行星齿轮架中空多向锻造工艺及模具设计＊

2022-06-13刘乐殷银银金宏关悦郑鹏辉万志慧

制造技术与机床 2022年6期

刘乐殷银银金宏关悦郑鹏辉万志慧

（①河南省紧固连接技术重点实验室，河南信阳 464000；②河南航天精工制造有限公司，河南信阳 464000）

行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，具有许多独特优点，最显著的特点是在传递动力时可以进行功率分流，并且输入轴和输出轴处在同一水平线上，广泛用于汽车、飞机以及重型机械的变速箱以及各种工业设备中[1-2]。其中，行星齿轮架是整个行星齿轮系统中承受外力矩最大的零件，其质量决定各行星齿轮间的载荷分配及传动装置的承载能力[3-4]。行星齿轮架传统生产方式主要是圆棒料车削加工、铸造后车削加工及分体焊接等。圆棒料车削加工不仅浪费大量材料，而且在切削加工时会导致金属流线断裂，导致零件强度降低。铸造后车削加工的方式虽能提高材料利用率，但是铸造过程中会产生缩松缩孔等铸造缺陷，导致零件力学性能低下[5-6]。分体焊接的方式存在焊缝易开裂等缺点。无论采用何种方式，都有各自的缺点，该零件加工难点主要是分布在上端面圆周方向的4 个方孔，因此需要寻求一种高效加工方法来提高效率、降低成本。

以某型号行星齿轮架为研究对象，根据零件的结构特点，设计一种行星齿轮架的中空多向锻造工艺，利用有限元模拟软Deform-3D，对行星齿轮架的中空多向锻造工艺进行了数值模拟。根据数值模拟结果，设计相应模具结构，并进行了工艺试验。实验结果表明，本文设计的行星齿轮架中空多向锻造工艺可行，锻件符合设计要求。不仅大大提高了材料利用率和零件的性能，减少了后续车削加工的余量，使得加工效率大大提升，成本显著降低。

1 行星齿轮架零件初步分析

某型号行星齿轮架零件如图1 所示，大端圆周方向4 个方孔用于安装行星齿轮，锻造的难度在于一次锻造出圆周方向的4 个方孔，且4 个方孔位置要求较为精确，对模具结构设计和加工精度要求较高。行星齿轮架材料为20CrMnTi，含碳量为0.17%～0.24%，其具有较高的淬透性，在保证淬透的情况下，特别是具有较高的低温冲击韧性，良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能微小，被广泛用于汽车行星齿轮、轴类和活塞等[7-8]。

图1 行星齿轮架零件

由于有限元模拟软件Deform-3D 材料库中没有该材料的高温流变应力曲线，如图2 所示。为了提高有限元模拟的准确性，得到更加准确的工艺参数，需要对该材料进行高温压缩实验，得到其不同温度和应变速率下的真实应力-应变曲线，并将数据导入Deform-3D 材料库中进行模拟计算。

图2 不同变形条件下20CrMnTi 的真实应力-应变曲线

2 行星齿轮中空多向锻造工艺制定

2.1 锻件设计

根据行星齿轮架零件特点，设计行星齿轮架锻件图，如图3 所示。由上下两部分组成，最大直径120 mm，最小直径38 mm，大端圆周均匀分布4 个方孔，成形难点在于4 个方孔及大端下端边角的充填。

图3 行星齿轮架锻件

2.2 工艺流程

根据现有设备条件，制定了行星齿轮架中空多向锻造工艺：圆棒料—中频感应加热—预制坯—中频感应补热—中空多向锻造，具体工艺流程如图4 所示。

图4 行星齿轮架中空多向锻造工艺流程

2.3 下料尺寸计算

为确保锻件不出现缺料、飞边等缺陷，必须合理确定下料尺寸。根据每一步的变形量确定圆棒料直径，然后根据等体积法计算出坯料的长度[7-8]。计算公式如下[9]

式中：Vm为坯料体积，VD为锻件体积，δ为火耗，对于中频感应加热来说，一般取δ=1%。

3 行星齿轮中空多向锻造工艺数值模拟

3.1 材料模型的建立

为了提高模拟的准确性，首先要建立20CrMnTi材料模型，即流变应力本构方程。一般采用Sellars和Tegart 提出的Arrhenius 函数来表示，即应变速率ε˙、变形激活能Q和变形温度T等因素对合金高温流变应力的影响。其中

根据低应力水平和高应力水平等不同情况，可将式（1）的Arrhenius 函数进行简化如下。

式中：A1、A2、n1、n、σ、β为材料常数；R为气体常数，R=8.314 J·K-1·mol-1。

对式（2）～（4）两边取自然对数，得到

由式（7）可知，在应变速率一定时，假设变形激活能Q不随温度变化，对式（7）进行变形可得

同样可拟合得到 ln[sinh(ασ)]-1 /T的关系曲线，曲线斜率的平均值即为Q/(nR)的值，将n和R代入，可计算出Q=327.869 5 kJ/mol。

Zener 和Hollomon 在总结大量实验数据的基础上，提出利用温度补偿应变速率Zener-Hollomon 参数即Z参数来综合表示变形速率和成形温度T对形变的影响。

