大规格花键轴单齿径向锻造变形行为

大规格花键轴单齿径向锻造变形行为
发布时间：2022-08-19T05:32:33.970Z 来源：《科学与技术》2022年30卷4月7期作者：刘诗亮闫加宝王世朋[导读] 大尺寸花键轴类零件承载能力大，广泛应用于重型机械、工业机器人和航空航天等领域。

刘诗亮闫加宝王世朋中车齐齐哈尔车辆有限公司铸锻分厂黑龙江齐齐哈尔 161000摘要：大尺寸花键轴类零件承载能力大，广泛应用于重型机械、工业机器人和航空航天等领域。

目前花键轴的生产工艺主要有传统的切削加工和塑性成形两种。

我国大部分齿轮制造企业主要采用切削加工，一般采用滚齿法作为切削方法。

滚刀加工方法会切断材料的纤维结构，降低零件的性能，加工效率低，材料浪费严重。

在齿轮塑性成形加工方法中，常用的多齿滚压法主要是加工模数小的齿形零件。

对于
大型花键轴类零件的加工，由于成形力过大，不适合。

但挤压成形方法挤压压力大，对设备要求高。

也不适合加工大模数齿形零件。

关键词：大规格花键轴；单齿径向锻造；变形行为引言在较大塑性变形的成形过程中,相比滚轧、挤压等塑性成形方法, 径向锻造技术可有效降低成形力和能耗,同时具有减少组织缺陷、提高锻造速度的优点,可获得内部组织良好、表面品质优良的锻件,当采用温成形制坯与冷成形精锻结合时,锻造工件的精度可达到精车等级,实现少无切削加工。

1单齿径向锻造工艺成形齿形合理性分析单齿径向锻造工艺成形的花键轴齿形、齿槽在整个齿形段上分布较为整齐,齿形较为饱满,且各花键轴的齿数与理论齿数一致,说明花键轴径向锻造成形工艺在成形过程中保证了齿形在坯料圆周上的准确分齿。

齿顶圆直径和齿根圆直径分别为各齿测量值的平均值。

从齿顶圆直径和齿根圆直径的测量结果可以看出,单齿径向锻造的成形误差较小,进一步验证了单齿径向锻造工艺成形花键轴齿形的可行性和有效性。

2大规格花键轴单齿径向锻造变形行为 2.1TC4钛合金两相区的热变形行为及微观组织 C4钛合金是一种α+β型两相钛合金，名义成分为Ti-6Al-4V，该合金兼顾α相和β相的优点，具有良好的力学性能、工艺塑性、焊接性和抗腐蚀性能等优点，因此被广泛用于航空和航天工业。

同时，TC4也是钛合金应用最为广泛的一种合金，占目前钛合金产量的50%，不同的热加工参数对其组织和性能影响较大，微观组织对性能起到决定性作用，其常见的组织可以分为以下4种：等轴组织、双态组织、魏氏组织和网篮组织，且TC4合金的最终变形温度区间大部分选择在两相区，其在变形过程中的微观组织尚不能预测，因此研究TC4钛合金两相区即α+β相区的的热变形行为及微观组织非常重要，可以对钛合金在工程化生产中采用的工艺参数的制定提供理论依据，并对其他材料和加工工艺具有指导意义。

随着变形程度的增大，位错密度增大，畸变能增大，有利于金属的动态再结晶，晶粒就越细小。

当变形程度不足时（变形30%），晶内储存的变形能低，某些部位未达到新晶粒成核所需的激活能，再结晶不容易发生，因此α相球化程度小，呈现长条片状；提高变形量（70%），α相球化程度明显提高，组织均匀，比变形量30%和50%的组织更细小。

这是由于变形充分能使更多的滑移系的位错源启动，产生相应的滑移，也有利于片状α球化；另外变形程度越大，因受流动应力被切断的片状α数量越多，为再结晶提供更多的形核机会。

