摘要
螺旋锥齿轮是机械传动的关键部件，包含相交轴传动的弧齿锥齿轮和相错轴传动的准双曲面齿轮，广泛应用于汽车、航空等领域。目前，螺旋锥齿轮的制齿方式主要以铣削加工为主，存在制齿效率低、生产成本高和严重的资源浪费等问题。采用近净成形精密锻造生产的螺旋锥齿轮仅需少量的切削甚至无需切削,不仅降低了制造成本，还可以使金属流线纤维沿齿廓分布更为合理，从而显著提高了齿轮的承载能力和使用寿命。同时，在热变形中金属材料内部微观组织形态的变化也直接影响金属外在的机械性能，微观组织存在缺陷已成为导致锻件报废的重要原因之一。因此，分析螺旋锥齿轮内部组织的演变行为规律对提高螺旋锥齿轮的性能具有较高的研究意义与工程价值。 本文围绕螺旋锥齿轮近净成形工艺过程中各工序内部微观组织的变化，主要包括温度场、应变场以及动态再结晶体积分数和平均晶粒尺寸大小分布等情况开展相关技术研究，并根据各工艺参数对其微观组织的影响规律进行多目标优化分析，旨在获得内部组织分布均匀且细小的螺旋锥齿轮锻件。主要研究内容如下: (1)通过对齿轮钢20CrMnTiH高温变形流动行为进行热模拟实验研究，构建了20CrMnTiH钢的流变应力模型。设计了螺旋锥齿轮的热锻工艺流程，结合二维零件图及加工范围要求，确立了热锻三维模型图和锻压模具模型图。最终根据等体积法计算出了加工该齿轮所需的初始棒料体积。 (2)利用Deform软件建立了螺旋锥齿轮的热锻变形-微观组织演化的二维、三维有限元模型，并设置了相关参数。模拟分析了齿轮在各个成形工艺环节过程中温度、应变及内部微观组织的分布特点和演化规律。根据实际生产经验进一步分析了不同工艺参数对锥齿轮内部微观组织的影响规律，并结合锥齿轮的受力情况重点对齿轮齿形区域的晶粒尺寸大小和分布均匀性进行了分析。 (3)结合响应面方法与有限元模拟技术，拟合了坯料高径比、棒料初始温度、模具的打击速度、摩擦因子这四个工艺参数与轮齿微观组织之间的响应面模型,通过变异系数等分析验证了模型的可靠性。通过对响应曲面结果的分析，进一步得到了工艺参数以及它们之间的交互作用对组织演化规律的影响，利用多目标优化进行迭代求解，获得了能够使螺旋锥齿轮具有均匀且细化的内部组织的工艺参数组合。 (4)基于优化得到的工艺参数组合进行了实际的加工生产实验，将生产的锻件齿形部位切片、处理并选定不同区域进行金相实验，进行实验结果与模拟结果的对比分析，确定误差在10％以内，从而验证了本文工艺方案的可行性与工艺参数优化的可靠性。
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