汽車鋼制車輪數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的研究應(yīng)用

祝偉駿

(成都陵川特種工業(yè)有限責(zé)任公司車輪分公司，成都610110)

汽車鋼制車輪數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的研究應(yīng)用

祝偉駿

(成都陵川特種工業(yè)有限責(zé)任公司車輪分公司，成都610110)

介紹了采用CAD/CAE/CAM一體化的汽車鋼制車輪數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)，建立了鋼制車輪數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺和數(shù)字化設(shè)備，該技術(shù)能夠迅速地應(yīng)對市場的需求，根據(jù)科技發(fā)展態(tài)勢，創(chuàng)新開發(fā)產(chǎn)品，研究新材料、新技術(shù)、新機(jī)制，贏得核心競爭優(yōu)勢。

汽車;鋼制車輪;數(shù)字化;設(shè)計制造;CAD/CAE/CAM

汽車車輪作為車輛運(yùn)行的重要承載部件，其性能好壞直接影響車輛行駛的安全性、舒適性、平穩(wěn)性及外觀質(zhì)量。然而鋼制車輪已使輕量化、可靠性和高精度的概念融入到開發(fā)產(chǎn)品之中，不僅一些企業(yè)不同程度上在規(guī)模、技術(shù)、質(zhì)量、管理等方面還存在著一定的差距，而且提高技術(shù)附加值，改善設(shè)計制造質(zhì)量水平，降低產(chǎn)品成本，縮短開發(fā)周期，已成為企業(yè)的一個重要課題［1－3］。

1 車輪設(shè)計開發(fā)

鋼制車輪數(shù)字設(shè)計制造技術(shù)，與傳統(tǒng)設(shè)計制造技術(shù)相比存在較大的不同，并從概念設(shè)計、初步設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計均有所差異。車輪輪輞、輪輻數(shù)字化建模是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的關(guān)鍵，不僅可以提供完備的產(chǎn)品幾何造型數(shù)據(jù)，而且還可以提供反映產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝及性能等方面的數(shù)字化信息［4－7］。車輪造型數(shù)據(jù)來源一般的方法:一是原創(chuàng)車輪產(chǎn)品設(shè)計方法，此法可以自己的思路由草圖逐步建立實體造型;二是根據(jù)用戶提供二維圖紙進(jìn)行實體建模設(shè)計，即所謂圖紙造型;三是逆向工程方法設(shè)計，即通過測繪用戶提供的車輪實物樣件或者三位掃描儀掃描車輪實物樣件形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計。鑒于UG NX軟件強(qiáng)大快捷的建模功能，上述方法前兩者的相互結(jié)合對輪輞和輪輻的建模和修正，建立了輪輞和輪輻三維造型，如圖1和圖2所示。然后快速建立車輪實體模型，完成產(chǎn)品初級樣品或者幾何造型數(shù)據(jù)的設(shè)計，當(dāng)然設(shè)計對象實體模型的建立是非常重要的，它保證下一步鋼制車輪CAE分析的準(zhǔn)確性和可靠性，極其有利于工藝設(shè)計數(shù)值仿真。圖3所示鋼制車輪三維實體造型。

圖1 輪輞三維模型

圖2 輪輻三維模型

圖3 鋼制車輪實體模型

2 CAE分析技術(shù)的應(yīng)用

CAE分析技術(shù)主要用來指導(dǎo)車輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化，并應(yīng)用于車輪工作載荷校核，徑向和彎曲疲勞，動力特性與運(yùn)動振動分析，以及輪輻強(qiáng)度分析、輪輞和輪輻成形性分析等方面。

車輪是汽車與地面之間的所有相互作用力和力矩(例如驅(qū)動力、制動力、側(cè)向力、垂直力以及回轉(zhuǎn)力矩等)都是通過車輪傳遞的，因此車輪對汽車的多種性能有著重要的影響，尤其是安全性和可靠性。因此，在設(shè)計開發(fā)前，需要分析車輪作用載荷的徑向和彎曲疲勞壽命，比如利用CAE分析技術(shù)對車輪靜、動狀態(tài)的模擬，可以改進(jìn)結(jié)構(gòu)幾何形狀或材料厚度來提高車輪疲勞壽命等。

由于車輪的主要失效形式是疲勞破壞，因此車輪的疲勞壽命是衡量車輪質(zhì)量的最重要的指標(biāo)。我國汽車車輪有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼制車輪需要進(jìn)行動態(tài)彎曲和徑向疲勞試驗。從大量試驗結(jié)果來看，車輪因彎曲疲勞試驗造成失效的比例比徑向疲勞試驗要高得多，因此彎曲疲勞試驗是檢驗車輪疲勞壽命的最主要方法。車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗是國際上通行的和標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法，也被我國作為國家標(biāo)準(zhǔn)采用，用于檢驗車輪產(chǎn)品的耐久性和可靠性。

