汽車皮帶輪多道次拉深成形工藝研究

文/宋杰，許兵，李云輝，曾舒麗，楊政，李萍·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

皮帶輪作為汽車發(fā)動機(jī)的重要組成部分，對產(chǎn)品精度及綜合性能提出了很高的要求。根據(jù)所研究皮帶輪的特點(diǎn)，提出一種利用圓形板坯成形復(fù)雜帶輪的多道次沖鍛成形工藝。采用三道次拉深、鐓粗、整形工藝成形皮帶輪的筒形結(jié)構(gòu)，確定了各道次拉深及鐓粗、整形的主要工藝參數(shù)。并有針對性的提出了反彎儲料的改進(jìn)工藝，通過數(shù)值模擬分析了改進(jìn)工藝中各工序的壁厚情況和成形載荷。

現(xiàn)如今，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車需求量逐年升高、發(fā)動機(jī)小型化、發(fā)動機(jī)輕量化和附件數(shù)量的增加已成為汽車制造中的重要要求。因此，皮帶輪成為發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵組件，并廣泛應(yīng)用于汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶和其他機(jī)械設(shè)備。皮帶輪的傳統(tǒng)成形工藝是鑄造、焊接、拉深成形、脹形。然而，使用傳統(tǒng)的鑄造成形所獲得的工件尺寸精度不高，會導(dǎo)致皮帶輪的機(jī)械性能差。脹形法成形精度雖高，但是生產(chǎn)成本相對較高，造成設(shè)備昂貴。

多道次拉深成形是將零件拉深成形的總量進(jìn)行分配，每次拉深完成一部分變形，經(jīng)過多次拉深，最終實(shí)現(xiàn)成形。多道次拉深成形中，板料不斷變形硬化效果累積，有助于提高強(qiáng)度，同時采用板料直接成形，材料利用率高，便于批量化生產(chǎn)，成本相對較低。

然而多道次拉深成形過程中，材料受力較為復(fù)雜，涉及到摩擦、接觸、塑性等多重非線性耦合力，理論和實(shí)際問題比一次拉深復(fù)雜。目前研究中多采用有限元模擬對拉深成形過程進(jìn)行分析。曹進(jìn)等人根據(jù)材料的拉深系數(shù)計算拉深道次，結(jié)合沖壓與鍛造技術(shù)并采用有限元模擬軟件DEFORM-3D 進(jìn)行數(shù)值模擬，分析成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布，為鍛壓成形多楔帶輪的實(shí)際生產(chǎn)提供參考。李雪松等人采用有限元軟件DEFORM-3D 模擬整個工藝過程，模擬結(jié)果表明沖鍛復(fù)合成形工藝成功展現(xiàn)了零件底部壁厚的變化，整個工藝流程切實(shí)可行。

零件成形工藝及參數(shù)分析

零件分析

圖1 為皮帶輪零件圖，采用3.2mm 厚SPHD 材料毛坯，成形難點(diǎn)在于帶輪底部厚度要進(jìn)行增厚，達(dá)到3.27mm，且在帶輪底部彎角位置要充填良好，考慮到實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備噸位，成形力要控制在500噸以下。結(jié)合材料的拉深系數(shù)計算出拉深道次，并采用有限元模擬軟件DEFORM-3D 模擬皮帶輪圓筒形部分多道次拉深成形過程，分析成形過程中的載荷及壁厚分布，為皮帶輪的研究生產(chǎn)提供參考。

工藝參數(shù)分析

制定出以下工藝流程，工序依次為：拉深1 →拉深2 →拉深3 →鐓厚→整形，如圖2 所示。在進(jìn)行數(shù)值分析時，首先根據(jù)已制定出的工藝路線進(jìn)行，總結(jié)出工藝路線的特點(diǎn)，進(jìn)行工藝優(yōu)化。為了節(jié)省計算時間，數(shù)值分析采用DEFORM-2D 軟件，凸模速度為50mm/s，摩擦類型設(shè)置為庫侖摩擦，摩擦因數(shù)0.12，計算步長為0.1mm。

