文/袁海兵，楊益，李明明，朱衛(wèi)，黃偉·江蘇森威精鍛有限公司

本文以某變速箱的齒輪支架為研究對象，在通用壓機(jī)上采用冷鍛—沖壓聯(lián)合成形的工藝，并給出了其成形的工序圖；利用Deform模擬軟件，分析預(yù)測了其主要成形工序的等效應(yīng)力、成形載荷等；基于模擬結(jié)果開展了生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，冷鍛—沖壓聯(lián)合成形工藝可以獲得符合相關(guān)要求的鍛件。該成形工藝具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，可為同類鍛件的冷鍛工藝開發(fā)提供參考。

行星齒輪傳動(dòng)與普通齒輪傳動(dòng)相比，其在傳遞動(dòng)力時(shí)可以進(jìn)行功率的分流，并且輸入軸和輸出軸處在同一水平線上，在汽車的自動(dòng)變速器中，利用離合器和制動(dòng)器改變各個(gè)構(gòu)件的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系從而獲得不同的傳動(dòng)比。行星齒輪支架是行星齒輪機(jī)構(gòu)中用來支撐和固定行星齒輪運(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)到控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的目的。

目前，行星齒輪支架的生產(chǎn)方法有的為分別成形耳部和底端，然后通過焊接的方式獲得整體產(chǎn)品；有的通過粉末冶金的加工方式得到；有的采用冷反擠工藝得到毛坯，然后通過材料去除的方式獲得符合要求的產(chǎn)品。對于上述采用的加工方法，其在生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量等方面，均存在一些問題，焊接件在高扭矩的條件下，耳部與底端焊接處容易出現(xiàn)斷裂；粉末冶金由于其加工過程中應(yīng)力的變化，導(dǎo)致底端部分容易開裂；而冷反擠的加工方式，雖然加工過程簡單，但是因需要反擠異形截面，導(dǎo)致反擠模具壽命低，同時(shí)外圓面需留有大的加工余量用于后續(xù)車削，造成了材料的浪費(fèi)。

本文以某行星齒輪支架為研究對象，以獲得適合穩(wěn)定批量生產(chǎn)的成形工藝，基于剛塑性有限元理論，利用有限元分析軟件，對行星齒輪冷鍛—沖壓聯(lián)合成形工藝展開研究，探尋其工藝可行性，為其生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

鍛件圖分析

圖1 為行星齒輪支架的鍛件圖，是根據(jù)某車型的齒輪支架零件圖、技術(shù)要求及結(jié)合鍛造成形工藝特點(diǎn)繪制而成，鍛件材料為SAE1020，對應(yīng)三維模型如圖2 所示。該零件由耳部和底端兩部分構(gòu)成，內(nèi)腔部分后續(xù)均不加工，僅外圓和底厚平面留有部分加工余量?？紤]產(chǎn)品使用的材料和其尺寸精度、表面粗糙度的要求，選擇冷成形工藝。

工藝分析

基于對鍛件圖的分析，同時(shí)結(jié)合公司在鍛造生產(chǎn)上的經(jīng)驗(yàn)，制定了如圖3 所示的工序圖。從圖3 中可以看出，落料采用直徑φ48.5mm 的棒料，根據(jù)體積不變原則，確定其落料長度。后續(xù)通過兩道溫鍛鐓粗成形，獲得設(shè)計(jì)要求的擠壓坯料，該擠壓坯料也可采用板材落料的方式進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。擠壓坯料經(jīng)過軟化處理和表面處理后進(jìn)行反擠，獲得符合設(shè)計(jì)要求的杯形件，計(jì)算其成形噸位大約在1600 噸。該反擠工序的擠壓變形量為80.9%，變形量較大，故軟化處理需盡可能提高其球化率(≥85%)并降低產(chǎn)品硬度(≤70HRB)?？紤]到φ27.5mm 的孔為后續(xù)加工基準(zhǔn)，故通過車削的方式確保內(nèi)孔的一致性。針對5 個(gè)小孔和側(cè)窗開口，利用機(jī)加工的方式去除材料雖然可行，但是需要采購專機(jī)，不但投資成本較大，同時(shí)加工節(jié)拍較慢，不利于大批量生產(chǎn)。針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，分析壁厚及底厚，其厚度適中且均勻，故計(jì)劃采用沖切的方式獲得。利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出其單次沖裁力分別為72.5 噸和40.2 噸。通過分析該工藝成形噸位適中，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，具備一定的可生產(chǎn)性，同時(shí)公司設(shè)備的多樣性也為生產(chǎn)提供了保證，下面結(jié)合CAE 模擬進(jìn)一步驗(yàn)證工藝可行性。

