿轮 不需或仅需少许加工便可直接使用，节约了大量的金属材料和机加工成本，能显 著提高生产厂家生产效率和经济效益，从而增强市场竞争力，据计算材料利用率 可提高 40%左右，生产效率可提高 1 倍，生产成本可降低 30%以上。 螺旋伞齿轮的精锻成形是一种节材、高效的齿轮加工新技术，对提高我国齿 轮制造业的技术水平具有重要的推动作用，对于我国装备制造业质量的提升以及 国民经济的发展具有积极的意义。
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第 2 章 20CrMnTi 齿轮钢压缩试验研究
第2章 20CrMnTi 齿轮钢压缩试验研究
2.1 试验方案
利用 Gleeble-1500 热模拟试验机进行压缩试验，找出加热温度、应变速率对 20CrMnTi 钢流变应力的影响规律，分析其等温压缩的组织变化，进而初步分析 其变形机理。 1．试验设备的选择 压缩试验设备采用 Gleeble-1500 热模拟试验机。其主要参数如表 2-1 所示：
表 2-1 Gleeble-1500 主要参数
Tab.2-1 main parameters of the Gleeble-1500 温度范围 位移速度 加热速度 最大冷却速度 最大位移 0～1200℃/8～1700℃ 0.001～1200mm/s 0～10000℃/S 140℃/S(1000℃条件下) ±100mm
2．试样材料 压缩试验材料选用齿轮钢 20CrMnTi。20CrMnTi 是合金渗碳钢，含碳量小于 0.25%。常用于表层要求高硬度、高耐磨性，而强度要求不高的小型零件（直径 小于 30cm）中。它是在低碳钢的基础上加入铬、锰、钛、钒等元素后，使合金 渗碳钢的晶粒得到细化并提高淬透性的。其主要元素的含量如表 2-2 所示。
表 2-2 20CrMnTi 含量表
Tab.2-2 Content in steel 20CrMnTi 元素 数值 C 0.17-0.23 Mn 0.80-1.10 Si 0.17-0.37 Cr 1.00-1.39 Ti 0.04-0.1 s ≤0.035 p ≤0.035
3．试样的制备 利用线切割加工成 φ 10mm×15mm 的圆柱棒材，然后在磨床上把其两端磨
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平。为减小摩擦力影响，在压缩试验时在试样两端面涂敷润滑剂(石墨和机油)。 4．压缩试验方案 变形速速率分别为 10-2S-1，10-1S-1，100S-1 和 5S-1。变形温度分别为 900℃， 950℃，1000℃，1050℃，1100℃。应变量取为 0.693。
图 2-1
压缩试验工艺流程
Fig.2-1 The processing of compression test
压缩试验中主要研究变形温度、变形速度及变形量对变形过程中流变应力及 组织的影响。试验时将试样以 10℃/s 的加热速度加热至 1200℃(图中 1 阶段)， 保温 5 分钟使其充分奥氏体化(图中 2 阶段)，然后以 5℃/s 的速度降温至形变温 度(图中 3 阶段)，保温 15 秒钟以消除试样内部的温度梯度(图中 4 阶段)，最后在 变形温度下等温成形(图中 5 阶段)。所有试样在变形结束后迅速淬火。变形过程 中，采用氩气作保护。 对压缩试验淬火后的试样沿轴线切开，用 100～1000 不同型号的砂纸对试样 断面进行磨制，随后在抛光机上进行试样抛光。该试验试样表面抛光，采用 P-2 金相试样抛光机，圆盘直径为 200mm，转速为 1400r/min，工作电压为 380V， 抛光过程采用手动操作。待试样断面光洁如镜时，使用 4%硝酸酒精和饱和的苦 味酸水溶液+洗净剂侵蚀表面，在扫描电镜上观察试样的组织变化。
2.2 压缩试验结果分析
2.2.1 变形速率对流变应力影响分析 动态再结晶是指金属在热变形过程中发生的再结晶，即金属在再结晶温度以 上的压力加工过程中形核长大的过程，微观上分析，是随着变形量的增大位错密 度不断升高，变形储能也增加，当达到一定临界值后，变形晶粒将会以某些亚晶
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第 2 章 20CrMnTi 齿轮钢压缩试验研究
或杂质相为核心，生长成新的晶粒进而完全消除晶粒内部加工硬化的过程，它与 温度、变形量及变形速率有关。在一定的变形速率下，温度越高、变形量越大则 越有利于动态再结晶的发生。
(a)T=900℃应力应变曲线
(b)T=950℃应力应变曲线
(c)T=1000℃应力应变曲线
(d)T=1050℃应力应变曲线
(e)T=1100℃应力应变曲线
图 2-2
不同变形速率下 20CrMnTi 应力应变曲线
Fig.2-2 The stress-strain curves of 20CrMnTi at different deformation velocity
