一種行星齒輪支架成形工藝的研究

文/袁海兵，楊益，李明明，朱衛，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，在通用壓機上采用冷鍛—沖壓聯合成形的工藝，并給出了其成形的工序圖；利用Deform模擬軟件，分析預測了其主要成形工序的等效應力、成形載荷等；基于模擬結果開展了生產試驗驗證，試驗結果表明，冷鍛—沖壓聯合成形工藝可以獲得符合相關要求的鍛件。該成形工藝具有較好的經濟效益，可為同類鍛件的冷鍛工藝開發提供參考。

行星齒輪傳動與普通齒輪傳動相比，其在傳遞動力時可以進行功率的分流，并且輸入軸和輸出軸處在同一水平線上，在汽車的自動變速器中，利用離合器和制動器改變各個構件的相對運動關系從而獲得不同的傳動比。行星齒輪支架是行星齒輪機構中用來支撐和固定行星齒輪運轉的零件，它可以隨著行星齒輪一同轉動，也可以單獨鎖止，從而改變齒輪旋轉狀態，達到控制車輪轉動狀態的目的。

目前，行星齒輪支架的生產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品。對于上述采用的加工方法，其在生產及產品質量等方面，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斷裂；粉末冶金由于其加工過程中應力的變化，導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，導致反擠模具壽命低，同時外圓面需留有大的加工余量用于后續車削，造成了材料的浪費。

本文以某行星齒輪支架為研究對象，以獲得適合穩定批量生產的成形工藝，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—沖壓聯合成形工藝展開研究，探尋其工藝可行性，為其生產應用提供參考。

鍛件圖分析

圖1 為行星齒輪支架的鍛件圖，是根據某車型的齒輪支架零件圖、技術要求及結合鍛造成形工藝特點繪制而成，鍛件材料為SAE1020，對應三維模型如圖2 所示。該零件由耳部和底端兩部分構成，內腔部分后續均不加工，僅外圓和底厚平面留有部分加工余量。考慮產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，同時結合公司在鍛造生產上的經驗，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，根據體積不變原則，確定其落料長度。后續通過兩道溫鍛鐓粗成形，獲得設計要求的擠壓坯料，該擠壓坯料也可采用板材落料的方式進一步降低生產成本。擠壓坯料經過軟化處理和表面處理后進行反擠，獲得符合設計要求的杯形件，計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%)并降低產品硬度(≤70HRB)。考慮到φ27.5mm 的孔為后續加工基準，故通過車削的方式確保內孔的一致性。針對5 個小孔和側窗開口，利用機加工的方式去除材料雖然可行，但是需要采購專機，不但投資成本較大，同時加工節拍較慢，不利于大批量生產。針對產品結構特征，分析壁厚及底厚，其厚度適中且均勻，故計劃采用沖切的方式獲得。利用經驗公式計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，生產過程穩定，具備一定的可生產性，同時公司設備的多樣性也為生產提供了保證，下面結合CAE 模擬進一步驗證工藝可行性。

模擬分析

考慮到產品的對稱性和模擬時間，選取產品的1/10 利用Defrom 3D 軟件的MO 模塊進行模擬。模擬溫度為20℃，摩擦條件采用剪切摩擦模型，摩擦因子設為0.12；凸模擠壓速度根據實際擠壓設備進行近似調整，建立如圖4 所示的Deform 模型。

等效應力分析

圖5 為行星齒輪支架在成形過程中各工序的等效應力云圖。從圖中可以看出，反擠過程中，最大等效應力在800MPa 左右，應力分布均勻，應力集中在整個反擠內腔底部，未發現明顯應力集中局域，滿足擠壓條件下的應力分布；沖小孔和沖側窗過程中，最大等效應力在1000MPa 左右，應力分布集中在凸模的四周，且均沿著凸模的運動方向延伸，直到沖切終了。模擬過程中等效應力未發現明顯異常，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，載荷可以分為三個階段，起始階段，毛坯在凸模作用下開始進入塑性變形階段，此時材料尚未充填滿型腔，成形力緩慢上升；隨著凸模的繼續下壓，材料開始進入劇烈變形階段，該階段成形載荷開始急劇上升，載荷上升到1600 噸左右，隨后擠壓進入平穩階段，擠壓載荷趨于平緩，維持在1650 噸左右，直至成形終了；在沖孔和沖側窗的載荷圖中均可發現，載荷先是急劇上升，然后急劇下降，這是由于載荷迅速達到材料的剪切強度，材料開始發生分離，隨后載荷開始迅速下降，直至材料完成分離。從圖中可以發現，反擠成形最大噸位大概在1690 噸，沖5 個小孔沖裁力大約62 噸，沖單個側窗沖裁力為30 噸，與經驗公式結果接近。

工藝試驗

根據給出的方案進行工藝試驗，經過下料→溫鍛制坯→球化退火→拋丸→磷皂化→反擠→鏜內孔→沖小孔→沖側窗等工藝，獲得了如圖7 所示的制件。仔細觀察各工序的制件，發現整體外觀成形良好，尺寸合格，滿足設計要求，且與模擬結果基本吻合。工藝試驗的結果驗證了工藝方案的可行性和模擬分析的準確性。

結論

⑴通過對零件結構的分析，設計出符合產品要求的生產工藝，較好地解決了現有工藝加工周期長、模具壽命低等問題。

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

⑶基于工藝試驗，獲得了較好的試驗效果，所獲制件不管是外觀還是尺寸均符合圖紙要求，試驗結果與數值模擬結果基本吻合，同時進一步驗證了工藝的可行性和可靠性，以上研究對該類零件的實際生產具有指導意義。