一種行星齒輪架鍛造工藝的設(shè)計與優(yōu)化

文／張向卓·陜西法士特齒輪有限責任公司

針對我公司某行星齒輪架產(chǎn)品，結(jié)合Deform 有限元模擬軟件和實際生產(chǎn)狀況，優(yōu)化出最佳的鍛造工藝設(shè)計方案。同時采用切邊沖孔復合模剛性校壓，保證了該異形鍛件的充滿性和輪廓度。

行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)是機械傳動系統(tǒng)中常見的一種結(jié)構(gòu)，而行星齒輪架是行星齒輪傳動的主要組成零件之一，常見的行星齒輪架一般都是結(jié)構(gòu)復雜的異形零件，圖1 為我司需求量較大的某行星齒輪架產(chǎn)品零件的三維示意圖，該產(chǎn)品外徑為φ230mm，總厚度100mm,內(nèi)孔直徑φ100mm。

圖1 行星齒輪架零件三維示意圖

該行星齒輪架除了部分安裝連接的部位要加工外，其余位置均為由鍛造保證的非加工面，但是非加工面的輪廓度要求較高。因此，該件在設(shè)計鍛造工藝時最需要注意的有以下兩點：

⑴如何保證鍛件的充滿性，尤其是上端面的四個凸臺位置的充滿性。

⑵如何保證零件非加工部分的輪廓度達到要求。

本文針對圖1 所示行星齒輪架零件，通過先期理論計算以及成形過程仿真模擬，設(shè)計一種合理的鍛造成形方案。

工藝設(shè)計

鍛件毛坯圖設(shè)計

一般情況下，鍛件的尺寸精度和表面粗糙度達不到零件圖的要求，鍛件表面應留有供機械加工用的金屬層，這層金屬稱為機械加工余量。余量大小的確定與零件的形狀尺寸、加工精度、表面要求、鍛造加熱質(zhì)量、設(shè)備工具精度和操作技術(shù)水平有關(guān)。本文中，以圖1 所示零件圖為基礎(chǔ)增加余量設(shè)計鍛件毛坯圖。

成形方案設(shè)計

鍛件毛坯圖設(shè)計出之后，下一步需設(shè)計熱鍛件圖，熱鍛件圖的設(shè)計與隨后的模具設(shè)計有著直接聯(lián)系。針對不同的鍛造設(shè)備，會有不同的熱鍛件圖設(shè)計思路。由于上述行星齒輪架零件形狀復雜，為保證鍛件的充滿性以及非加工面鍛造精度，選擇在多工位鍛壓機上生產(chǎn)，通過鐓粗、預制坯、終鍛三步成形,并通過沖孔切邊獲得最終鍛件。

其中最終成形由終鍛模具形狀決定，主要是設(shè)計出終鍛熱鍛件圖，而終鍛熱鍛件圖是通過對冷鍛件毛坯圖考慮熱脹量后而設(shè)計，本文中采用熱脹量為1.5%，即將冷鍛件整體尺寸乘以1.015 即可獲得終鍛工步圖。鐓粗工步和預鍛都是為了保證終鍛工步最終成形而設(shè)計。

圖2 為包括鐓粗、預制坯以及終鍛的熱鍛件圖設(shè)計方案，其中終鍛工步圖未畫出飛邊，在本次工步圖的設(shè)計中，鐓粗和預鍛形狀接近，兩者最大區(qū)別是預鍛外圓有限制，保證預鍛放在終鍛中的位置準確。

圖2 鐓粗、預鍛以及終鍛的熱鍛件圖

成形過程仿真模擬

設(shè)計出工步圖后，需要使用Deform 三維有限元進行模擬，以確保設(shè)計的有效性，避免實際生產(chǎn)中浪費時間。因為鐓粗與預鍛形狀接近，在模擬中將鐓粗工序直接模擬到預鍛所要尺寸，隨后放置于終鍛型腔。

圖3 所示的是鐓粗開始狀態(tài)以及結(jié)束狀態(tài)。本次采用二分之一模型進行模擬，以加快模擬進程。鐓粗采用成形鐓粗，其目的是保證下方坯料能夠充滿型腔。其中黃色為坯料，上下灰色物體為上下模具。

