一种行星齿轮支架成形工艺的研究

文/袁海兵，杨益，李明明，朱卫，黄伟·江苏森威精锻有限公司

本文以某变速箱的齿轮支架为研究对象，在通用压机上采用冷锻—冲压联合成形的工艺，并给出了其成形的工序图；利用Deform模拟软件，分析预测了其主要成形工序的等效应力、成形载荷等；基于模拟结果开展了生产试验验证，试验结果表明，冷锻—冲压联合成形工艺可以获得符合相关要求的锻件。该成形工艺具有较好的经济效益，可为同类锻件的冷锻工艺开发提供参考。

行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，其在传递动力时可以进行功率的分流，并且输入轴和输出轴处在同一水平线上，在汽车的自动变速器中，利用离合器和制动器改变各个构件的相对运动关系从而获得不同的传动比。行星齿轮支架是行星齿轮机构中用来支撑和固定行星齿轮运转的零件，它可以随着行星齿轮一同转动，也可以单独锁止，从而改变齿轮旋转状态，达到控制车轮转动状态的目的。

目前，行星齿轮支架的生产方法有的为分别成形耳部和底端，然后通过焊接的方式获得整体产品；有的通过粉末冶金的加工方式得到；有的采用冷反挤工艺得到毛坯，然后通过材料去除的方式获得符合要求的产品。对于上述采用的加工方法，其在生产及产品质量等方面，均存在一些问题，焊接件在高扭矩的条件下，耳部与底端焊接处容易出现断裂；粉末冶金由于其加工过程中应力的变化，导致底端部分容易开裂；而冷反挤的加工方式，虽然加工过程简单，但是因需要反挤异形截面，导致反挤模具寿命低，同时外圆面需留有大的加工余量用于后续车削，造成了材料的浪费。

本文以某行星齿轮支架为研究对象，以获得适合稳定批量生产的成形工艺，基于刚塑性有限元理论，利用有限元分析软件，对行星齿轮冷锻—冲压联合成形工艺展开研究，探寻其工艺可行性，为其生产应用提供参考。

锻件图分析

图1 为行星齿轮支架的锻件图，是根据某车型的齿轮支架零件图、技术要求及结合锻造成形工艺特点绘制而成，锻件材料为SAE1020，对应三维模型如图2 所示。该零件由耳部和底端两部分构成，内腔部分后续均不加工，仅外圆和底厚平面留有部分加工余量。考虑产品使用的材料和其尺寸精度、表面粗糙度的要求，选择冷成形工艺。

工艺分析

基于对锻件图的分析，同时结合公司在锻造生产上的经验，制定了如图3 所示的工序图。从图3 中可以看出，落料采用直径φ48.5mm 的棒料，根据体积不变原则，确定其落料长度。后续通过两道温锻镦粗成形，获得设计要求的挤压坯料，该挤压坯料也可采用板材落料的方式进一步降低生产成本。挤压坯料经过软化处理和表面处理后进行反挤，获得符合设计要求的杯形件，计算其成形吨位大约在1600 吨。该反挤工序的挤压变形量为80.9%，变形量较大，故软化处理需尽可能提高其球化率(≥85%)并降低产品硬度(≤70HRB)。考虑到φ27.5mm 的孔为后续加工基准，故通过车削的方式确保内孔的一致性。针对5 个小孔和侧窗开口，利用机加工的方式去除材料虽然可行，但是需要采购专机，不但投资成本较大，同时加工节拍较慢，不利于大批量生产。针对产品结构特征，分析壁厚及底厚，其厚度适中且均匀，故计划采用冲切的方式获得。利用经验公式计算出其单次冲裁力分别为72.5 吨和40.2 吨。通过分析该工艺成形吨位适中，生产过程稳定，具备一定的可生产性，同时公司设备的多样性也为生产提供了保证，下面结合CAE 模拟进一步验证工艺可行性。

模拟分析

考虑到产品的对称性和模拟时间，选取产品的1/10 利用Defrom 3D 软件的MO 模块进行模拟。模拟温度为20℃，摩擦条件采用剪切摩擦模型，摩擦因子设为0.12；凸模挤压速度根据实际挤压设备进行近似调整，建立如图4 所示的Deform 模型。

等效应力分析

图5 为行星齿轮支架在成形过程中各工序的等效应力云图。从图中可以看出，反挤过程中，最大等效应力在800MPa 左右，应力分布均匀，应力集中在整个反挤内腔底部，未发现明显应力集中局域，满足挤压条件下的应力分布；冲小孔和冲侧窗过程中，最大等效应力在1000MPa 左右，应力分布集中在凸模的四周，且均沿着凸模的运动方向延伸，直到冲切终了。模拟过程中等效应力未发现明显异常，均符合一般挤压和冲压要求。

成形载荷分析

图6 为行星齿轮支架在成形过程中某工序的行程—载荷图。在反挤载荷图中可以看出，载荷可以分为三个阶段，起始阶段，毛坯在凸模作用下开始进入塑性变形阶段，此时材料尚未充填满型腔，成形力缓慢上升；随着凸模的继续下压，材料开始进入剧烈变形阶段，该阶段成形载荷开始急剧上升，载荷上升到1600 吨左右，随后挤压进入平稳阶段，挤压载荷趋于平缓，维持在1650 吨左右，直至成形终了；在冲孔和冲侧窗的载荷图中均可发现，载荷先是急剧上升，然后急剧下降，这是由于载荷迅速达到材料的剪切强度，材料开始发生分离，随后载荷开始迅速下降，直至材料完成分离。从图中可以发现，反挤成形最大吨位大概在1690 吨，冲5 个小孔冲裁力大约62 吨，冲单个侧窗冲裁力为30 吨，与经验公式结果接近。

工艺试验

根据给出的方案进行工艺试验，经过下料→温锻制坯→球化退火→抛丸→磷皂化→反挤→镗内孔→冲小孔→冲侧窗等工艺，获得了如图7 所示的制件。仔细观察各工序的制件，发现整体外观成形良好，尺寸合格，满足设计要求，且与模拟结果基本吻合。工艺试验的结果验证了工艺方案的可行性和模拟分析的准确性。

结论

⑴通过对零件结构的分析，设计出符合产品要求的生产工艺，较好地解决了现有工艺加工周期长、模具寿命低等问题。

⑵基于模拟分析，分别从等效应力、成形载荷等方面对行星齿轮支架的成形过程进行分析，很好地验证了工艺的可行性并对设备的选择提供了参考。

⑶基于工艺试验，获得了较好的试验效果，所获制件不管是外观还是尺寸均符合图纸要求，试验结果与数值模拟结果基本吻合，同时进一步验证了工艺的可行性和可靠性，以上研究对该类零件的实际生产具有指导意义。