行星齒輪架中空多向鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)＊

劉樂 殷銀銀 金宏 關(guān)悅 鄭鵬輝 萬志慧

（①河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 信陽 464000；②河南航天精工制造有限公司，河南 信陽 464000）

行星齒輪傳動(dòng)與普通齒輪傳動(dòng)相比，具有許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，最顯著的特點(diǎn)是在傳遞動(dòng)力時(shí)可以進(jìn)行功率分流，并且輸入軸和輸出軸處在同一水平線上，廣泛用于汽車、飛機(jī)以及重型機(jī)械的變速箱以及各種工業(yè)設(shè)備中[1-2]。其中，行星齒輪架是整個(gè)行星齒輪系統(tǒng)中承受外力矩最大的零件，其質(zhì)量決定各行星齒輪間的載荷分配及傳動(dòng)裝置的承載能力[3-4]。行星齒輪架傳統(tǒng)生產(chǎn)方式主要是圓棒料車削加工、鑄造后車削加工及分體焊接等。圓棒料車削加工不僅浪費(fèi)大量材料，而且在切削加工時(shí)會(huì)導(dǎo)致金屬流線斷裂，導(dǎo)致零件強(qiáng)度降低。鑄造后車削加工的方式雖能提高材料利用率，但是鑄造過程中會(huì)產(chǎn)生縮松縮孔等鑄造缺陷，導(dǎo)致零件力學(xué)性能低下[5-6]。分體焊接的方式存在焊縫易開裂等缺點(diǎn)。無論采用何種方式，都有各自的缺點(diǎn)，該零件加工難點(diǎn)主要是分布在上端面圓周方向的4 個(gè)方孔，因此需要尋求一種高效加工方法來提高效率、降低成本。

以某型號(hào)行星齒輪架為研究對(duì)象，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種行星齒輪架的中空多向鍛造工藝，利用有限元模擬軟Deform-3D，對(duì)行星齒輪架的中空多向鍛造工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)相應(yīng)模具結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的行星齒輪架中空多向鍛造工藝可行，鍛件符合設(shè)計(jì)要求。不僅大大提高了材料利用率和零件的性能，減少了后續(xù)車削加工的余量，使得加工效率大大提升，成本顯著降低。

1 行星齒輪架零件初步分析

某型號(hào)行星齒輪架零件如圖1 所示，大端圓周方向4 個(gè)方孔用于安裝行星齒輪，鍛造的難度在于一次鍛造出圓周方向的4 個(gè)方孔，且4 個(gè)方孔位置要求較為精確，對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工精度要求較高。行星齒輪架材料為20CrMnTi，含碳量為0.17%～0.24%，其具有較高的淬透性，在保證淬透的情況下，特別是具有較高的低溫沖擊韌性，良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能微小，被廣泛用于汽車行星齒輪、軸類和活塞等[7-8]。

圖1 行星齒輪架零件

由于有限元模擬軟件Deform-3D 材料庫中沒有該材料的高溫流變應(yīng)力曲線，如圖2 所示。為了提高有限元模擬的準(zhǔn)確性，得到更加準(zhǔn)確的工藝參數(shù)，需要對(duì)該材料進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，得到其不同溫度和應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Deform-3D 材料庫中進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖2 不同變形條件下20CrMnTi 的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 行星齒輪中空多向鍛造工藝制定

2.1 鍛件設(shè)計(jì)

根據(jù)行星齒輪架零件特點(diǎn)，設(shè)計(jì)行星齒輪架鍛件圖，如圖3 所示。由上下兩部分組成，最大直徑120 mm，最小直徑38 mm，大端圓周均勻分布4 個(gè)方孔，成形難點(diǎn)在于4 個(gè)方孔及大端下端邊角的充填。

圖3 行星齒輪架鍛件

2.2 工藝流程

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件，制定了行星齒輪架中空多向鍛造工藝：圓棒料—中頻感應(yīng)加熱—預(yù)制坯—中頻感應(yīng)補(bǔ)熱—中空多向鍛造，具體工藝流程如圖4 所示。

圖4 行星齒輪架中空多向鍛造工藝流程

2.3 下料尺寸計(jì)算

為確保鍛件不出現(xiàn)缺料、飛邊等缺陷，必須合理確定下料尺寸。根據(jù)每一步的變形量確定圓棒料直徑，然后根據(jù)等體積法計(jì)算出坯料的長度[7-8]。計(jì)算公式如下[9]

式中：Vm為坯料體積，VD為鍛件體積，δ為火耗，對(duì)于中頻感應(yīng)加熱來說，一般取δ=1%。

3 行星齒輪中空多向鍛造工藝數(shù)值模擬

3.1 材料模型的建立

為了提高模擬的準(zhǔn)確性，首先要建立20CrMnTi材料模型，即流變應(yīng)力本構(gòu)方程。一般采用Sellars和Tegart 提出的Arrhenius 函數(shù)來表示，即應(yīng)變速率ε˙、變形激活能Q和變形溫度T等因素對(duì)合金高溫流變應(yīng)力的影響。其中

