一種行星齒輪架鍛造工藝的設計與優化

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品，結合Deform 有限元模擬軟件和實際生產狀況，優化出最佳的鍛造工藝設計方案。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。

行星齒輪傳動結構是機械傳動系統中常見的一種結構，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構復雜的異形零件，圖1 為我司需求量較大的某行星齒輪架產品零件的三維示意圖，該產品外徑為φ230mm，總厚度100mm,內孔直徑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，設計一種合理的鍛造成形方案。

工藝設計

鍛件毛坯圖設計

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、鍛造加熱質量、設備工具精度和操作技術水平有關。本文中，以圖1 所示零件圖為基礎增加余量設計鍛件毛坯圖。

成形方案設計

鍛件毛坯圖設計出之后，下一步需設計熱鍛件圖，熱鍛件圖的設計與隨后的模具設計有著直接聯系。針對不同的鍛造設備，會有不同的熱鍛件圖設計思路。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，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計。

圖2 為包括鐓粗、預制坯以及終鍛的熱鍛件圖設計方案，其中終鍛工步圖未畫出飛邊，在本次工步圖的設計中，鐓粗和預鍛形狀接近，兩者最大區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

設計出工步圖后，需要使用Deform 三維有限元進行模擬，以確保設計的有效性，避免實際生產中浪費時間。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以及結束狀態。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，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

模具圖紙設計及實際生產情況

通過前面已經得到的工步圖，很容易就設計出模具圖紙，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，可以連續穩定生產，如圖5 所示。

圖5 終鍛件及最終沖孔切邊后的鍛件

通過實際生產發現，經過前期的三維仿真模擬，成形過程基本可以保證穩定生產，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，因此生產工藝還需進一步優化。

工藝優化

通過前期生產可以看出成形過程基本可以保證鍛件的成形質量，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，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備，生產成本會大幅增加，因此考慮通過采用沖孔切邊復合模，在沖孔切邊的同時，通過調整設備閉合高度，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計核心在于模具與鍛件間隙的設計。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。并且這樣的設計可以簡化校正模的設計。

圖6 凸模及改進后重新生產的鍛件

按此方案重新設計沖孔切邊工裝并進行生產驗證。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，結果如圖7 所示。從檢測結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果

結論

本文通過對該行星齒輪架鍛造工藝的設計及優化過程可以得出以下結論：

⑴復雜異形件的生產需采用合適的鍛造生產工藝，該行星齒輪架采用開式生產，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整設備閉合高度，沖孔切邊的同時對鍛件進行剛性校壓，可以簡化生產步驟，并且對鍛件的變形可以有很好的校正作用。