锥齿轮是一种齿顶呈圆台形的齿轮,常成对使用,可改变传动轴的方向,广泛应用于机械传动装置中。由于其特殊的锥形结构,锥齿轮特别适合采用锻造方法生产,所生产出来的齿轮内部组织连续、机械性能较好、寿命长,但传统的锻造方法依然存在设备及模具所受载荷过大、齿腔填充不饱满、后续机械加工余量大等问题。而采用等温锻造方法,则是将模具加热到与坯料相同或相近的温度,伴以较低的变形速率,给予材料充足的时间发生动态回复与动态再结晶,从而显著提高材料的流动性能,同时减小模具所受的应力,所生产出的锥齿轮具有组织均匀、尺寸精度高等优点。等温锻造作为一种锥齿轮的精密锻造方法,能够很好地提高锻造锥齿轮的使用性能,因此具有重要的研究价值和实际意义。数值模拟方法是研究金属塑性成形过程的重要分析手段。对锥齿轮等温锻造过程进行数值模拟,可较准确地预测材料的变形情况及成形载荷等,从而大大降低产品的生产周期。而确定材料的应力与应变、应变速率等变形参数之间的关系模型,即本构模型,对于模拟结果的准确性具有非常重要的影响。本文针对20CrMnTi锥齿轮等温锻造过程,研究了多本构模型耦合的数值模拟方法,对材料变形过程中所处的状态进行区分,并分别采用不同的本构模型。相比于使用单一而复杂的本构模型,采用该方法可以使模拟结果更符合实际情况。首先,针对锥齿轮零件进行了等温锻造成形工艺分析,利用UG软件绘制了三维零件图和锻件图,同时制定了锥齿轮等温锻造的生产工艺方案。然后,以20CrMnTi等温锻造成形温度为试验温度,以不同的压缩速率分别对其进行等温压缩试验;对得到的数据分别进行了压缩速率修正、光滑处理和行程修正;根据试验结果中材料应力-应变曲线呈现的动态回复和动态再结晶特征,将材料变形过程分为硬化状态、软化状态和稳态,并分别构建三种状态下的本构方程及其临界点的参数方程;将三个本构方程编写为程序代码,并嵌入到Deform子程序中,从而实现了基于多本构模型耦合的Deform软件二次开发。随后,使用得到的程序对锥齿轮等温锻造过程进行数值模拟,分析了金属流动、成形载荷以及材料所处状态等情况,研究了不同飞边大小、锻压速度等工艺条件对锥齿轮成形效果和成形载荷的影响。最后,根据所选择的成形设备,设计并加工了一套锥齿轮等温锻造模具及温控装置,进行了锥齿轮等温锻造实验,观察锻件成形效果并记录载荷的变化,验证了所设计的锥齿轮等温锻造工艺及模具的合理性。