圖3 鐓粗模擬過程

由圖4 可以看出整個成形過程的大致情況。料段放入鐓粗下模時定位良好，鐓粗均勻，預鍛件放入終鍛型腔中時，預鍛件坯料外圓正好卡在凸臺中間，這樣鍛件就可以很好的定位，隨后上模不斷擠壓，坯料流動成形，最終達到圖4 所示的狀態(tài)，最終鍛件排出飛邊，鍛件充滿成形。

圖4 預鍛及終鍛最終成形狀態(tài)

模具圖紙設(shè)計及實際生產(chǎn)情況

通過前面已經(jīng)得到的工步圖，很容易就設(shè)計出模具圖紙，此處需要注意的是終鍛上模形狀復雜，需要同時使用上、下頂出以保證出模順利，可以連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，如圖5 所示。

圖5 終鍛件及最終沖孔切邊后的鍛件

通過實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過前期的三維仿真模擬，成形過程基本可以保證穩(wěn)定生產(chǎn)，鍛件切邊前尺寸及輪廓度等均可以滿足圖紙公差要求，但是由于采用普通的沖孔切邊，沖孔切邊后鍛件變形，導致部分尺寸無法滿足圖紙要求，最明顯的是非加工面的輪廓度，因此生產(chǎn)工藝還需進一步優(yōu)化。

工藝優(yōu)化

通過前期生產(chǎn)可以看出成形過程基本可以保證鍛件的成形質(zhì)量，目前無需改進，亟待解決的問題是沖孔切邊引起的鍛件變形問題，原來采用的是沖孔切邊順序模，沖孔切邊時鍛件非加工面均處于自由狀態(tài)，沖孔和切邊坯料撕裂斷離的拉力導致鍛件非加工面變形嚴重，因此需要對鍛件增加校正工序。

單獨增加校正需要多增加一道工序和一臺設(shè)備，生產(chǎn)成本會大幅增加，因此考慮通過采用沖孔切邊復合模，在沖孔切邊的同時，通過調(diào)整設(shè)備閉合高度，利用頂出器和凹模對鍛件進行剛性壓緊校正。

沖孔切邊校正模的設(shè)計核心在于模具與鍛件間隙的設(shè)計。間隙過大時鍛件定位不好，無法獲得良好的校正作用。間隙太小時又容易導致鍛件不容易放到位或者校正后抱緊模具，不方便取出的情況。本次沖孔切邊的生產(chǎn)方案是將尚未切邊沖孔的熱鍛件放置于切邊凸模(圖6)，熱鍛件四個凸臺側(cè)面與切邊凸模之間的間隙為0.15mm，此間隙可保證鍛件準確定位。并且這樣的設(shè)計可以簡化校正模的設(shè)計。

圖6 凸模及改進后重新生產(chǎn)的鍛件

按此方案重新設(shè)計沖孔切邊工裝并進行生產(chǎn)驗證。最獲得的鍛件如圖6 所示，對改進后的鍛件進行3D 掃描測量，檢驗校正效果并檢測非加工面輪廓度，結(jié)果如圖7 所示。從檢測結(jié)果可以看出校正效果良好，可以很好的保證鍛件非加工面的輪廓度要求。

圖7 行星齒輪架鍛件非加工部位輪廓度檢測結(jié)果

結(jié)論

本文通過對該行星齒輪架鍛造工藝的設(shè)計及優(yōu)化過程可以得出以下結(jié)論：

⑴復雜異形件的生產(chǎn)需采用合適的鍛造生產(chǎn)工藝，該行星齒輪架采用開式生產(chǎn)，需保證預鍛件在終鍛型腔合理定位才能保證鍛件充滿性。

⑵采用切邊沖孔復合模并通過調(diào)整設(shè)備閉合高度，沖孔切邊的同時對鍛件進行剛性校壓，可以簡化生產(chǎn)步驟，并且對鍛件的變形可以有很好的校正作用。