一種變速箱后行星齒輪支架鍛造成形工藝的先期模擬

文/王歡·湖州劍力金屬制品有限公司洛舍分公司

孟凡林·浙江天馬軸承集團(tuán)有限公司

變速箱后行星齒輪支架是行星齒輪機(jī)構(gòu)中用來(lái)固定和支撐行星齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的零件。它可以隨著行星齒輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以單獨(dú)鎖止，從而改變齒輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，達(dá)到控制車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的目的。因此面對(duì)復(fù)雜的工況環(huán)境，該零件需要有足夠高的強(qiáng)度和韌性，以達(dá)到抗扭轉(zhuǎn)和抗沖擊的要求。目前，鍛造是最為理想和經(jīng)濟(jì)的量產(chǎn)成形方式。

在與自主品牌變速箱客戶(hù)合作過(guò)程中，有一批變速箱后行星齒輪支架鍛件需要提前交樣周期。根據(jù)客戶(hù)提供的產(chǎn)品圖紙出鍛件圖后，發(fā)現(xiàn)此變速箱后行星齒輪支架鍛件的形狀復(fù)雜系數(shù)屬于S3級(jí)，鍛造成形難度較高。并且因?yàn)槟壳皼](méi)有近似產(chǎn)品的鍛造經(jīng)驗(yàn)，所以對(duì)此產(chǎn)品的鍛造成形可行性進(jìn)行了評(píng)審，經(jīng)評(píng)估后認(rèn)為該鍛件成形工藝難度較高。為提高一次試模的成功率和縮短交樣周期，同時(shí)為新產(chǎn)品的量產(chǎn)開(kāi)模做準(zhǔn)備。決定通過(guò)Deform-3D有限元模擬軟件對(duì)該產(chǎn)品鍛造成形工藝進(jìn)行先期模擬和分析，驗(yàn)證該產(chǎn)品鍛造的可行性。

鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)

鍛件設(shè)計(jì)

此后行星齒輪支架材料使用SAE1020，為美標(biāo)鋼種，相當(dāng)于國(guó)標(biāo)20鋼，屬于優(yōu)質(zhì)低碳碳素結(jié)構(gòu)鋼，此牌號(hào)鋼的強(qiáng)度較低，塑性好，通常經(jīng)滲碳后使用，以達(dá)到表面硬度高、心部韌性好的效果。

鍛件預(yù)留加工余量單邊1.2mm(拔模斜度1.5°～3°)，得到鍛件外徑最大尺寸φ145mm，支架盤(pán)底厚度8mm，五個(gè)支架扣高度45.1mm，支架扣頂部?jī)?nèi)壁直徑116mm，外壁直徑141mm，鍛件重量1.938kg。鍛件圖如圖1所示。

圖1 鍛件圖示意圖

設(shè)備選型

成形設(shè)備選用熱模鍛壓力機(jī)，與電動(dòng)螺旋壓力機(jī)或摩擦壓力機(jī)相比，直觀表現(xiàn)為滑塊的打擊速度更快、動(dòng)作更平穩(wěn)、鍛件與模具的接觸時(shí)間更短、可以實(shí)現(xiàn)多工位自動(dòng)化模鍛，使生產(chǎn)效率更高；綜合諸多優(yōu)勢(shì)，選用熱模鍛壓力機(jī)。

模具設(shè)計(jì)

對(duì)于該產(chǎn)品而言如果采用反擠壓成形，將更有利于支架扣部分成形，那么意味著行星支架扣處在上模，但是這樣的話(huà)上模型腔太深而下模型腔很淺，會(huì)導(dǎo)致鍛件在上模的粘附力遠(yuǎn)大于下模的粘附力，導(dǎo)致脫模時(shí)容易粘上模腔。

同時(shí)，受限于目前設(shè)備和模座結(jié)構(gòu)的原因，上模無(wú)法加裝頂桿，對(duì)于粘上模腔的現(xiàn)象很難有明顯改善，導(dǎo)致在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍、模具冷卻等有很大影響，最終結(jié)果會(huì)使模具壽命降低、增加生產(chǎn)成本。因此在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，只能采用正擠壓成形，依靠下模頂桿頂出的方式脫模。

預(yù)鍛模具為半閉式正擠壓模具(圖2)，鍛件外形輪廓屬于回轉(zhuǎn)體類(lèi)，這樣半閉式橋部可以直接設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)體形式，橋部飛邊厚度為2mm，飛邊間隙設(shè)計(jì)為1.5mm。預(yù)鍛件脫模采用下模頂桿頂出方式。

圖2 預(yù)鍛模具示意圖

為避免和減小支架扣頂部區(qū)域在終鍛時(shí)的缺陷，在預(yù)鍛上模對(duì)應(yīng)支架扣根部的位置，特意增加五個(gè)半球形儲(chǔ)料凸臺(tái)(圖3)，確保在精鍛過(guò)程中支架扣頂部填充飽滿(mǎn)。