為了能夠快速、有效、低成本地實現(xiàn)車輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高車輪疲勞壽命，國內(nèi)外一般采用CAE分析技術(shù)方法來指導(dǎo)車輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計過程，針對動態(tài)彎曲疲勞試驗建立車輪的有限元模型。由于車輪的幾何形狀復(fù)雜，其中的應(yīng)力集中導(dǎo)致局部高應(yīng)力區(qū)可能是使車輪發(fā)生疲勞損壞的主要原因，所以可以采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)局部幾何形狀的方法來提高車輪疲勞壽命。如圖4所示，根據(jù)車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗中的加載方法和約束邊界條件建立車輪的靜態(tài)線性有限元模型，以快速發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的高應(yīng)力區(qū)，為進(jìn)行局部幾何形狀改進(jìn)，降低這些區(qū)域的應(yīng)力集中，提高疲勞壽命創(chuàng)造條件。

圖4 車輪結(jié)構(gòu)CAE分析模型

3 車輪工藝設(shè)計數(shù)值仿真

而今，鋼制車輪已由傳統(tǒng)的單純沖壓件向沖、滾、旋壓工藝技術(shù)轉(zhuǎn)變，經(jīng)過沖、滾、旋壓的車輪具有高強(qiáng)度、重量輕、組織細(xì)密、輪廓流線分布合理、抗腐蝕性好、造型美觀大方等優(yōu)點(diǎn)，從而體現(xiàn)鋼制車輪輕量化、可靠性好、高精度等先進(jìn)制造技術(shù)的特征。輪輞屬深槽不對稱型，在無內(nèi)胎的條件下使用，閉氣性能要求高，對輪輞型面的尺寸精度、表面質(zhì)量及材料變薄量都有很高的要求;輪輻屬于典型強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，成形時底部形狀為推壓成形工藝，而且端焊結(jié)構(gòu)的車輪對輪輻端部尺寸，以及安裝孔的位置、底部平面和中心孔尺寸都有較高的要求，需要很高的壓力和復(fù)雜模具結(jié)構(gòu)，才能保證幾何尺寸精度和輪廓形狀清晰度，使得車輪輪輻受力較大的部位厚，其他受力較小的部位薄，避免以增厚原材料的方法來達(dá)到相同的疲勞壽命要求。因此具備較強(qiáng)研發(fā)和制造實力的企業(yè)才能進(jìn)行研制生產(chǎn)，而且產(chǎn)品性價比較好，設(shè)計制造附加價值較高。

3.1 輪輞滾壓成形數(shù)值仿真

輪輞的滾壓成形工藝主要過程:開卷、校直、剪料、沖字、卷圓壓平、閃光對接焊、刨/滾/切焊縫處理、冷卻、打磨切口、擴(kuò)口、三次滾型、擴(kuò)脹整型、滾邊(倒角)、氣密檢測、沖氣門孔、壓孔口毛刺等工序，其滾壓成形是以圓環(huán)板材為初始坯料，通過轉(zhuǎn)動滾形機(jī)上、下模對金屬坯料施加壓力，迫使金屬坯料在上、下模之間轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生塑性變形的過程。輪輞滾壓成形過程要大位移、轉(zhuǎn)動和有限應(yīng)變，成形過程中的邊界條件和加載情況比滾彎更為復(fù)雜。利用板材沖壓成形仿真技術(shù)進(jìn)行輪輞滾形成形工藝設(shè)計和優(yōu)化，可以方便準(zhǔn)確地對工藝設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而能夠提高模具設(shè)計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。