根據(jù)低應(yīng)力水平和高應(yīng)力水平等不同情況，可將式（1）的Arrhenius 函數(shù)進(jìn)行簡化如下。

式中：A1、A2、n1、n、σ、β為 材料常數(shù)；R為氣體常數(shù)，R=8.314 J·K-1·mol-1。

對(duì)式（2）～（4）兩邊取自然對(duì)數(shù)，得到

由式（7）可知，在應(yīng)變速率一定時(shí)，假設(shè)變形激活能Q不隨溫度變化，對(duì)式（7）進(jìn)行變形可得

同樣可擬合得到 ln[sinh(ασ)]-1 /T的關(guān)系曲線，曲線斜率的平均值即為Q/(nR)的值，將n和R代入，可計(jì)算出Q=327.869 5 kJ/mol。

Zener 和Hollomon 在總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出利用溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率Zener-Hollomon 參數(shù)即Z參數(shù)來綜合表示變形速率和成形溫度T對(duì)形變的影響。

兩邊取自然對(duì)數(shù)，可得

同樣可擬合得到 lnZ-l n[sin(ασ)]的關(guān)系曲線，曲線斜率即為n值，可求得n=5.296 0，A=3.54×1011。

將上述求出的參數(shù)代入式（4）可得20CrMnTi流變應(yīng)力本構(gòu)方程為

3.2 建立有限元模型

有限元模擬技術(shù)在塑形成形中的應(yīng)用，有效避免了模具設(shè)計(jì)依靠經(jīng)驗(yàn)、通過不斷試驗(yàn)和模具修改來達(dá)到模具結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)這些弊端，不僅可以有效縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，而且可以大大降低成本[10-11]。根據(jù)制定的行星齒輪架中空多向鍛造工藝，通過有限元模擬成形過程來驗(yàn)證工藝的可行性，通過模擬結(jié)果可以看出在成形過程中的金屬流動(dòng)規(guī)律、載荷-行程曲線、等效應(yīng)力分布等，這對(duì)后續(xù)設(shè)備選擇和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都起到十分重要的作用。具體過程是先建立模具和坯料的三維模型，在三維軟件中裝配完成后，存為STL 格式，導(dǎo)入Deform-3D 模擬軟件中，劃分網(wǎng)格后設(shè)置步數(shù)、步長、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速速以及摩擦系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算[12-13]。如圖5所示為行星齒輪架預(yù)制坯有限元模型，圖6 為行星齒輪架中空多向鍛造有限元模型。

圖5 行星齒輪架預(yù)制坯有限元模型

圖6 行星齒輪架中空多向鍛造有限元模型

3.3 金屬流動(dòng)規(guī)律分析

金屬流動(dòng)規(guī)律是研究金屬的塑性變形過程的重要手段，通過金屬流動(dòng)規(guī)律[14]，可以預(yù)測零件在實(shí)際的生產(chǎn)中金屬的流動(dòng)的大致情況，可以預(yù)測缺陷產(chǎn)生的部位，然后通過合理調(diào)整工藝參數(shù)或模具結(jié)構(gòu)使金屬流動(dòng)平穩(wěn)，避免劇烈流動(dòng)，從而降低產(chǎn)生廢品的風(fēng)險(xiǎn)。在Deform 后處理中，其速度場分布表示金屬在成形過程中的流動(dòng)規(guī)律。圖7 所示為預(yù)制坯過程中第25 步、56 步、80 步的速度場分布，圖8 所示為行星齒輪架中空多向鍛造過程中第64 步、128 步、188 步的速度場分布。從圖8 中可以看出，在行星齒輪架預(yù)制坯和中空多向鍛造成形過程中，在初始階段和中間階段金屬流動(dòng)整體較為平穩(wěn)，只是在最后階段，在成形件邊角處，金屬流動(dòng)較為劇烈以充填模具模腔。

圖7 行星齒輪架預(yù)制坯過程中速度場分布圖

圖8 行星齒輪架中空多向鍛造成形過程中速度場分布

3.4 等效應(yīng)力分布

通過等效應(yīng)力分布可以看出在成形過程中金屬容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，因?yàn)楫a(chǎn)生應(yīng)力集中的部位一般是模具和坯料接觸最為緊密的區(qū)域，通過最大應(yīng)力也能計(jì)算單位面積壓力是否在模具許用應(yīng)力范圍內(nèi)，從而針對(duì)性地設(shè)計(jì)模具，如圖9所示為行星齒輪架預(yù)制坯過程中等效應(yīng)力分布，圖10所示為行星齒輪架中空多向鍛造成形過程中等效應(yīng)力分布，從圖中可以看出紅色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力值較大區(qū)域，在模具設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮該處結(jié)構(gòu)，比如采用分體結(jié)構(gòu)等方法以降低模具成本，提高換模效率。

