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变速器二轴齿轮锻件折叠缺陷的原因分析及解决方法

作者:浙江三欢齿轮有限公司 浏览: 发表时间:2021-12-28 10:36:20

变速器二轴齿轮锻件折叠缺陷的原因分析及解决方法

它是折叠锻件生产中常见的缺陷,是由高温下氧化金属表层局部收敛并压入锻件而形成的。在机加工表面,外观上一般很难区分褶皱和裂纹,但折尾一般比较圆钝,折区两侧金属通常有氧化和明显脱碳。折叠破坏了锻件表面的完整性,残留在零件表面形成应力集中点,容易导致零件在使用中断裂失效。

折叠缺陷发现

我公司某齿轮加工车间加工一批由20CrMnTi制成的二轴(以下简称“二轴齿轮”)的某变速器二齿轮零件。当硬质车床在渗碳淬火后安装定位在端面时,发现部分零件在内孔附近有沿周向分布的缺陷。缺陷的位置和外观如图1、图2和图3所示。

通过沿径向切割断口,在金相显微镜(100×)下观察,发现缺陷区有夹杂物,端部呈圆形钝头,不符合淬火裂纹特征。被硝酸酒精溶液腐蚀后,无法判断两侧金属经过渗碳淬火工艺后是否脱碳(图4),但已经可以判断是典型的锻造折叠缺陷。有折叠缺陷的零件约占6%。因为无法修复,只能报废,废品率很高。

原因

二轴齿轮锻件锻造工艺流程:带锯下料(φ85mm圆钢)→中频感应炉加热→程控锤镦粗成型,镶模如图5所示。

一般来说,导致齿轮箱齿轮锻件在锻造过程中折叠的因素有三个。

①钢材表面的折痕和折叠缺陷残留在锻造表面形成折叠;

②下料生产的毛坯端面有倒角、弯曲或毛刺、凹陷或凸起;

③锻造成形过程中,各种因素导致金属对流、回流等异常流动,造成折叠。

钢材表面质量

钢材轧制过程中轧辊之间产生的毛刺被压入表面,在后续轧制中形成折痕和褶皱。如果锻造前不及时清理,会残留在锻件表面,形成锻造褶皱。但由于钢材的表面缺陷随机存在于锯切的毛坯上,没有固定的位置,不会像二轴齿轮那样导致固定位置折叠并沿圆周方向分布。

下料过程

如果钢材下料采用剪切下料,坯料的端面会在端面边缘倒角、弯曲、凹陷、凸起或毛刺,后续锻造时会在固定位置折叠。二轴齿轮锻造使用的钢材为φ85mm的20CrMnTi圆钢,采用切割方式,不存在上述剪切切割缺陷,毛坯端面平整(图6),锻件上不会留下褶皱。

镦粗成形过程中的异常流动

模腔设计不合理往往导致锻造时金属流动异常,从而形成折叠。一般不合理的设计包括:凸圆角过小、拔模角度过小、分型位置不合适等。第二轴齿轮的热锻如图7所示。

在热锻拉拔中,连接蒙皮和腹板内部的区域1较小,尤其是腹板外部的区域2较大。二轴齿轮在锤头上镦粗后直接终锻,没有预锻和布料步骤,无法合理分配金属体积。这将导致不同零件的流量和填充的差异,体积最小,接缝处的材料流动最强烈,其次是第一部分和第二部分。另外热锻3的R5略小,金属不易流动。利用DEFORM 2D软件对锤头上模镦粗毛坯的终锻过程进行了模拟。速度矢量图如图8所示,未满时距表层0.5毫米处的流线如图9所示,满后距表层0.5毫米处的流线如图10所示。

图10流线显示A和b都有折叠趋势,图8显示A处也有明显回流,实际生产中没有折叠缺陷,这得益于这个地方的大圆角,有利于金属流动。可以看出,当图9中的腔体未充满时,折叠趋势不明显;填充后,C处的金属很少流向腹板外部,而连接蒙皮到C处的金属流速很高,在连接处受到很大阻力。金属沿着最小阻力向上和向外倾斜流动,这驱动连接表皮和接合处的表面金属进入内部。当冲击力较大,变形率较大时,折叠会向外移动到C,即二轴齿轮的折叠位置。

因此,可以确定第二轴齿轮的折叠是由于金属在最终锻造的接合处流出的流动不顺畅,这驱动表面金属参与锻造并形成折叠。

解决办法

折叠的原因是终锻过程中金属流动不顺畅,所以要通过改善终锻过程中的金属流动来实现减少折叠趋势。

终锻最后阶段流出时接头处金属面临较大阻力的原因如下:①接头处流出的金属流量高于图10中C处;②接头处的模具表面与B处C处的模具表面过渡不够平滑,使得B处的周围金属容易被驱动。然后,有必要减小两种金属流速之间的差异,并使两个模具表面平缓过渡。根据这些需要,修改模具型腔,降低接头处的下模,放大B处的圆角(图11)。这样从接头蒙皮流出的金属在C处会更接近模具表面,在C处金属流动会加速,不容易对接头蒙皮处的金属形成很大的阻力,同时在b处金属流动会更顺畅。

使用DEFORM 2D模拟改变型腔后的最终锻造过程,填充后距离表层0.5mm的流线如图12所示。

从改变后的流线模拟来看,折叠趋势已经基本消除。事实上,当模具按照这种模具改造方案修复后再重新生产时,原来发生折叠的锻造表面没有出现折叠(图13),证明了前面对折叠原因的分析是正确的,采用的解决方案是有效的。

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