行星齒輪架中空多向鍛造工藝及模具設計＊

劉樂 殷銀銀 金宏 關悅 鄭鵬輝 萬志慧

（①河南省緊固連接技術重點實驗室，河南 信陽 464000；②河南航天精工制造有限公司，河南 信陽 464000）

行星齒輪傳動與普通齒輪傳動相比，具有許多獨特優點，最顯著的特點是在傳遞動力時可以進行功率分流，并且輸入軸和輸出軸處在同一水平線上，廣泛用于汽車、飛機以及重型機械的變速箱以及各種工業設備中[1-2]。其中，行星齒輪架是整個行星齒輪系統中承受外力矩最大的零件，其質量決定各行星齒輪間的載荷分配及傳動裝置的承載能力[3-4]。行星齒輪架傳統生產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大量材料，而且在切削加工時會導致金屬流線斷裂，導致零件強度降低。鑄造后車削加工的方式雖能提高材料利用率，但是鑄造過程中會產生縮松縮孔等鑄造缺陷，導致零件力學性能低下[5-6]。分體焊接的方式存在焊縫易開裂等缺點。無論采用何種方式，都有各自的缺點，該零件加工難點主要是分布在上端面圓周方向的4 個方孔，因此需要尋求一種高效加工方法來提高效率、降低成本。

以某型號行星齒輪架為研究對象，根據零件的結構特點，設計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，對行星齒輪架的中空多向鍛造工藝進行了數值模擬。根據數值模擬結果，設計相應模具結構，并進行了工藝試驗。實驗結果表明，本文設計的行星齒輪架中空多向鍛造工藝可行，鍛件符合設計要求。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

某型號行星齒輪架零件如圖1 所示，大端圓周方向4 個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 個方孔，且4 個方孔位置要求較為精確，對模具結構設計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力曲線，如圖2 所示。為了提高有限元模擬的準確性，得到更加準確的工藝參數，需要對該材料進行高溫壓縮實驗，得到其不同溫度和應變速率下的真實應力-應變曲線，并將數據導入Deform-3D 材料庫中進行模擬計算。

圖2 不同變形條件下20CrMnTi 的真實應力-應變曲線

2 行星齒輪中空多向鍛造工藝制定

2.1 鍛件設計

根據行星齒輪架零件特點，設計行星齒輪架鍛件圖，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 個方孔，成形難點在于4 個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

根據現有設備條件，制定了行星齒輪架中空多向鍛造工藝：圓棒料—中頻感應加熱—預制坯—中頻感應補熱—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 下料尺寸計算

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

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

3 行星齒輪中空多向鍛造工藝數值模擬

3.1 材料模型的建立

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

根據低應力水平和高應力水平等不同情況，可將式（1）的Arrhenius 函數進行簡化如下。

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

對式（2）～（4）兩邊取自然對數，得到

由式（7）可知，在應變速率一定時，假設變形激活能Q不隨溫度變化，對式（7）進行變形可得

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

Zener 和Hollomon 在總結大量實驗數據的基礎上，提出利用溫度補償應變速率Zener-Hollomon 參數即Z參數來綜合表示變形速率和成形溫度T對形變的影響。

兩邊取自然對數，可得

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

將上述求出的參數代入式（4）可得20CrMnTi流變應力本構方程為

3.2 建立有限元模型

有限元模擬技術在塑形成形中的應用，有效避免了模具設計依靠經驗、通過不斷試驗和模具修改來達到模具結構的合理設計這些弊端，不僅可以有效縮短新產品開發周期，而且可以大大降低成本[10-11]。根據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證工藝的可行性，通過模擬結果可以看出在成形過程中的金屬流動規律、載荷-行程曲線、等效應力分布等，這對后續設備選擇和模具結構設計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，導入Deform-3D 模擬軟件中，劃分網格后設置步數、步長、運動方向、運動速速以及摩擦系數等參數進行模擬計算[12-13]。如圖5所示為行星齒輪架預制坯有限元模型，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 金屬流動規律分析

金屬流動規律是研究金屬的塑性變形過程的重要手段，通過金屬流動規律[14]，可以預測零件在實際的生產中金屬的流動的大致情況，可以預測缺陷產生的部位，然后通過合理調整工藝參數或模具結構使金屬流動平穩，避免劇烈流動，從而降低產生廢品的風險。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規律。圖7 所示為預制坯過程中第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整體較為平穩，只是在最后階段，在成形件邊角處，金屬流動較為劇烈以充填模具模腔。

圖7 行星齒輪架預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 等效應力分布

通過等效應力分布可以看出在成形過程中金屬容易產生應力集中的部位，因為產生應力集中的部位一般是模具和坯料接觸最為緊密的區域，通過最大應力也能計算單位面積壓力是否在模具許用應力范圍內，從而針對性地設計模具，如圖9所示為行星齒輪架預制坯過程中等效應力分布，圖10所示為行星齒輪架中空多向鍛造成形過程中等效應力分布，從圖中可以看出紅色區域為應力值較大區域，在模具設計時需要重點考慮該處結構，比如采用分體結構等方法以降低模具成本，提高換模效率。

圖9 行星齒輪架預制坯過程中等效應力分布

圖10 行星齒輪架中空多向鍛造過程中等效應力分布

3.5 載荷-時間曲線

成形力的大小關系到設備噸位的選擇，模具結構設計、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制坯過程中上沖頭的載荷-時間曲線，從圖11 中可以看出，其載荷隨著時間的增加而增大，只要是因為預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-時間曲線，從圖12中可以看出，在成形過程中，曲線分為兩個部分，第一部分成形力較小，主要是因為第一部分實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為此時上沖頭停止運動，4 個側沖頭分別向前運動，因此導致上沖頭成形力變小，第二部分實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 行星齒輪架預制坯過程中的載荷-時間曲線

圖12 行星齒輪架中空多向鍛造過程中的載荷-時間曲線

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線，通常稱為纖維組織，其宏觀痕跡就是加熱工過程中產生的金屬流線，良好的流線一般沿著零件輪廓方向，可以使零件的機械性能顯著提高。圖13 為成形結束時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 模具結構設計及實驗驗證

圖14 為行星齒輪架中空多向鍛造模具結構圖，具體動作流程為：上滑塊下行帶動上沖頭向下運動，到達設定位置后停止，然后前后左右左右缸4 個缸同時運動，帶動左右沖頭和前后沖頭同時前進，一次成形處側面4 個方孔，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構圖

5 工藝試驗

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上，進行工藝試驗，得到了行星齒輪架鍛件，如圖15 所示，經過測量，尺寸達到設計要求，鍛件經過加工，未出現鍛造缺陷，如圖16所示為機加工完成的行星齒輪架零件。充分驗證了行星齒輪架中空多向鍛造工藝方案和模具結構的正確性以及數值模擬結果的準確性。

圖15 工藝試驗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 結語

（1）通過高溫壓縮實驗，得到了不同溫度和應變速率下材料的真實應力-應變曲線，提高了模擬的準確性。

（2）通過有限元模擬，得到了行星齒輪架預制坯和中空多向鍛造過程中的金屬流動規律、等效應力分布、載荷-時間曲線，金屬流線分布等，為后續模具設計提供了依據。

（3）工藝試驗得到的行星齒輪架鍛件尺寸符合設計要求，說明本文設計的行星齒輪架中空多向鍛造工藝是可行的，對于該類零件的實際生產起到很好的指導作用。