3.2 輪輻沖壓成形數(shù)值仿真

板材沖壓成形仿真技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，輪輻是典型的金屬板材沖壓成形零件，輪輻的拉深成形是進(jìn)行工藝設(shè)計的重點(diǎn)，輪輻的工藝主要過程:落料拉深、推壓成形、沖中孔切邊、翻邊翻孔、沖螺釘孔、沖散熱孔、擠螺釘孔等工序。輪輻模具設(shè)計技術(shù)由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計向虛擬裝配、運(yùn)動仿真和干涉檢查延伸，而且在采用高強(qiáng)度鋼板材的情況下，輪輻的成形更加困難，采用板材沖壓成形仿真技術(shù)對輪輻推壓成形進(jìn)行仿真，將拉深、壓邊和彎曲成形過程及其翻邊翻孔回彈現(xiàn)象給予有效地模擬與預(yù)測，在設(shè)計初期階段，可以有效地發(fā)現(xiàn)起皺、開裂、厚度減薄量及其材料所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力等成形中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，可以采取重新設(shè)定技術(shù)參數(shù)予以修正，并將計算的結(jié)果分布映射到幾何模型中，從而增加驗證的準(zhǔn)確性，在后處理中能夠查看到輪輻的應(yīng)力應(yīng)變分布、成形極限圖、厚度分布和具有實感的成形過程，同時進(jìn)行輪輻模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，提高模具設(shè)計的合理性及產(chǎn)品幾何尺寸的精度，縮短模具制造與調(diào)試周期，并能最大限度地預(yù)防了生產(chǎn)過程和最終車輪成品發(fā)生錯誤的概率，如圖5～圖7所示輪輻推壓成形數(shù)值仿真分析模型。

圖5 輪輻板材成形應(yīng)力應(yīng)變分布

圖6 輪輻板材成形極限

圖7 輪輻板材厚度分布

4 車輪CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)

隨著數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以2D數(shù)據(jù)的實體造型技術(shù)、有限元分析技術(shù)、CAM制造技術(shù)為基礎(chǔ)零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能分析、運(yùn)動仿真和模擬加工等得到了廣泛應(yīng)用，并形成了CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)，利用CAD/ CAE/CAM一體化技術(shù)對車輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、受力分析、壽命預(yù)測、性能優(yōu)化、板材沖壓成形仿真、模擬加工等方面的研究，從而在保證車輪的性能和使用要求的條件下，可以在樣品試制之前即對各種設(shè)計約束條件進(jìn)行分析，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。也可以適用于分析研究對手的車輪產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征以及設(shè)計思路，同時可貫穿于車輪產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計之中。

整個開發(fā)系統(tǒng)主要由CAD/CAE/CAM 3大模塊組成，各模塊建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺上，并且與相配合的其他分析軟件接口程序良好，所以整個系統(tǒng)能完全實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與集成。整個系統(tǒng)的組成和各模塊之間的關(guān)系，如圖8所示。

使用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)對鋼制車輪進(jìn)行開發(fā)和研究，可以在虛擬的環(huán)境中實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化。定義鋼制車輪性能分析和仿真，不僅提高了鋼制車輪的設(shè)計質(zhì)量和水平，而且能極大地縮短車輪設(shè)計制造的周期。

對于鋼制車輪模具的設(shè)計制造，可以研究與應(yīng)用CAD/ CAE/CAM技術(shù)，使傳統(tǒng)模具的設(shè)計制造方法必將被取代。其強(qiáng)大的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面:縮短模具制造周期;提高模具設(shè)計制造質(zhì)量;大幅度降低成本;有效利用有限的人力資源;充分發(fā)揮工程技術(shù)人員的主觀能動性;利用技術(shù)資料的儲備，提高企業(yè)的管理水平。不斷跟進(jìn)科技發(fā)展態(tài)勢，創(chuàng)造性地開發(fā)新產(chǎn)品、研究新技術(shù)、創(chuàng)造新機(jī)制，贏得核心競爭優(yōu)勢。

圖8 車輪CAD/CAE/CAM一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 建立車輪設(shè)計PDM平臺

在鋼制車輪設(shè)計中，為了加快速度并且保證質(zhì)量，可以采用PDM將產(chǎn)品設(shè)計、工藝仿真、生產(chǎn)制造、和質(zhì)量檢驗以及顧客反饋等方面信息集中起來做處理，并能對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地管理和控制車輪開發(fā)過程全部信息，更好地保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性和可靠性，有利于新產(chǎn)品開發(fā)過程，迅速地應(yīng)對市場的需求，為顧客提供更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

在車輪設(shè)計過程中將產(chǎn)生大量CAD圖紙、圖像文件、幾何模型與分析計算結(jié)果等設(shè)計文件，PDM將其集中于設(shè)計開發(fā)項目下，控制設(shè)計文件的檢入和檢出，提供了信息存取的功能。同時，對于在設(shè)計中的設(shè)計、審查、批準(zhǔn)及其工程變更等內(nèi)容，最大程度的避免設(shè)計錯誤，減少設(shè)計的更改和重復(fù)次數(shù)，提高質(zhì)量，使設(shè)計開發(fā)過程接近一次成功的目的。據(jù)資料統(tǒng)計，PDM的應(yīng)用能使產(chǎn)品開發(fā)周期縮短40%～60%，設(shè)計制造改進(jìn)工程設(shè)計變更次數(shù)減少50%以上，產(chǎn)品制造成本降低30%～40%，產(chǎn)品報廢和退貨率減少75%。