模擬分析

考慮到產(chǎn)品的對稱性和模擬時(shí)間，選取產(chǎn)品的1/10 利用Defrom 3D 軟件的MO 模塊進(jìn)行模擬。模擬溫度為20℃，摩擦條件采用剪切摩擦模型，摩擦因子設(shè)為0.12；凸模擠壓速度根據(jù)實(shí)際擠壓設(shè)備進(jìn)行近似調(diào)整，建立如圖4 所示的Deform 模型。

等效應(yīng)力分析

圖5 為行星齒輪支架在成形過程中各工序的等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，反擠過程中，最大等效應(yīng)力在800MPa 左右，應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中在整個(gè)反擠內(nèi)腔底部，未發(fā)現(xiàn)明顯應(yīng)力集中局域，滿足擠壓條件下的應(yīng)力分布；沖小孔和沖側(cè)窗過程中，最大等效應(yīng)力在1000MPa 左右，應(yīng)力分布集中在凸模的四周，且均沿著凸模的運(yùn)動(dòng)方向延伸，直到?jīng)_切終了。模擬過程中等效應(yīng)力未發(fā)現(xiàn)明顯異常，均符合一般擠壓和沖壓要求。

成形載荷分析

圖6 為行星齒輪支架在成形過程中某工序的行程—載荷圖。在反擠載荷圖中可以看出，載荷可以分為三個(gè)階段，起始階段，毛坯在凸模作用下開始進(jìn)入塑性變形階段，此時(shí)材料尚未充填滿型腔，成形力緩慢上升；隨著凸模的繼續(xù)下壓，材料開始進(jìn)入劇烈變形階段，該階段成形載荷開始急劇上升，載荷上升到1600 噸左右，隨后擠壓進(jìn)入平穩(wěn)階段，擠壓載荷趨于平緩，維持在1650 噸左右，直至成形終了；在沖孔和沖側(cè)窗的載荷圖中均可發(fā)現(xiàn)，載荷先是急劇上升，然后急劇下降，這是由于載荷迅速達(dá)到材料的剪切強(qiáng)度，材料開始發(fā)生分離，隨后載荷開始迅速下降，直至材料完成分離。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，反擠成形最大噸位大概在1690 噸，沖5 個(gè)小孔沖裁力大約62 噸，沖單個(gè)側(cè)窗沖裁力為30 噸，與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果接近。

工藝試驗(yàn)

根據(jù)給出的方案進(jìn)行工藝試驗(yàn)，經(jīng)過下料→溫鍛制坯→球化退火→拋丸→磷皂化→反擠→鏜內(nèi)孔→沖小孔→沖側(cè)窗等工藝，獲得了如圖7 所示的制件。仔細(xì)觀察各工序的制件，發(fā)現(xiàn)整體外觀成形良好，尺寸合格，滿足設(shè)計(jì)要求，且與模擬結(jié)果基本吻合。工藝試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了工藝方案的可行性和模擬分析的準(zhǔn)確性。

結(jié)論

⑴通過對零件結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)出符合產(chǎn)品要求的生產(chǎn)工藝，較好地解決了現(xiàn)有工藝加工周期長、模具壽命低等問題。

⑵基于模擬分析，分別從等效應(yīng)力、成形載荷等方面對行星齒輪支架的成形過程進(jìn)行分析，很好地驗(yàn)證了工藝的可行性并對設(shè)備的選擇提供了參考。

⑶基于工藝試驗(yàn)，獲得了較好的試驗(yàn)效果，所獲制件不管是外觀還是尺寸均符合圖紙要求，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了工藝的可行性和可靠性，以上研究對該類零件的實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。