圖9 行星齒輪架預(yù)制坯過程中等效應(yīng)力分布

圖10 行星齒輪架中空多向鍛造過程中等效應(yīng)力分布

3.5 載荷-時(shí)間曲線

成形力的大小關(guān)系到設(shè)備噸位的選擇，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具材料選擇等，因此分析成形過程中的載荷十分必要，如圖11 所示為行星齒輪架預(yù)制坯過程中上沖頭的載荷-時(shí)間曲線，從圖11 中可以看出，其載荷隨著時(shí)間的增加而增大，只要是因?yàn)轭A(yù)制坯過程主要為縮頸的過程，隨著變形量的逐漸增大，金屬向下流動(dòng)阻力逐漸增加，變形載荷逐漸增大，最大載荷為1.41 × 106N。圖12 為行星齒輪架中空多向鍛造過程中上沖頭的載荷-時(shí)間曲線，從圖12中可以看出，在成形過程中，曲線分為兩個(gè)部分，第一部分成形力較小，主要是因?yàn)榈谝徊糠謱?shí)際為材料上端的自由鐓粗過程，坯料與凹模沒有接觸，因此成形力較小，載荷突然減小主要是因?yàn)榇藭r(shí)上沖頭停止運(yùn)動(dòng)，4 個(gè)側(cè)沖頭分別向前運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)致上沖頭成形力變小，第二部分實(shí)際為成形件充填模具型腔的過程，隨著變形的增加，模具與坯料行程封閉模腔，金屬流動(dòng)阻力增大，因此成形載荷在后期急劇增加，最大成形力為5.94×106N。

圖11 行星齒輪架預(yù)制坯過程中的載荷-時(shí)間曲線

圖12 行星齒輪架中空多向鍛造過程中的載荷-時(shí)間曲線

3.6 金屬流線分析

在熱加工過程中，金屬中的粗大枝晶、氣孔、疏松和各種夾雜物，都要沿著變形方向伸長，使它們變成帶狀、線狀或片狀，在宏觀試樣上沿著變形方向呈一條條細(xì)線，通常稱為纖維組織，其宏觀痕跡就是加熱工過程中產(chǎn)生的金屬流線，良好的流線一般沿著零件輪廓方向，可以使零件的機(jī)械性能顯著提高。圖13 為成形結(jié)束時(shí)行星齒輪架的金屬流線分布，從圖13 中可以看出，其金屬流線基本沿著其輪廓分布。

圖13 行星齒輪架金屬流線分布

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖14 為行星齒輪架中空多向鍛造模具結(jié)構(gòu)圖，具體動(dòng)作流程為：上滑塊下行帶動(dòng)上沖頭向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)設(shè)定位置后停止，然后前后左右左右缸4 個(gè)缸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)左右沖頭和前后沖頭同時(shí)前進(jìn)，一次成形處側(cè)面4 個(gè)方孔，頂出缸頂出成形件，然后各缸各自退回到初始位置。

圖14 行星齒輪架中空多向鍛造模具結(jié)構(gòu)圖

5 工藝試驗(yàn)

將加工完成的行星齒輪架中空多向鍛造模具安裝于多向壓機(jī)上，進(jìn)行工藝試驗(yàn)，得到了行星齒輪架鍛件，如圖15 所示，經(jīng)過測量，尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，鍛件經(jīng)過加工，未出現(xiàn)鍛造缺陷，如圖16所示為機(jī)加工完成的行星齒輪架零件。充分驗(yàn)證了行星齒輪架中空多向鍛造工藝方案和模具結(jié)構(gòu)的正確性以及數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖15 工藝試驗(yàn)得到的行星齒輪架鍛件

圖16 加工完成的行星齒輪架零件

6 結(jié)語

（1）通過高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了不同溫度和應(yīng)變速率下材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提高了模擬的準(zhǔn)確性。

（2）通過有限元模擬，得到了行星齒輪架預(yù)制坯和中空多向鍛造過程中的金屬流動(dòng)規(guī)律、等效應(yīng)力分布、載荷-時(shí)間曲線，金屬流線分布等，為后續(xù)模具設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

（3）工藝試驗(yàn)得到的行星齒輪架鍛件尺寸符合設(shè)計(jì)要求，說明本文設(shè)計(jì)的行星齒輪架中空多向鍛造工藝是可行的，對(duì)于該類零件的實(shí)際生產(chǎn)起到很好的指導(dǎo)作用。