文/王歡·湖州劍力金屬制品有限公司洛舍分公司

孟凡林·浙江天馬軸承集團有限公司

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

在與自主品牌變速箱客戶合作過程中，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，鍛造成形難度較高。并且因為目前沒有近似產(chǎn)品的鍛造經(jīng)驗，所以對此產(chǎn)品的鍛造成形可行性進行了評審，經(jīng)評估后認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，同時為新產(chǎn)品的量產(chǎn)開模做準備。決定通過Deform-3D有限元模擬軟件對該產(chǎn)品鍛造成形工藝進行先期模擬和分析，驗證該產(chǎn)品鍛造的可行性。

鍛造工藝與模具設(shè)計

鍛件設(shè)計

此后行星齒輪支架材料使用SAE1020，為美標鋼種，相當于國標20鋼，屬于優(yōu)質(zhì)低碳碳素結(jié)構(gòu)鋼，此牌號鋼的強度較低，塑性好，通常經(jīng)滲碳后使用，以達到表面硬度高、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，支架盤底厚度8mm，五個支架扣高度45.1mm，支架扣頂部內(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，與電動螺旋壓力機或摩擦壓力機相比，直觀表現(xiàn)為滑塊的打擊速度更快、動作更平穩(wěn)、鍛件與模具的接觸時間更短、可以實現(xiàn)多工位自動化模鍛，使生產(chǎn)效率更高；綜合諸多優(yōu)勢，選用熱模鍛壓力機。

模具設(shè)計

對于該產(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，但是這樣的話上模型腔太深而下模型腔很淺，會導(dǎo)致鍛件在上模的粘附力遠大于下模的粘附力，導(dǎo)致脫模時容易粘上模腔。

同時，受限于目前設(shè)備和模座結(jié)構(gòu)的原因，上模無法加裝頂桿，對于粘上模腔的現(xiàn)象很難有明顯改善，導(dǎo)致在實際生產(chǎn)時對生產(chǎn)節(jié)拍、模具冷卻等有很大影響，最終結(jié)果會使模具壽命降低、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，這樣半閉式橋部可以直接設(shè)計成簡單的回轉(zhuǎn)體形式，橋部飛邊厚度為2mm，飛邊間隙設(shè)計為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)域在終鍛時的缺陷，在預(yù)鍛上模對應(yīng)支架扣根部的位置，特意增加五個半球形儲料凸臺(圖3)，確保在精鍛過程中支架扣頂部填充飽滿。

圖3 預(yù)鍛件示意圖

終鍛模具為一般的開式模(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

因產(chǎn)品大平面厚度較薄，SAE1020鋼熱鍛時材質(zhì)較軟，鍛件在脫模頂出、沖孔和切邊的過程中會產(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。工藝路線圖如圖5所示。

圖5 工藝路線圖

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)，熱對流系數(shù)0.02N/(sec·mm·C)；

運動與步長：上模運動速度350mm/s，步長值0.1mm。

鍛造成形力計算

根據(jù)熱模鍛常用鍛造成形力經(jīng)驗公式(鍛模設(shè)計手冊(第2版)呂炎)計算：

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。

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，鍛件底部成形飽滿，支架扣頂部成形未滿(預(yù)鍛體積設(shè)計比終鍛大)，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，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，且無明顯集中點。

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，鍛件的溫度、噸位和成形填充情況。鍛件成形飽滿、無缺肉現(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)驗公式計算值(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

當終鍛尺寸到位時，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，且無明顯集中點。

圖10 終鍛等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布云圖

對該變速箱后行星齒輪支架鍛件的鍛造成形有限元模擬，可以直觀查看整個鍛造成形過程。通過對成形過程中鍛件的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等的變化和分布的綜合分析，認為針對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)計的模具提前開模、打樣。

結(jié)束語

通過借助Deform-3D有限元模擬軟件，對所設(shè)計的鍛造成形工藝進行先期模擬、分析，可以在避免試模的情況下，驗證成形工藝的可行性，并且能夠預(yù)測在成形過程中可能存在的一些缺陷。進而針對出現(xiàn)的問題可以提前進行優(yōu)化和模具結(jié)構(gòu)更改，進而減少試模和工藝改進所消耗的大量時間和經(jīng)濟成本。