汽車離合器傳動(dòng)片樣件單點(diǎn)成形加工研究

陳相濱，張為民，楊凱強(qiáng)

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.舍弗勒貿(mào)易（上海）有限公司，上海 201804）

汽車離合器傳動(dòng)片是離合器傳遞載荷的重要零件，承受復(fù)雜載荷［1］.目前在離合器研發(fā)樣件制造階段常用的加工方法為沖壓成形加工，但沖壓成形整體流程較為繁瑣，針對(duì)不同型號(hào)傳動(dòng)片需要分別進(jìn)行沖壓工藝分析，專用模具設(shè)計(jì)、制造及調(diào)試，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，制造成本高，已不能滿足離合器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的要求.

單點(diǎn)漸進(jìn)成形是通過(guò)計(jì)算機(jī)程序，控制形狀簡(jiǎn)單的成形工具沿著垂直方向和水平方向的軌跡運(yùn)動(dòng)，逐層形成零件的三維包絡(luò)面，從而實(shí)現(xiàn)金屬板料連續(xù)局部塑性成形［2］.這種成形方式的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需專用模具，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.因此，該方法在板材塑性成形領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［3－5］.

本文采用單點(diǎn)漸進(jìn)成形方法針對(duì)具體離合器傳動(dòng)片進(jìn)行加工.對(duì)于不同型號(hào)的產(chǎn)品而言，采用該方法無(wú)須使用專用加工模具，能有效減少開(kāi)發(fā)周期并降低制造成本，其具體工作原理如圖1所示.

圖1 傳動(dòng)片單點(diǎn)漸進(jìn)成形研發(fā)過(guò)程Fig.1 Development process of single－point incremental forming for clutch strap

通過(guò)有限元方法對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并針對(duì)支撐夾角形狀、工具頭半徑等關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行分析，最終通過(guò)成形試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證加工方案的可行性.

1 漸進(jìn)成形加工方案

1.1 傳動(dòng)片加工要求

待加工離合器傳動(dòng)片加工要求如圖2所示，兩成形平面之間垂直距離為（5±0.4）mm；成形面之間平行度為0.4.

圖2 離合器傳動(dòng)片加工要求（尺寸：mm）Fig.2 Processing requirements of clutch strap

1.2 漸進(jìn)成形數(shù)值模擬

（1）有限元模型.傳動(dòng)片由上下兩夾具夾緊固定，通過(guò)專用工具頭按設(shè)置的軌跡折彎傳動(dòng)片，一端加工完成后，將另一端換到工具頭處繼續(xù)加工.由于圖形關(guān)于坐標(biāo)平面對(duì)稱，可只分析一半的模型，如圖3所示.

圖3 有限元仿真加工方案Fig.3 Finite element simulation processing program

（2）材料模型.板材變形是小應(yīng)變、大變形的過(guò)程，存在彈性變形及塑性變形［6］.材料參數(shù)為：板材厚度0.6mm，彈性模量6300MPa，泊松比0.3，屈服極限1550MPa.在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖4所示.

（3）網(wǎng)格劃分.板材的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是需要觀察的主要對(duì)象，因此板料的網(wǎng)格劃分較細(xì)，而夾具的應(yīng)力應(yīng)變并不是關(guān)心的重點(diǎn)，可采用較粗的網(wǎng)格劃分.工具頭設(shè)置為剛體，無(wú)需劃分網(wǎng)格.

圖4 板材應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 Stress－strain curve of material

（4）約束條件處理.單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程中，傳動(dòng)片隨工具頭下壓而折彎［7］.而在模擬過(guò)程中則通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，夾具完全約束六個(gè)自由度不動(dòng)，傳動(dòng)片固定在夾具之中，成形工具頭則在傳動(dòng)片表面做下壓及平移運(yùn)動(dòng).

