大型齿轮毛坯锻造及热处理工艺改进

１ 齿轮毛坯锻造过程金属流动规律分析
齿轮毛坯锻造成形过程可分为：镦粗阶段、充 满台阶过渡阶段和挤出飞边阶段。镦粗阶段从坯料 与上模腔表面接触开始到坯料金属与模腔的侧壁接 触为止，即自由镦粗。充满台阶过渡阶段从坯料的 鼓形侧面与凹模侧壁接触开始到整个侧表面与模壁 贴合且台阶过渡处被完全充满为止［３］。在此阶段，坯 料缓慢挤入模腔，逐步进入不同的三向压应力状态。 变形金属的流动受到模腔侧壁的阻碍，坯料在高度方 向上的变形速度总是不均匀的，中间流动快，上、下 两端流动慢，上端速度又要快于下端，随着接触面积 不断增大且与模具接触的金属温度不断下降，这种速 度的差异越来越明显［４］，如图１所示。为了改善这种 流动不均匀的状况，提高轮毂、轮辐、轮缘台阶过渡 处的充型质量，降低成形力，提出分流减压原理。
大型齿轮是一种在矿山机械、汽轮机、发电机 等大型设备中重要的机械传动零件，其质量高低直 接影响着相关产品的性能水平。大型齿轮毛坯经模 锻成形，因其组织致密均匀，流线连续，尺寸精度 高，易于锻合材料内部缺陷和破碎树枝状组织等优 越性而得到广泛应用，逐渐取代粗大的自由锻件和 强度不高的铸件。但在锻造过程中主要存在着：成
第３５卷第６期
Ｖ０１．３５ Ｎｏ．６
锻 压技 壬’
ＦＯＲＧＩＮＧ＆ＳＴＡＭＰＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｚ０１０年１２月
Ｄｅｅ． ２０１０
大型齿轮毛坯锻造及热处理工艺改进
张毅峰１．王雷刚１。吴君三２，周云鹤２。胡振奇２ （１．江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江２１２０１３；２．张家港海陆环形锻件有限公司，江苏张家港２１５６００）
Ｆｉｇ．１
图１轴向加压径向流动模式 Ｒａｄｉａｌ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ
２ 齿轮毛坯锻造工艺改进
以某大型齿轮毛坯锻造为例，其锻件图如图２ 所示，直径１０００ ｍｍ，上下面对称且在径向有一宽 度１９５ ｍｍ的轮辐。由于打靠时成形力过大，在某 公司现有３５００ ｔ油压机上成形时会出现轮毂、轮 辐、轮缘台阶过渡处充型不满、打塌的现象。
ｗｉｔｈ ｎｏ ｄｅｅｐ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｅａｓｙ ｓｔｅｐ ｔｒａｎｓｉ—
ｔｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗ ｒｕｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ ｆｏｒｇｉｎｇ
采用有限元软件Ｄｅｆｏｒｍ－３Ｄ对锻造过程进行模 拟，毛坯材料选库中ＤＩＮ４２ＣｒＭ０４（２０～１２００℃）； 将上模、坯料、下模以ＳＴＬ格式从Ｐｒｏ／Ｅ输出；为 了节省运算时间，取模型的Ｉ／４；剪切摩擦系数 ０．３，热传导系数１１，毛坯初始温度９５０℃，模具预
疏矩阵求解和Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ迭代法进行求解［ｓ］。 当成形力达到３５００ ｔ时，毛坯的形状和温度分布
ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔａｒｙ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｆｕｌｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｂｙ ａｂｏｕｔ ３０％．Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔａｒｙ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｇｒｏｏｖｅ ｃｏｕｌｄ ｍａｋｅ
ｗｈｅｅｌ ｈｕｂ ａｎｄ ｒｉｍ ｆｉｌｌ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏＩＴｎ ｆｌｏｗ，ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ
ｗｉｔｈ ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｐｕｎｃＫ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｒｉｔｉｅｓ，ｈｉｇｈ ｈａｒｄｅｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈｅａｔ
图７为两种工艺成形力对比图，从图中可以看 出原工艺需要４２００ ｔ压力，３５００ ｔ油压机不能一次 成形，而采用改进工艺，可减少３０％的成形力。预 锻冲孔直径大于锻件中心孔直径与在轮辐中间锻制 分流减压槽的作用都在于：上下模打靠时容纳多余 的金属，使其避免过早出现三向压应力，减小成形 力急剧上升的趋势；分流减压槽的尺寸、形状、位
９
图７成形力对比图 Ｆｉｇ．７ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ
的上、下模具设计可改善金属的不均匀流动，提高 充型质量。从图８反映出：对称和不对称模具设计 的两种方案的不同之处在于不对称设计加深了上模 具的两模腔深度，改变坯料的受力状态，加速坯料 下部的流动，从而使上、中、下部金属流动速度趋 于一致。图９为两方案毛坯的等效应力分布状态图， 对称方案的应力分布不均匀，集中表现在齿轮毛坯 中部，而不对称方案的应力分布相对均匀，表明不 对称方案毛坯在成形过程中，上、下两端流动基本 相等，变形对称性好，变形应力较小，为后续的热 处理奠定了良好的基础。因此，改进工艺提高了锻 件质量，轮辐处变形均匀，齿轮毛坯各部分强度、 韧性也都有显著提升［７］。
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图２齿轮锻件图 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ａｎｄ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ
原有工艺：棒料经镦粗成圆饼形毛坯，尺寸 热温度２００℃；上模运动速率１０ ｍｍ·ｓ～。应用稀
ｑｒ）９００ ｒｎｍ×１１３ ｍｍ，下料重量６２０ ｋｇ，火耗６％， 两火成形。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｒｇｅ ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ．Ｔｈｅ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｅＩｒｏｅ ａｎｄ ｕｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｌｏｃａｌ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｒｇｉｎｇ。ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ Ｈａｉｌｕ Ａｎｎｕｌａｒ Ｆｏｒｇｉｎｇｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ ２１５６００，Ｃｈｉｎａ）
火＋分级淬火的热处理工艺，防止齿轮毛坯开裂变形且晶粒度可达７级。通过有限元热力耦合数值模拟、试验验 证、微观组织观察和性能分析，验证了本文中锻造与热处理工艺方案的可行性，获得了良好效果，满足了用户的需
求。
关键词：齿轮毛坯；成形力；分流减压；不对称设计；分级淬火
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３９４０．２０１０。０６．０２
万方数据
第６期
张毅峰等：大型齿轮毛坯锻造及热处理工艺改进
７
元素含量，具体化学成分见表１），同时为了细化晶 粒和防止开裂变形，采用正火＋分级淬火的热处理
工艺。通过金相组织分析和淬透性实验，验证了该 热处理工艺的可行性。
表１欧标４２ＣｒＭ０４Ｖ与改进型４２ＣｒＭ０４Ｖ化学成分对照表（％，质量分数） Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ４２ＣｒＭ０４Ｖ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ４２ＣｒＭ０４Ｖ（％Ｉ ｌＩｌａ蕊ｆｒａｃｔｉｏｎ）
图４原始工艺毛坯温度分布图 Ｆｉｇ．４ Ｂｌａｎｋ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ
图５预制齿轮毛坯图 Ｆｉｇ．５ Ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ
图６金属流动速度矢量图 Ｆｉｇ．６ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｖｅｃｔｏｒ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗ
摘要：大型齿轮毛坯生产技术难度大，锻造时成形力过大、金属局部充不满，热处理时常规材料淬透层不深、台阶
过渡处易开裂。本文分析了大型齿轮毛坯锻造过程中的金属流动规律，提出了基于分流减压原理的毛坯预成形新
工艺，可减小成形力约３０％。分流减压槽的合理设计能使轮毂、轮缘同时充填饱满。为了进一步改善金属轴向流
动不均匀，采用了不对称的上下模腔设计方法；在分析了组织性能关系的基础上，采用高淬透性材料，并提出了正
置是影响轮毂、轮缘同时充填饱满的关键因素。
３上、下模具不对称设计
在齿轮毛坯锻造过程中，由于坯料的圆柱镦粗 效应‘６｜，其与模具的接触面积不断增大，导致对称 的上、下模具设计容易使坯料发生不均匀变形，且 上模具填充效果比下模具要好。因此，采用不对称
万方数据
第６期
张毅峰等：大型齿轮毛坯锻造及热处理工艺改进
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｅｐｐｅｄ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｖｏｉｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．
Ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｒｅａｃｈｅｓ ｇｒａｄｅ ｓｅｖｅｎ．Ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｕｓｅｒｓ’ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉ—
中图分类号：ＴＧ３１６
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－３９４０（２０１０）０６－０００６－０６
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ
ＺＨＡＮＧ Ｙ｝ｆｅｎ岔，ＷＡＮＧ Ｉ七卜簪Ｉｌｇｌ，、ｖＵ Ｊａｎ－ｓａｎ２，ＺＨＯＵ Ｙｕｎ－ｈｅｚ，删Ｚｈｅｎ－ｑｆ
如图３、图４所示：模拟结果和实际生产基本一致， 当成形力大于３５００ ｔ油压机额定载荷时，上下模具打 不靠，台阶过渡处出现欠充满、打塌缺陷；齿轮毛坯 温度分布不均，内部温度还处于９５０℃，而轮辐表面 温度已经降到约２００℃，正是由于轮辐壁薄、尺寸
万方数据
８
锻压技 术
大，与模具接触的金属散热快，塑性大幅下降，阻碍 了金属的继续流动，这也是导致出现缺陷的原因之一。
收稿日期：２０１０－０５—１９；修订日期：２０１０－０７—２０ 基金项目：江苏省研究生工作站项目；江苏大学科技创新团队项目 作者简介：张毅峰（１９８５一），男，硕士 电子信箱：ａｂ００７ｃ＠１２６．ｃｏｍ
形力过大、充型不饱满和模具寿命低的缺陷。这是 由于齿轮毛坯与模具的接触面积大，冷却快，坯料 在向模具型腔填充时所受的摩擦力过大所致［１引。因 此，如何减小坯料与模具的接触面积，控制毛坯的 冷却速率，降低成形力是大型齿轮锻造急需解决的 难题。本文借助有限元模拟技术，从减小成形力和 改善填充不饱满两个方面，对原有工艺进行改进， 提出了分流减压原理和模具型腔不对称设计的大型 齿轮锻造工艺。目的在于使金属均匀流动，减小变 形应力，该新工艺为实际生产提供理论依据。为增 加大型齿轮毛坯的淬透层，采用高淬透性材料—— 改进型４２ＣｒＭ０４Ｖ（即在欧标４２ＧｒＭ０４Ｖ的基础上 调整Ｍｎ、Ｃｒ等元素的含量，并降低Ｐ、Ｓ等有害
第３５卷
图３原始工艺毛坯形状图 Ｆｉｇ．３ Ｂｌａｎｋ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ
改进工艺：棒料经镦粗成圆饼形毛坯，再经过 预成形将中间孔冲出且在轮辐处压出减压分流槽， 冲孑Ｌ直径大于锻件中心孔直径，尺寸见图５，下料 重量６３５ ｋｇ，火耗８％，三火成形。
采用改进后的工艺，齿轮毛坯完全可以在某公 司现有３５００ ｔ油压机上成形，台阶过渡处外观质量 良好，且轮毂、轮缘能够同时充填饱满。根据模拟 结果显示最终的成形力只有２９００ ｔ，图６为齿轮毛 坯的金属流动速度矢量图。
ｅａｌ ｓｉｍቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒｏｅ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔａｒｙ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｔｅｐｐｅｄ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