一、前言
轮式装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便和灵活等优点。2013年国内装载机保有量超过130万台，行星式变速装置市场份额占70%，而滚柱式离合器则是行星式变速器的核心部件，滚柱式离合器中内星轮具有形状复杂，尺寸精度要求高，表面质量严格的特点，是加工中的难点。
内星轮作为滚柱式超越离合器的重要部件，目前多采用传统切削加工方法，加工效率低，材料浪费量大。随着制造技术的发展，传统切削加工已不能满足生产的需要，开发新的、先进的制造工艺成为了行业发展的趋势。温挤压将锭坯加热到回复温度以上再结晶温度以下进行挤压，与冷挤压相比锭坯的变形抗力小，成形容易，所需压力机的吨位小，模具寿命长；与热挤压相比，尺寸精度与粗糙度好，表面无氧化，温挤压具有优质、高效和低耗环保特点。
本文研究了凹模入模角及毛坯直径对内星轮成形性能的影响，借助DEFORM-3D有限元软件进行仿真分析，缩短了工艺周期，为最终加工方案的确定提供了可靠的实验依据。
二、试验方案
1.零件的工艺路线分析
图1所示为内星轮结构示意图，图1（a）所示为内星轮三维零件图，星轮材料采用GCr15，属于高碳铬轴承钢。图1（b）所示为内星轮工作面尺寸图，由图1（b）可知，内星轮工作滚道为直线与圆弧过渡形状，内星轮外径为120mm，过渡圆弧半径为55mm，偏心距为15mm，内星轮外表面工作时直接与滚柱接触，表面质量及尺寸精度要求高，根据内星轮的特点，本文采用正向实心毛坯挤压的方式，其工艺路线为：下料加热正向温挤压表面精整后续机械加工（切断、端面加工和内孔加工）。
2.挤压温度的确定
挤压温度是温挤压工艺成败的关键，各种不同材料都有一个最佳温度，在最佳温度下挤压，可使挤压抗力降低，毛坯氧化、脱碳少，模具磨损少，温挤压温度选择应综合考虑的原则是：（1）应选择在被挤压金属材料变形抗力显著下降的温度范围内。（2）应选在被挤压材料开始有较强氧化温度前，保证无氧化或者少氧化。GCr15属于轴承钢，在温度高于500℃~550℃时变形抗力显著下降，但不能高于800℃。事实证明，700℃~800℃正值钢处于珠光体变为奥氏体的区间内，在此温度范围内，钢材既有很好的塑性，随着加热温度的升高，材料氧化过程加剧，形成的氧化皮会越厚，钢材在600℃~800℃范围内无强烈氧化，随含碳量和合金元素的增加，氧化倾向降低，加热温度超过950℃时，氧化现象会急剧增加，根据以上分析，本研究毛坯温度选在具有较高塑性相变温度区域内，选750℃。
3.模拟方案
本文研究了凹模入模角与毛坯直径对内星轮成形性能的影响，分别模拟计算了入模角为120、150和180时内星轮的成形性能，在此基础上，选出最优入模角方案；改变毛坯直径，分析了毛坯直径为120mm、125mm与130mm时内星轮成形过程，从而得到最优试验方案，以此为基础，进行试生产。
三、建立模型及有限元前处理
1.模型设立
采用Pro/ENGINEER 5.0软件对坯料和模具进行三维实体建模，将实体造型以STL二进制格式文件输出保存后导入DEFORM-3D中，模型包括凹模，凸模及坯料三部分。
2.有限元前处理参数设定
本零件材料为GCr15，其主要成分（质量分数）为：1.00%~1.10%的C，0.15%~0.35%的Si，0.25%~0.45%的Mn，1.40%~1.65%的Cr。模拟分析时，上、下模设置为刚体，采用相对尺寸划分网格，数量为10万，采用剪切摩擦模型，摩擦系数选取0.15，对模具和坯料间的接触公差，软件自动设置为0.0193。上模下压速度设置为6mm/s，工件的初始温度为750℃，模具预热温度为400℃，步长0.5mm，每5步保存一次，总步数150步。完成前处理后，生成DB格式数据文件，退出前处理模块。
四、数值模拟分析结果及最终成形方案的确定
1.凹模入模角对内星轮成形的影响
图3所示为入模角为120、150和180，毛坯直径为120mm时，内星轮成形效果示意图。由图3可知，当入模角为120时，先挤出部位出现了较为明显的凸起，齿腔充填不完全，当入模角为150与180时，先挤出部位基本平整，且齿腔的充填效果增强。当入模角较小时，材料倾向于向模腔中央流动，星轮外齿不易充满，随着入模角增大，材料向中间流动的阻力增大，有利于星轮外齿腔的成形。
2.坯料直径对内星轮成形性能的影响
坯料直径为120mm、125mm与130mm，入模角为150时，内星轮成形效果示意图。由图6可知，三种毛坯直径条件下，工件底部均未出现凸起，随毛坯直径的增加，内星轮外轮形貌更加清晰，随坯料直径的增加，充填型腔的能力增强。
3.最终成形方案确定
根据以上模拟分析结果，在入模角为150，毛坯直径为125mm时，成形性能最佳，图9所示为凸模挤压力预测图，最大挤压力为67t左右。
五、试验验证
采用以上分析获得结果，进行产品试制，生产中采用石墨做润滑剂，模具预热采用电阻炉进行，样件经温挤压后进行精整、机械加工后，获得合格零件。
六、结语
（1）基于DEFORM-3D模拟研究了入模角对装载机用滚柱式超越离合器内星轮成形性能的影响，结果表明，随入模角的增大，内星轮的成形性能增强，先挤出部位的凸起消失，成形过程中的等效应力增大，入模角度为150时，综合成形性能最好。
（2） 基于DEFORM-3D研究了毛坯直径对装载机用滚柱式超越离合器内星轮成形性能的影响，结果表明，随毛坯直径的增大，内星轮的成形性能增强，齿腔的充填效果增强，但成形过程中的等效应力急剧上升，当毛坯直径为125mm时，综合成形性能最好。
（3）模拟结果显示当入模角为150，毛坯直径为125mm时，内星轮的成形性能最好，经实践验证，生产出的样品尺寸精度良好，该新工艺具有优质高效节约材料与能量的特点，适用于内星轮的精密成形。