圖3 預(yù)鍛件示意圖

終鍛模具為一般的開(kāi)式模(圖4)，飛邊橋部寬度為7mm，飛邊厚度約為2mm。終鍛件脫模同樣采用下模頂桿頂出方式。

圖4 終鍛模具示意圖

工藝路線(xiàn)

因產(chǎn)品大平面厚度較薄，SAE1020鋼熱鍛時(shí)材質(zhì)較軟，鍛件在脫模頂出、沖孔和切邊的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較為明顯的變形，所以在沖孔、切邊后增加一道熱整形工序，均為常規(guī)鍛造工序。工藝路線(xiàn)圖如圖5所示。

圖5 工藝路線(xiàn)圖

摩擦：剪切摩擦系數(shù)0.3；

溫度與熱傳：毛坯溫度1160℃，環(huán)境溫度30 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)5N/(sec·mm·C)(這里考慮脫模劑的影響)，熱對(duì)流系數(shù)0.02N/(sec·mm·C)；

運(yùn)動(dòng)與步長(zhǎng)：上模運(yùn)動(dòng)速度350mm/s，步長(zhǎng)值0.1mm。

鍛造成形力計(jì)算

根據(jù)熱模鍛常用鍛造成形力經(jīng)驗(yàn)公式(鍛模設(shè)計(jì)手冊(cè)(第2版)呂炎)計(jì)算：

式中P(kN)-為成形所需鍛造力；

C-為安全系數(shù)，這里取1.2；

K-為金屬變形抗力系數(shù)，由鋼種和鍛件形狀的復(fù)雜程度(10kN/cm2)決定，這里取7；

F-為包括鍛件飛邊橋部寬度在內(nèi)的投影面積，鍛件橋部設(shè)計(jì)7mm寬；

得出：

成形所需的噸位約為1690噸，因此鍛造設(shè)備選用2500噸的熱模鍛壓力機(jī)。

成形模擬

模擬參數(shù)設(shè)定

原材料尺寸：棒料φ60mm×101.9mm，重量2.26kg；

網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格數(shù)量102863，最小網(wǎng)格尺寸0.68mm，網(wǎng)格比例2；

成形模擬結(jié)果分析

鐓粗：如圖6所示，鐓粗后坯料整體熱量散失較少，主要集中在坯料端面與模具接觸的位置，整體溫度在980～1160℃之間。

圖6 棒料尺寸和鐓粗尺寸

預(yù)鍛：如圖7所示，預(yù)鍛厚度到位時(shí)，鍛件底部成形飽滿(mǎn)，支架扣頂部成形未滿(mǎn)(預(yù)鍛體積設(shè)計(jì)比終鍛大)，高度約42.4mm。從溫度云圖看，鍛件溫度在1000～1240℃之間；成形所需噸位約564噸。

圖7 預(yù)鍛溫度、噸位和成形填充情況

圖8為預(yù)鍛厚度到位時(shí)，鍛件的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布情況。從應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖中可以看出等效應(yīng)力與等效應(yīng)變分布較為均勻、并趨于一致，且無(wú)明顯集中點(diǎn)。

圖8 預(yù)鍛等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布云圖

終鍛：圖9為終鍛尺寸到位時(shí)，鍛件的溫度、噸位和成形填充情況。鍛件成形飽滿(mǎn)、無(wú)缺肉現(xiàn)象，從溫度云圖看鍛件整體溫度在1020～1280℃之間；成形所需噸位約1540噸，與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值(不乘安全系數(shù)為1410噸)接近。

圖9 終鍛溫度、噸位和成形填充情況

當(dāng)終鍛尺寸到位時(shí)，鍛件的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布情況如圖10所示。從應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖中可以看出等效應(yīng)力與等效應(yīng)變分布較為均勻、并趨于一致，且無(wú)明顯集中點(diǎn)。

圖10 終鍛等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布云圖

對(duì)該變速箱后行星齒輪支架鍛件的鍛造成形有限元模擬，可以直觀查看整個(gè)鍛造成形過(guò)程。通過(guò)對(duì)成形過(guò)程中鍛件的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等的變化和分布的綜合分析，認(rèn)為針對(duì)此變速箱后行星齒輪支架鍛件的鍛造成形工藝可行性較高，可以按照所設(shè)計(jì)的模具提前開(kāi)模、打樣。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)借助Deform-3D有限元模擬軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的鍛造成形工藝進(jìn)行先期模擬、分析，可以在避免試模的情況下，驗(yàn)證成形工藝的可行性，并且能夠預(yù)測(cè)在成形過(guò)程中可能存在的一些缺陷。進(jìn)而針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題可以提前進(jìn)行優(yōu)化和模具結(jié)構(gòu)更改，進(jìn)而減少試模和工藝改進(jìn)所消耗的大量時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。