6 車輪設(shè)計中的檢測驗證

即使在設(shè)計制造領(lǐng)域中使用了先進(jìn)的CAD/CAE/CAM和成形數(shù)值仿真，通過實際測試來進(jìn)行車輪設(shè)計開發(fā)驗證也是不可缺少的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)國家車輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鋼制車輪的試驗項目主要有徑向疲勞和彎曲疲勞試驗等，采用先進(jìn)數(shù)字化實驗設(shè)備對比試驗前后的車輪產(chǎn)品，能夠清楚地看到變形量、變形區(qū)間，甚至材料的減薄量。同時結(jié)合對車輪試驗樣品的機(jī)械性能、化學(xué)成分和金相組織等微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，從而分析失效原因，極大地幫助判定和分析車輪的徑向和彎曲疲勞試驗結(jié)果。

如圖9所示，是鋼制車輪樣件試驗的金相組織，A鋼制車輪疲勞試驗為鐵素體和粒狀珠光體，珠光體中的粒狀滲碳體呈帶狀，具有較好韌性，而圖10所示的B鋼制車輪疲勞試驗為鐵素體和片狀珠光體，珠光體呈帶狀，晶界上有少量滲碳體，具有脆性。對比分析2種鋼制車輪疲勞試驗，因帶狀型的珠光體和晶界碳化物，而降低了晶界和基體的力學(xué)性能。從而可以得知，通過A鋼制車輪和B鋼制車輪道路對比試驗，A鋼制車輪具有優(yōu)越的性能，是B鋼制車輪4～5倍的疲勞壽命。

圖9 A鋼制車輪疲勞試驗失效分析

圖10 B鋼制車輪疲勞試驗失效分析

7 結(jié)束語

鋼制車輪的設(shè)計制造不僅要面對更美觀、更輕量、更安全的技術(shù)難題，同時還要適應(yīng)車輪的大直徑和寬輪輞的發(fā)展方向。通過使用數(shù)字化設(shè)計制造方法和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺，獲得產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中的具有合理的信息傳遞關(guān)系，研究應(yīng)用車輪新材料的開發(fā)和性能檢測驗證，迅速地應(yīng)對市場的需求，為顧客提供更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，更重要的是跟進(jìn)科技發(fā)展態(tài)勢，創(chuàng)造性地開發(fā)新產(chǎn)品、研究新技術(shù)、創(chuàng)造新機(jī)制，贏得核心競爭優(yōu)勢。

［1］楊平，廖寧波，丁建寧，等.數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)概論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005.

［2］陳文亮.板材成形CAE分析教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］［美］卡根，沃格爾.創(chuàng)造性突破性產(chǎn)品—從產(chǎn)品策劃到項目定案［M］.辛向陽，蟠龍，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］陸培明.汽車鋼制車輪行業(yè)的現(xiàn)狀和趨勢［J］.汽車工程，2006(5):504－507.

［5］童恬.現(xiàn)代乘用車鋼制車輪先進(jìn)設(shè)計方法［J］.汽車工藝與材料，2007(2):28－29.

［6］鄧銳，石磊，于忠奇，等.輪輞滾壓成型的數(shù)值仿真技術(shù)［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2010，26(1):80－83.

［7］祝偉駿.車輪輪輻螺釘孔冷擠壓強(qiáng)化工藝與模具設(shè)計［J］.模具工業(yè)，2012(4):34－37.

(責(zé)任編輯楊繼森)

Research Application of Digital Design and M anufacturing about SteelW heels of Automobile

ZHUWei－jun
(Wheels Company，Chengdu Lingchuan Special Industries Co.Ltd，Chengdu 610110，China)

Based on the theory digital and manufacturing of steelwheels of automobile，the research application of integration of CAD/CAE/CAM about steelwheels of automobile is been discussed.Through establish the datamanagement system and the digital equipment testing and certification platform.We can quickly respond tomarket demands and develop new products according to themarket condition.Meanwhile，we can research new materials and new processes，and promote the enterprise continued development.

automobile;steel wheel;digital;design and manufacturing;CAD/CAE/CAM

:A

1006－0707(2014)07－0056－04

format:ZHU Wei－jun.Research Application of Digital Design and Manufacturing about Steel Wheels of Automobile［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):56－59.

本文引用格式:祝偉駿.汽車鋼制車輪數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的研究應(yīng)用［J］.四川兵工學(xué)報，2014(7):56－59.

10.11809/scbgxb2014.07.017

2014－03－05

祝偉駿(1959—)，男，高級工程師，主要從事機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、汽車零部件設(shè)計開發(fā)、沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

U46