摘要
柔轮作为谐波减速器中传递运动与动力的核心零件，是谐波减速器中受力最复杂、最易发生疲劳失效的零件，对其强度、韧性和尺寸精度等方面都有较高的要求。传统的柔轮壳体制造方法需采用多次切削加工制备，其尺寸精度低、强韧性不足，导致谐波减速器传动精度差、承载能力和疲劳寿命低。流动旋压能实现薄壁壳体件的高效精确塑性成形；结合调质及时效等热处理工艺，通过形变与热处理相结合的方法可有效调控其微观组织，提高其强度、韧性等力学性能；因此提出采用旋压与热处理相结合的方法实现其强韧化制备。在基于旋压成形的薄壁壳体强韧化制备过程中，影响其成形质量和组织性能的工艺参数众多、成形质量精确控制难度大、微观组织演变复杂。因此，研究基于旋压成形的薄壁壳体成形质量与组织性能演变规律，并对其工艺参数进行优化，是揭示其强韧化机理，实现薄壁壳体高精度高性能制备的理论基础。 本文以30CrMnSiA薄壁壳体为研究对象，针对零件的变壁厚结构特征及高精度、高强韧性要求，确定了采用形变与热处理相结合的形变-热处理工艺方法成形变壁厚薄壁壳体，以退火态锻件为毛坯，拟定了“旋压-调质-旋压-时效”的合金结构钢薄壁壳体制备方案。分析并确定了旋压工艺参数及热处理工艺参数的取值范围，为后续的数值模拟和试验研究奠定基础。 基于ABAQUS/Explicit平台建立了30CrMnSiA薄壁壳体流动旋压全流程有限元模型，分析旋压成形过程的等效应力应变、内径和壁厚分布规律，并研究进给比、旋轮成形角及圆角半径等旋压工艺参数对薄壁壳体内径偏差、直线度及壁厚偏差等成形质量的影响规律。旋压成形时等效应力的最大值出现在靠近旋压件口部和圆角的位置，均在旋压件的外表面，等效应变的最大值出现在旋压件外表面；薄壁壳体旋压件内径沿轴线方向呈上升的趋势；0.49mm壁厚段和1.06mm壁厚段的壁厚均匀性较好。随着旋轮进给比增大，旋压件内径偏差呈减小趋势，直线度呈先减小后增大趋势，壁厚偏差呈先减小后增大趋势；随着旋轮成形角增大，旋压件直线度和壁厚偏差呈增大趋势，内径偏差呈减小趋势；随着旋轮圆角半径增大，旋压件直线度和壁厚偏差呈减小趋势，内径偏差呈增大趋势。 基于金相实验及扫描电镜等微观组织观测，研究了旋压成形及热处理过程对薄壁壳体组织性能的影响。结果表明：退火态锻造毛坯经旋压成形后金属组织呈现流线形，珠光体的层间距减小；旋压件调质处理后可获得具有较高强度和韧性的回火索氏体组织；回火索氏体经旋压成形后形成纤维组织，晶粒得以细化，同时材料的位错密度和内部自由能显著提高，为后续时效处理提供额外的晶界迁移驱动力；时效处理使旋压成形时拉长的微观组织进一步细化，细小碳化物弥散析出，均匀分布在铁素体基体上，改善了塑性。形变-热处理获得的薄壁壳体其屈服强度和抗拉强度达到1056.38MPa和1171.53MPa，硬度达到377.30HV，冲击强度达到451.70kJ/m2；与调质后车削成形相比较，屈服强度与抗拉分别提高了93.65%和47.88%，硬度提高了26.87%，冲击强度提高了12.01%；同时还具有较好的塑性，断后伸长率和断面收缩率分别为11.60%和24.64%。采用“旋压-调质-旋压-时效”的形变-热处理工艺实现了薄壁壳体的强韧化制备。 基于旋压及热处理正交试验结果，采用极差分析法和灰色关联度分析法进行薄壁壳体强韧化成形工艺参数优化，研究各试验因素对旋压件强韧性和成形质量的影响规律及主次顺序。获得了试验因素对薄壁壳体力学性能和成形质量评价指标的综合影响主次顺序为：进给比＞回火温度＞总减薄率＞时效时间＞时效温度。基于灰色关联度分析法得到最优工艺参数组合为总减薄率ψt=86.00%、进给比f=0.4mm/r、回火温度500℃、时效温度275℃、时效时间8h。
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