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图 2-2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为在 900℃，950℃，1000℃，1050℃， 1100℃条件下，不同变形速率对齿轮钢 20CrMnTi 的塑性变形应力-应变曲线 图。由图 2-2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)均可看出，在各相同的变形温度下，选取应 变值作为参考，当应变值一定时，变形速率越高，所对应的应力值也越大。随着 应变速率的增加，应力曲线峰值依次向应变值大的方向偏移，同时在各温度下当 应变速率为 10-2S-1，10-1S-1 时，应力-应变曲线很快就出现了峰值，也即应变速 率越小越有利于动态再结晶的发生。 随着变形速率不断增加，20CrMnTi 不易发生动态再结晶。这是因为：首先 动态再结晶需要大的再结晶驱动力。其次再结晶分为形核和长大两个过程，而形 核是热激活过程，在高应变速率条件下，变形组织没有充分的时间进行形核长 大，核心形成的几率低，因而再结晶不易进行。另外，加工硬化作用也会随着应 变速率的增大而不断增加。由于硬化速率超过了动态再结晶的软化速率，因此在 峰值应力出现之前，峰值应变及峰值应力都将增大。 同时，动态再结晶也是一个速率控制的过程，变形速率对新晶粒的形核和再 结晶晶粒的尺寸均有较大影响。在实际生产中，可以通过控制变形温度和变形速 率使齿轮钢 20CrMnTi 发生动态再结晶，从而有利于其内部晶粒细化，提高齿轮 锻后的综合性能。 2.2.2 温度对流变应力影响分析 图 2-3(a)、(b)、(c)、(d) 分别为在 10-2S-1、10-1S-1、100S-1、5S-1 条件下，不 同温度对齿轮钢 20CrMnTi 的塑性变形应力-应变曲线图。从图 2-3(a)、(b)中可以 看出，在各变形温度下均出现了应力峰值，并且在应变速率相同的条件下，温度 越高，应力峰值出现的越早。 从开始随着变形量的增加，流变应力值逐渐上升，直至上升到某一峰值，这 是因为在应力峰值之前，动态再结晶已经发生，但加工硬化占主导地位，表现为 曲线上升，随着压下变形量的增加，内部位错增值，其间的相互交互作用使位错 运动阻力增大。当压下量超过某一值后，变形储存能充当再结晶的驱动力，由于 再结晶能够改变或消除变形过程中所产生的变形织构，发生动态再结晶软化，当 软化速率和硬化速率达到平衡状态时，即出现应力峰值，图 2-3(a)、(b)、(c)、(d) 中变形温度为 1000℃，1050℃，1100℃时应力-应变曲线图所示。 当曲线上升到一定程度后开始呈现下降趋势，这是因为流变应力达到应力峰 值时，材料发生了动态再结晶，流动应力开始下降，当加工硬化和动态再结晶基 本达到平衡状态时，曲线保持水平线，流动应力基本保持不变。此种曲线为动态
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第 2 章 20CrMnTi 齿轮钢压缩试验研究
回复型曲线[33]。
(a) 10-2S-1
(b)
10-1S-1
(c)
100S-1
(d)
5S-
图 2-3
不同温度下应力-应变曲线
Fig.2-3 The strain-stress curve of 20CrMnTi at different temperatures
影响晶粒大小的因素应该综合温度与变形速率二者同时考虑。Z 常数因其综 合了温度和应变速率的影响，广泛应用于分析热变形的晶粒尺寸。其公式为：
Z = ε exp(
Q ) RT
(2-1)
由于增大 Z 参数可以获得晶粒细化效果。因此从理论上来看可以通过降低 温度和增加应变速率来达到细化晶粒的效果。20CrMnTi 齿轮钢发生动态再结晶 的形变条件为 T 大于 950℃，变形速率 ε 小于 10-1S-1。
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2.2.3 变形速率对材料内部组织的影响
(a)原始组织
(b)950℃，0.01 S-1
(c) 950℃，0. 1 S-1
(d)950℃， 1 S-1
(e) 950℃，5 S-1
图 2-4 不同变形速度下金相组织 Fig.2-4 Microstructrue of 20CrMnTi at different deformation velocity
图 2-4 中(a)为原始组织，2-4(b)、(c)、(d)、(e)所示为 950℃温度下，应变量 为 ε=0.693，应变速率分别为 10-2S-1、10-1S-1、100S-1、5S-1 时的金相组织图。从
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第 2 章 20CrMnTi 齿轮钢压缩试验研究
