方秀梅，荆志杰，龚 毅

（成都锦城学院，四川 成都 611731）

齿轮锻造工艺是指齿轮由坯料经过锻造直接获得完整形状的加工工艺，与传统的机加工工艺相比较，通过锻造加工出的齿轮具备更优的综合力学性能，并且能够提高材料的利用率，从而节约生产成本。2024硬铝合金钢具有质量轻、强度高、相对密度小等优点，主要用于航天航空、高铁及军工等方面，目前硬铝合金钢通过锻造工艺所得锻件表现出高防腐性能及高强度等优异性能，在锻造成形过程中可以有效的消除金属内部的缺陷，如缩孔、气孔、夹杂等，能改善晶粒的内部微观组织，使得铝合金钢锻件在材料学界所受到的关注越来越广泛[1]。现今，随着CAE有限元仿真技术的普及化，可通过DEFORM-3D软件对于锻造加工工艺过程进行模拟，调整锻造工艺参数，快速优化锻造工艺，以缩短产品开发周期，提高材料的综合力学性能。本文采用了有限元模拟仿真软DEFORM-3D，对于2024硬铝材质的直齿圆锥齿轮进行锻造过程模拟仿真，并对此次锻造工艺的参数进行对比，通过后处理分析锻造工艺中齿轮锻件的微观组织演变情况及其影响因素及其对性能的影响。

1 直齿锥齿轮锻造过程有限元模型建立

直齿圆锥齿轮锻件主要参数如下：齿数为20，模数为2.5，压力角为45°，齿宽15mm。直齿锥齿轮锻件三维图和锻造模具上模、下模如图1所示。

图1 直齿锥齿轮和模具三维图

本文所采用毛坯材料为2024硬铝合金钢圆棒料，对应为AlCuMg2，匹配材料库数据AL-2024，默认塑性。模具材料为AISI-H13，默认刚性。坯料采用绝对尺寸网格划分，设置尺寸比3，最小单元尺寸设置0.04。设置坯料与模具之间接触摩擦系数0.4。

锻造工艺设置冷锻和热锻，冷锻在室温（20℃），热锻820℃，设置坯料单元与大气的热对流系数为20W/(m2·℃)以及坯料与模具之间的传热系数11kW/(m2·℃)。上模的运动速度加载设置3组值对比，分别为2mm/s，5mm/s，8mm/s。硬铝合金冷锻过程，温度较低，不考虑到动态再结晶，在820°热锻加工时，考虑到温度较大，需设置默认动态再结晶参数。设置动态再结晶的临界位错密度为0.02，形核概率为0.01。标定组织晶粒度参考《金属平均晶粒度测定方法》，采用截点法，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。本文在对坯料变形进行追踪选项设置时，在圆柱形坯料上定义了3个点，分别是点P1坯料底面中心；点P2坯料侧面；点P3坯料边界。

2 锻造工艺参数对铝合金变形组织晶粒度的影响

2.1 形变程度对晶粒度演变

由于2024铝合金钢的强度、硬度较大，形变程度影响晶粒度的演变。图3是铝合金室温冷锻不同变形程度的晶粒度。初始晶粒较大，晶粒数较少。当变形量达到50%左右时，晶粒体积分布开始不断增加，晶粒数量也开始增多，出现了变形织构的取向晶粒形态；当变形量到达90%左右的时候，其晶粒数量和体积分布开始趋于稳定，晶粒形态接近等轴晶。由于此次模拟仿真的低温条件，追踪点区域的变形能不足以提供晶粒形核长大的激活能，所以不会发生动态再结晶。取追踪点P2的不同变形时期的晶粒度变化，如图2所示。a图为形变量50%晶粒度大小，晶粒度标定5级，b为形变量50%晶粒度大小，标定8级，c图为最终变形完成晶粒度，标定8级。

图2 室温冷锻不同变形程度的晶粒度

图3 不同形变速度下晶粒度状况

2.2 锻造温度对晶粒度的影响

冷锻和热锻对变形组织、性能的影响很大，本文中分别设置了20℃室温冷锻和820℃热锻进行对比，选取锻件上的点P1处对其晶粒度大小进行观测。实验结果表明冷锻温下的晶粒度大小标定晶粒度7级，820°热锻下的晶粒度大小，标定晶粒度6级。高温锻造过程中，因回复-动态再结晶的发生，变形后晶粒呈现等轴状，晶粒度稍长大，再结晶可以完全消除塑性变形所引起的硬化现象。

2.3 变形速度对晶粒度的影响

应变速率高应对晶粒细化产生积极的影响，热加工工艺中，应变速率越快，应变能越高，动态再结晶形核率越高，晶粒得到细化[2]。本文通过设置凸模加载速率来控制铝合金的应变速率。从锻件上选取为坯料边界点P3，对比分析3种不同速度变形后的所处点P3的晶粒度大小。如图3所示，其中a图为加载速度为2mm/s时的锻件晶粒度大小，标定晶粒度6级；b图表示速度为5mm/s时的锻件晶粒度大小，标定晶粒度7级；c图表示8mm/s的锻件晶粒度大小，标定晶粒度8级。2mm/s的变形后的晶粒度较为粗大，而随着变形速度的提高，其晶粒度也是往细化发展，在8mm/s时达到一个较为理想的状态。变形速度越大，晶粒度细化越明显，晶粒出现取向的织构状态。

2.4 晶粒度对材料性能的影响

金属材料晶粒度越小，晶粒度等级越高，其韧性及强度越高，疲劳寿命越久[3]。本文对工件内部晶粒度大小进行观测，比较了影响晶粒度的因素，能有效细化晶粒度。晶粒度越大，内部晶界增多，晶界面积越大，能减少裂纹的产生。如图4所示，a为细小晶粒所加载的曲线，b为粗大晶粒加载的曲线。如图可知，应力曲线差别较大，细晶粒变形的应力应变曲线，屈服平台更明显，表现出良好的塑性和较好的强度，粗大晶粒无明显屈服，出现脆断趋势。

图4 不同晶粒度加载应力曲线

3 结论

本文通过D EFORM-3D仿真模拟分析了2024硬铝合金钢的直齿圆锥齿轮在锻造工艺过程中不同形变区域、不同形变程度晶粒度的演变规律，研究了不同形变速度、不同锻造工艺对变形后晶粒度及性能的影响，得出以下结论：当形变程度越大时，其晶粒度大小越细，等级越高。当变形量超过80%的时候，金属晶粒度大小和晶界体积分布会趋于稳定，金属晶粒度大小得以细化。当形变速度为8mm/s的时候，材料在变形后的晶粒度较小，其微观组织的均匀性得到改善；热锻存在再结晶晶粒长大，晶粒度大小相比室温冷锻来说较大；晶粒度越大，晶粒越细，力学性能得到改善。