两边取自然对数，可得

同样可拟合得到 lnZ-l n[sin(ασ)]的关系曲线，曲线斜率即为n值，可求得n=5.296 0，A=3.54×1011。

将上述求出的参数代入式（4）可得20CrMnTi流变应力本构方程为

3.2 建立有限元模型

有限元模拟技术在塑形成形中的应用，有效避免了模具设计依靠经验、通过不断试验和模具修改来达到模具结构的合理设计这些弊端，不仅可以有效缩短新产品开发周期，而且可以大大降低成本[10-11]。根据制定的行星齿轮架中空多向锻造工艺，通过有限元模拟成形过程来验证工艺的可行性，通过模拟结果可以看出在成形过程中的金属流动规律、载荷-行程曲线、等效应力分布等，这对后续设备选择和模具结构设计都起到十分重要的作用。具体过程是先建立模具和坯料的三维模型，在三维软件中装配完成后，存为STL 格式，导入Deform-3D 模拟软件中，划分网格后设置步数、步长、运动方向、运动速速以及摩擦系数等参数进行模拟计算[12-13]。如图5所示为行星齿轮架预制坯有限元模型，图6 为行星齿轮架中空多向锻造有限元模型。

图5 行星齿轮架预制坯有限元模型

图6 行星齿轮架中空多向锻造有限元模型

3.3 金属流动规律分析

金属流动规律是研究金属的塑性变形过程的重要手段，通过金属流动规律[14]，可以预测零件在实际的生产中金属的流动的大致情况，可以预测缺陷产生的部位，然后通过合理调整工艺参数或模具结构使金属流动平稳，避免剧烈流动，从而降低产生废品的风险。在Deform 后处理中，其速度场分布表示金属在成形过程中的流动规律。图7 所示为预制坯过程中第25 步、56 步、80 步的速度场分布，图8 所示为行星齿轮架中空多向锻造过程中第64 步、128 步、188 步的速度场分布。从图8 中可以看出，在行星齿轮架预制坯和中空多向锻造成形过程中，在初始阶段和中间阶段金属流动整体较为平稳，只是在最后阶段，在成形件边角处，金属流动较为剧烈以充填模具模腔。

图7 行星齿轮架预制坯过程中速度场分布图

图8 行星齿轮架中空多向锻造成形过程中速度场分布

3.4 等效应力分布

通过等效应力分布可以看出在成形过程中金属容易产生应力集中的部位，因为产生应力集中的部位一般是模具和坯料接触最为紧密的区域，通过最大应力也能计算单位面积压力是否在模具许用应力范围内，从而针对性地设计模具，如图9所示为行星齿轮架预制坯过程中等效应力分布，图10所示为行星齿轮架中空多向锻造成形过程中等效应力分布，从图中可以看出红色区域为应力值较大区域，在模具设计时需要重点考虑该处结构，比如采用分体结构等方法以降低模具成本，提高换模效率。

图9 行星齿轮架预制坯过程中等效应力分布

图10 行星齿轮架中空多向锻造过程中等效应力分布

3.5 载荷-时间曲线

成形力的大小关系到设备吨位的选择，模具结构设计、模具材料选择等，因此分析成形过程中的载荷十分必要，如图11 所示为行星齿轮架预制坯过程中上冲头的载荷-时间曲线，从图11 中可以看出，其载荷随着时间的增加而增大，只要是因为预制坯过程主要为缩颈的过程，随着变形量的逐渐增大，金属向下流动阻力逐渐增加，变形载荷逐渐增大，最大载荷为1.41 × 106N。图12 为行星齿轮架中空多向锻造过程中上冲头的载荷-时间曲线，从图12中可以看出，在成形过程中，曲线分为两个部分，第一部分成形力较小，主要是因为第一部分实际为材料上端的自由镦粗过程，坯料与凹模没有接触，因此成形力较小，载荷突然减小主要是因为此时上冲头停止运动，4 个侧冲头分别向前运动，因此导致上冲头成形力变小，第二部分实际为成形件充填模具型腔的过程，随着变形的增加，模具与坯料行程封闭模腔，金属流动阻力增大，因此成形载荷在后期急剧增加，最大成形力为5.94×106N。

图11 行星齿轮架预制坯过程中的载荷-时间曲线

图12 行星齿轮架中空多向锻造过程中的载荷-时间曲线

3.6 金属流线分析

在热加工过程中，金属中的粗大枝晶、气孔、疏松和各种夹杂物，都要沿着变形方向伸长，使它们变成带状、线状或片状，在宏观试样上沿着变形方向呈一条条细线，通常称为纤维组织，其宏观痕迹就是加热工过程中产生的金属流线，良好的流线一般沿着零件轮廓方向，可以使零件的机械性能显著提高。图13 为成形结束时行星齿轮架的金属流线分布，从图13 中可以看出，其金属流线基本沿着其轮廓分布。