工藝流程數(shù)值模擬

有限元模擬分析

⑴拉深1。拉深1 主要是為了圓角處聚料，拉深后圓角處的厚度達(dá)到4.01mm 以上。

⑵拉深2。拉深底部厚度達(dá)到3.40mm，外側(cè)壁厚度為3.33mm 以上。

⑶拉深3。有限元模型及壁厚分布，圓角處厚度為2.95mm 以上，且外側(cè)壁最后厚度達(dá)到3.28mm。

⑷鐓厚。有限元模型如圖3 左圖所示。目的在于通過鐓厚增加帶輪底部的壁厚，由拉深3 結(jié)束時的3.16mm 增加到3.27mm 以上。在鐓厚結(jié)束時，帶輪壁厚分布如圖3 右圖所示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，帶輪底部厚度只有3.18mm，且在帶輪彎角處厚度更薄。這就要求在后續(xù)的改進(jìn)工藝中增加帶輪底部厚度。

⑸整形。有限元模型如圖4 左圖所示。在整形結(jié)束時，帶輪壁厚分布如圖4 右圖所示。從圖4 中不難發(fā)現(xiàn)，帶輪底部厚度只有3.17mm，且在帶輪彎角處厚度更薄，只有2.13mm。

以上模擬中，成形噸位都控制在350 噸以內(nèi)。針對在模擬過程中出現(xiàn)的壁厚沒有達(dá)到目標(biāo)要求，對以上工藝流程進(jìn)行修改，由于問題主要出現(xiàn)在鐓厚和整形兩步，對工藝的改進(jìn)主要集中在最后兩個工序。

改進(jìn)工藝及模擬分析

針對鐓厚出現(xiàn)的料不足及在整形時沒有拐角、沒有充滿的情況，在鐓厚前，通過增加反彎工序，增加帶輪底部輪廓長度來進(jìn)行儲料。在整形時，通過增加一道整形工序來保證拐角充滿。

改進(jìn)工藝的工序?yàn)椋豪? →拉深2 →拉深3 →反彎儲料→鐓厚1 →鐓厚2 →整形1 →整形2。以下主要介紹反彎儲料及之后工序。

⑴反彎儲料。增加這一工序的目的是在帶輪底部需要增厚的部位均勻儲料，以達(dá)到模具在500 噸的條件下鐓厚時，帶輪底部能均勻增厚。反彎儲料載荷圖如圖5所示。

⑵鐓厚1。在上步儲料的基礎(chǔ)上，通過這一工序，帶輪底部厚度達(dá)到3.48mm，且底部表面質(zhì)量比較好。成形噸位可以控制在500 噸以下。鐓厚1 有限元模擬三維及二維圖如圖6 所示。

⑶鐓厚2。這一工序的目的在于在拐角位置增加儲料，為下一步的整形打下基礎(chǔ)。同時可以使帶輪底部進(jìn)一步壓平。鐓厚2 載荷圖如圖7 所示。

⑷整形1。這一工序的目的在于使帶輪初步形成所需形狀，成形噸位在500 噸以下。從結(jié)果來看，在拐角處還有部分區(qū)域沒有充滿，增加整形2工序來進(jìn)行改善。整形1 有限元模擬開始及結(jié)束二維圖如圖8 所示，整形1 載荷圖如圖9所示。

⑸整形2。增加這一工序，目的在于使拐角處完全充滿，結(jié)果如圖10 所示。最終底部厚度在3.40mm，成形噸位均控制在500 噸以下，整形2 載荷圖如圖11 所示。

結(jié)束語

⑴根據(jù)零件的特征，設(shè)計出拉深1 →拉深2 →拉深3 →鐓厚→整形的工藝流程，并利用有限元模擬驗(yàn)證其工藝的可行性。

⑵通過采用DEFORM數(shù)值模擬軟件對板材成形皮帶輪成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了原有成形工藝成形時皮帶輪輪轂部位填充不足的情況。

⑶有針對性的提出了反彎儲料改進(jìn)工藝，通過數(shù)值模擬分析了改進(jìn)工藝中較為關(guān)心的各工序的金屬流動填充情況和成形噸位數(shù)值，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)工藝的可行性。

⑷采用提出的改進(jìn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，不但可以有效降低模具噸位，皮帶輪輪轂填充完整，而且可以考慮選擇較薄板材，提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本。