图 2-4(a)可以看出：原始组织为粗大的珠光体和铁素体，在温度相同的条件下， 随着应变速率的不断增加，动态再结晶的晶粒大小逐渐减小，同时细小晶粒的数 量也在逐渐的增多，如图 2-4(b) 、 (c) 、 (d) 、 (e) 。在速率为 5S-1 时的晶粒最细 小，不过由于变形时间短，动态再结晶不充分，还有一些区域保持原有的晶粒状 态；当速率为 0.1S-1、1S-1 时，晶粒尺寸有所增大，再结晶比较充分；当速率为
0.01S-1 时，晶粒尺寸继续增大，细小晶粒也在继续不断的增多，此时可以近似
为均匀组织结构。
(a)1000℃，0.01 S-1
(b) 1000℃，0. 1 S-1
(c)1000℃，1 S-1
(d) 1000℃，5 S-1
图 2-5 不同变形速度下金相组织 Fig.2-5 Microstructrue of 20CrMnTi at different deformation velocity
图 2-5(a)、(b)、(c)、(d)所示为在 1000℃温度下，应变量为 ε=0.693，应变速 率分别为 10-2S-1、10-1S-1、100S-1、5S-1 时的金相组织图。由图 2-5(a)、(b)、(c)、
(d) 可以看到对于相同温度，不同变形速率得到的组织形貌不同，随着变形速率
的逐渐增大，得到越来越细小的板条状马氏体组织。
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2.2.4 变形激活能的计算 在热变形过程中，高温屈服应力受变形温度、变形速率因素影响很大。并可 用如下关系式表示
[34-36]
：
Z = ε exp(
Q ) = f (σ ) RT
(2-2)
式中 Z 的物理意义是温度补偿的应变速率因子，Q 是变形激活能，可以反 映材料热变形的难易程度，是材料热塑性变形重要的力学性能参数，R 是气体常 数， f (σ ) 是应力函数，由分析得知，峰值流变应力 σ p 、稳态流变应力 σ s 和任意 应变时刻对应的流变应力都符合 2-2 式。而 f (σ ) 有两种表示方式： f1 (σ ) = Aσ n
f 2 (σ ) = B exp( βσ )
(2-3) (2-4)
式中 A、B、 β 均为常数，n 是应力指数。通常情况下 f1 (σ ) 式适用于应力较 小时热变形， f 2 (σ ) 式适用于应力较大时热变形，如两式应力条件选用不当，则 会造成较大误差，为避免误差，Sellars 和 McTegart[37]将(2-3)(2-4)式合并成式： f (σ ) = C[ Sinh(ασ )] n 式中的 C 均为与材料有关的常数，同时满足
(2-5)
α=
β
n
(2-6)
尽管得到的关系式(2-5) 式的适用范围比合并前更为广泛，但是具体应用此 式时必须先要确定 α 的值，对于此数值的选定，不同作者所选值的范围也不相 同，在实际计算中往往很难直接找到一个比较适当的 α 值。本文是通过对试验数 据的分析选定适当的热变形工艺状况来进行计算。(2-3) 和(2-4) 式中的 σ 通常情 况下可以认为是稳态应力 σ s ，但由于 σ s 的精度受仪器测量精度的影响较大，故 一般用峰值应变 σ p 代替稳态应力 σ s ， ln ε 和 σ p 呈线性关系： 即： ln ε = βσ p ， ε = exp( βσ p ) 。从而得到 Z = exp( βσ p ) ? exp(
Q ) 。对于一 RT
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第 2 章 20CrMnTi 齿轮钢压缩试验研究
定温度， exp(
Q ) 为常数，得到如下关系式： RT
Z = B exp( βσ p )
联立(2-2)和(2-7)可得方程：
(2-7)
B exp( βσ p ) = ε exp(
Q ) RT
(2-8)
温度不变情况下，对上式两边取自然对数，再对 σ p 求偏微分，系数 β 为：
β = [? (
1 ? (ln ε ) ]T = [?σ p / ? (ln ε )]T ?σ p
(2-9)
以 ln ε 和 σ p 为坐标，通过线性回归得到 20CrMnTi 钢的 β 值为 0.10256。假 1 定应变速率恒定，对(2-8)式两边取对数，并对 ( ) 求导，得到变形激活能： T
Q = Rβ [
?σ p ? (1 / T )
]c = R[
?σ p ? ln ε ]T [ ]c ?σ p ? (1 / T )
(2-10)
以 σ p 和 1/T 为坐标，如图(2-6)所示，求得为 K=482780。而 Q = RβK ，气体 常数 R=8.314J/(mol·K) ，代入气体常数算得 20CrMnTi 齿轮钢的形变激活能为
411.66KJ/mol。
图 2-6 20CrMnTi 钢的曲线关系图 Fig.2-6 Curve relationship of 20CrMnTi steel
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