1.3 成形軌跡設(shè)定

成形軌跡是指成形工具頭的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡路線，它的正確規(guī)劃對(duì)成形結(jié)果具有重要影響［8－9］.在仿真方案中，成形工具頭僅在x方向和z方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此成形軌跡的位移－時(shí)間曲線數(shù)量為2條，具體方案如圖5所示.

圖5 成形軌跡曲線Fig.5 Forming trajectory curve

1.4 仿真結(jié)果

對(duì)于設(shè)定的加工方案進(jìn)行仿真，得到位移變形結(jié)果.針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，選擇連續(xù)的參考點(diǎn)繪制位移變形曲線與加工要求對(duì)比.圖紙要求的公差范圍為4.6～5.5mm，換算成斜率為0.15551～0.18255.該參數(shù)下仿真結(jié)果在豎直方向上的位移變形曲線與加工要求公差對(duì)比如圖6所示.由圖6可見(jiàn)，位移曲線所有點(diǎn)均在允許公差之內(nèi)，符合加工要求.圖紙要求成形面之間平行度為0.4.在同一水平面上取參考點(diǎn)觀察豎直方向上的位移變化，發(fā)現(xiàn)其最大位移差為0.03mm，滿足平行度加工要求.

圖6 位移變形曲線Fig.6 Displacement deformation curve

2 關(guān)鍵加工參數(shù)分析

采用有限元模擬分析方法，對(duì)不同工藝參數(shù)條件下的單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，為實(shí)際加工的工藝參數(shù)選擇提供參考，可以降低工藝試驗(yàn)成本［10］.本文結(jié)合傳動(dòng)片加工方案，主要分析支撐夾具倒角形狀及半徑、工具頭半徑兩方面對(duì)成形精度的影響.

2.1 支撐夾具倒角形狀及半徑的影響

在成形過(guò)程中，支撐夾具倒角的半徑不一樣，所得到的成形效果也不一樣.如果支撐夾具倒角半徑選擇不合理，所得到的成形件尺寸精度會(huì)與理想精度相差較大，成形質(zhì)量也會(huì)較差［11］.本文采用45°圓角方式，分別針對(duì)倒角半徑r1為1mm和2mm進(jìn)行分析，并對(duì)比不同倒角半徑情況下的等效應(yīng)力（見(jiàn)表1）及成形平面平行度（見(jiàn)圖7）.

表1 倒角半徑影響Tab.1 Influence of chamfer radius

由表1和圖7可見(jiàn)，倒角半徑為2mm時(shí)等效應(yīng)力較??；倒角半徑為1mm時(shí)同一水平面上參考點(diǎn)豎直位移變化較明顯，最大位移差為0.035mm；倒角半徑為2mm時(shí)同一水平面上參考點(diǎn)豎直位移變化較平穩(wěn)，最大位移差為0.030mm，成形表面平行度相對(duì)較好.原因是當(dāng)支撐夾具倒角半徑較大時(shí)，傳動(dòng)片變形過(guò)程中與夾具表面的接觸面積也隨之增大，從而使其平行度較高，成形質(zhì)量較好.

圖7 平行度對(duì)比圖Fig.7 Parallelism comparison

圖8為倒角半徑相同的夾具采用不同倒角形狀進(jìn)行模擬的成形結(jié)果圖.理想成形截面需要有圓弧過(guò)渡，從圖8可知，倒圓角圓弧成形質(zhì)量較好，過(guò)渡平穩(wěn)，而45°斜角則有明顯折線，成形質(zhì)量較差.因?yàn)榈菇切螤钆c成形件形狀一致，傳動(dòng)片成形時(shí)用圓弧倒角更接近目標(biāo)零件的形狀，因此最終的成形件質(zhì)量較好［12］.