2.2TC18大型自由锻件准β锻造变形过程控制 TC18钛合金是一种高强高韧性近β型钛合金，转变温度Tβ为840～880℃。

其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，按名义成分计算的Mo 当量为12.8，是典型的近β型钛合金。

此合金具有良好的热加工性、焊接性、淬透性和可热处理强化性，退火后的强度与TC4、TC6等合金固溶时效状态下的强度相当，数值在1080MPa以上，是退火状态下强度最高的钛合金。

TC18钛合金的突出优点是最大淬透截面厚度可达250mm，而强度与其相当的Ti-1023淬透截面厚度仅为100mm。

因此，TC18合金在制造飞机大型承力结构件方面更具有优势，是一种很有前途的高强钛合金。

TC18锻件最终热处理后的组织是网篮组织，网篮组织的特点是在β转变基体上分布着交错编织成网状的片状α组织，原始β晶界被不同程度地破碎，晶界α沿原始β晶界分布已经不明显。

获得这种组织的方法是在β区加热或开始变形，在(α+β)两相区变形不太大时形成。

这种锻造变形在β相区变形时，组织形态的变化规律与全β锻造相同，变形量不大时保持原始粗大的多边形或沿金属流动的方向被拉长，变形量大时可能会发生动态再结晶，随着变形的继续进行，当温度逐渐降低到β转变温度时，开始从原始β晶界析出晶界α相，并承受一定变形；当温度进一步降低时，片状α才从晶粒内部析出。

沿着β晶界析出的α相和晶内析出的片状α承受变形，从而形成断续α相勾画的原始β晶粒轮廓和交错分布的短片状α相，获得网篮组织。

网篮组织具有高持久强度和蠕变强度，在热强性方面具有明显的优势，适用于制作长期在高温和拉应力下工作的零件。

2.3TA15钛合金大型锻件“中心亮线”组织缺陷形成及抑制措施大型整体锻件尺寸更大、形状更为复杂，其制造流程长、材料流动规律和组织演变机制复杂多样，使得宏微观组织的不均匀敏感性增加，极易产生组织缺陷，进而导致强度和塑性等力学性能降低。

为满足航空大型锻件使用的要求，需开展工艺试验，分析组织缺陷形成的原因，探究TA15钛合金热变形过程中组织演变与遗传规律，优化变形工艺参数，抑制组织缺陷的产生，为大型整体锻件成形过程中的组织性能精确调控提供依据。

“中心亮线”区域的微观组织是一种特殊的组织，即“双套”组织，与钛合金在锻造成形时的变形温度与变形量有直接关系。

“中心亮线”区域的力学性能比正常区域的力学性能低。

这与相关研究结果一致，在宏观上表现为类似“中心亮线”的组织和在微观上表现为类似“双套”组织的显微组织。

“中心亮线”区域的力学性能比正常区域的低，属于特殊的模糊晶组织范畴，其显微组织存在不均匀性。

针对航空锻件而言，应抑制或控制“中心亮线”的形成，结合前文对其形成原因的描述，从两个方面对其加以控制:整个热加工工艺的制定和实际操作过程中工艺参数的控制。

“双套”组织是由大尺寸的等轴α相(即前一热加工过程中未破碎的初生α相)、小尺寸的等轴α相(即片层组织再结晶球化形成的新α相)、片层α相及残余β相组成。

为避免出现具有不同尺寸的等轴α相的“双套”组织，应该在实际的坯料变形过程中控制火次在两相区的变形温度(包括始锻温度及终锻温度)及变形量。

综上，TA15钛合金较为理想的锻造变形温度为950～965℃，避免温度过高;变形量的选择，需考虑减轻大变形量引发的“中心亮线”而导致的分层现象，建议变形量小于60%。

结语
通过花键轴单齿径向锻造仿真得到准确分齿、轮廓较为整齐饱满的齿形,克服了包覆式锤头径向锻造工艺成形外齿形件所存在的缺陷,验证了单齿径向锻造工艺成形花键轴齿形的可行性和有效性。

参考文献
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