圖8 不同倒角形狀的成形結(jié)果Fig.8 Forming results for different chamfering forms

2.2 工具頭半徑的影響

在單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程中，成形工具頭半徑r2將對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡上下重疊的部分造成直接影響［13］.本節(jié)以傳動(dòng)片單點(diǎn)漸進(jìn)為例進(jìn)行模擬分析，成形工具頭半徑r2分別取為2，3，4mm，其他工藝參數(shù)一定.表2示出了相應(yīng)的等效應(yīng)力；圖9示出了成形平面平行度.

表2 工具頭半徑影響Tab.2 Influence of the tool tip radius

圖9 平行度對(duì)比圖Fig.9 Parallelism comparison

由表2及圖9可見(jiàn)，隨著成形工具頭半徑的增加，等效應(yīng)力值隨之減小.主要是因?yàn)殡S著成形工具頭半徑的增大，成形工具頭與金屬板料的接觸面積增大，從而緩解了成形工具頭與板料之間因接觸而產(chǎn)生的應(yīng)力集中［14］.觀察同一水平面上參考點(diǎn)豎直位移變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著半徑的增大，表面質(zhì)量得到提高，半徑為3mm的成形工具頭與半徑為4mm的成形工具頭成形精度較為接近，但半徑為2mm的成形工具頭成形質(zhì)量較差.這是因?yàn)槌尚喂ぞ哳^半徑過(guò)小，會(huì)造成類似切削的現(xiàn)象，使得工件表面的成形質(zhì)量變差，甚至出現(xiàn)成形裂紋.因而在成形形狀比較簡(jiǎn)單的成形件時(shí)可選擇半徑較大的成形工具球頭，在提高成形質(zhì)量的同時(shí)還可減少加工時(shí)間［15］.

3 成形試驗(yàn)

3.1 工具頭的設(shè)計(jì)

成形工具是帶半球頭的工具頭，球頭直徑為6mm，由高速鋼制成，頭部進(jìn)行研磨和拋光.工具頭結(jié)構(gòu)尺寸如圖10所示.

圖10 漸進(jìn)成形工具頭（尺寸：mm）Fig.10 Incremental forming tool tip

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如圖11所示.利用VMC850B數(shù)控加工中心在支撐夾具上根據(jù)仿真結(jié)果指導(dǎo)漸進(jìn)成形試驗(yàn)，采用專用工具頭，傳動(dòng)片厚度0.6mm，z方向進(jìn)給量1.3mm，按設(shè)定好的軌跡進(jìn)給，進(jìn)給速度60mm／min.

圖11 試驗(yàn)設(shè)備Fig.11 Experimental equipment

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x（見(jiàn)圖12）對(duì)成形件進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可見(jiàn)，加工后傳動(dòng)片的垂直距離為4.8488mm，平行度0.1458，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致.

圖12 成形樣件的測(cè)量Fig.12 Experimental prototype measurement

表3 成形樣件測(cè)量結(jié)果Tab.3 Experimental prototype measurement result

4 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合單點(diǎn)漸進(jìn)成形原理加工傳動(dòng)片樣件的方案能滿足加工要求，且無(wú)需專用模具，能有效減少開(kāi)發(fā)周期和降低加工成本，可用于實(shí)際樣件加工.

（2）支撐夾具倒角半徑較大時(shí)，傳動(dòng)片變形過(guò)程中與夾具表面的接觸面積隨之增大，平行度較高，成形質(zhì)量較好.在正確選擇支撐夾具倒角半徑大小的同時(shí)，也要正確選擇倒角的形狀，其形狀與所要獲得的成形件形狀越接近，則最后的成形件質(zhì)量越符合實(shí)際要求.

（3）根據(jù)成形板材的材料特性和成形件形狀要求來(lái)合理選擇工具頭半徑.隨著成形工具頭半徑的增大，最大等效應(yīng)力值隨之減小.在成形形狀比較簡(jiǎn)單的成形件時(shí)可選擇半徑較大的成形工具球頭，所得表面的成形質(zhì)量較好，并能有效減少加工時(shí)間.

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