汽車多楔輪旋壓成形工藝研究及缺陷分析

文/胡傳鵬，魏李，段自豪，華雅玲，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)周敏，嚴(yán)軍·南通福樂(lè)達(dá)汽車配件有限公司

多楔輪作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的重要零件，其成形方式主要以旋壓成形為主，但旋壓成形質(zhì)量難以保證，旋壓成形仍存在技術(shù)難點(diǎn)。利用有限元分析軟件Simufact建立三維剛塑性模型，分析旋壓成形工藝過(guò)程、解析內(nèi)折疊產(chǎn)生的原因，進(jìn)而基于模擬結(jié)果優(yōu)化旋壓成形工藝。通過(guò)調(diào)整旋輪結(jié)構(gòu)，采取調(diào)整旋彎輪過(guò)渡圓弧成形方式，改善預(yù)成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)趨勢(shì)，進(jìn)而消除內(nèi)折疊缺陷。

多楔輪作為一種重要的機(jī)械傳動(dòng)零件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著當(dāng)前國(guó)內(nèi)工業(yè)水平的提高，帶輪結(jié)構(gòu)及帶輪加工工藝均得到優(yōu)化和改進(jìn)。旋壓成形的多楔輪以其重量輕、精度高、生產(chǎn)效率高、節(jié)能、低耗材等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中逐步取代了以鑄鍛焊為主的傳統(tǒng)方法所加工生產(chǎn)的多楔輪，得到了廣泛應(yīng)用。

多楔輪旋壓成形工藝分析

多楔輪的結(jié)構(gòu)特征如圖1所示，帶輪材料為AIS I1008鋼，基本力學(xué)性能如下：屈服強(qiáng)度325MPa，密度7.851g/cm3，彈性模量205GPa，泊松比0.29。該零件具有的工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是齒形尺寸加工精度要求高，齒形成形區(qū)高度為15.8mm，齒高3.3mm，齒間距3.56mm，齒頂圓角0.5mm，壁厚3.0mm。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和旋壓設(shè)計(jì)手冊(cè)，從材料精細(xì)化和減少工藝步驟角度考慮，多楔輪的旋壓成形工藝采用四個(gè)旋輪依次進(jìn)給成形。第1步，增厚旋輪完成壁厚成形；第2步旋平輪對(duì)應(yīng)使齒形成形部位旋平；第3、4步，旋齒旋輪徑向進(jìn)給完成齒形區(qū)域的預(yù)成形和終成形。

圖1 多楔輪結(jié)構(gòu)示意圖

有限元模型建立

建立如圖2所示的旋壓翻邊和旋平模型，模具默認(rèn)為剛性體，板坯材料選用DD13，具有較好的力學(xué)性能，模擬中定義芯軸轉(zhuǎn)速達(dá)到300rpm，旋輪與工件摩擦系數(shù)為0.05，坯料和模具溫度為20℃，芯模與工件摩擦系數(shù)為0.3。旋壓進(jìn)給參數(shù)如表1所示，通過(guò)兩道次的旋壓成形所需的120022201皮帶輪旋齒預(yù)制坯。

圖2 旋壓成形兩道次有限元模型建立

表1 120022201皮帶輪旋壓成形參數(shù)

模擬過(guò)程分析

圖3所示為一道次旋彎增厚成形過(guò)程應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力出現(xiàn)在旋輪與板坯接觸處。成形過(guò)程中板坯在圓弧輪徑向進(jìn)給作用下，造成變形區(qū)的金屬始終處于受力不均、受擠壓的狀態(tài)，從而發(fā)生軸向、徑向、周向位移。隨著變形過(guò)程累積，板坯周向半徑縮小，形成過(guò)渡圓弧結(jié)構(gòu)，但在旋輪達(dá)到預(yù)定最終位置時(shí)由于旋輪下部與坯料先接觸處金屬向上流動(dòng)，上端坯料與旋輪上部接觸，金屬向下流動(dòng)，因此在該處形成尖角。

圖4所示為二道次旋平成形過(guò)程應(yīng)力分布圖。一道次成形后，采用旋壓增厚輪徑向進(jìn)給進(jìn)行第二道次貼模工步，以便成形上凸緣結(jié)構(gòu)。在成形前期，旋輪徑向進(jìn)給先作用過(guò)渡圓弧，過(guò)渡圓弧使得該變形區(qū)金屬發(fā)生軸向流動(dòng)。在成形中期，板坯由過(guò)渡圓弧狀變形為平面狀，變形區(qū)金屬累積在需成形凸筋上端，旋平輪繼續(xù)徑向進(jìn)給，板坯受徑向壓力作用與下芯模貼模，金屬發(fā)生軸向流動(dòng)成形上下凸筋。在該階段的等效應(yīng)力值逐漸增大，主要變形區(qū)域逐漸擴(kuò)大。在成形后期，增厚旋輪達(dá)到預(yù)先設(shè)定位置，上下凸筋完整成形。但由于旋平過(guò)程中上端材料趨向于上移貼模，充填型腔，而圓弧過(guò)渡區(qū)材料在旋平輪徑向力的作用下趨向于水平貼模，上端和圓弧區(qū)的金屬流動(dòng)趨勢(shì)不一致，從而產(chǎn)生明顯的內(nèi)折疊。

圖3 一道次旋彎增厚成形過(guò)程應(yīng)力分布圖

圖4 二道次旋平增厚成形過(guò)程應(yīng)力分布圖

對(duì)比各道次載荷數(shù)據(jù)（圖5）可以看出第一道次各向載荷數(shù)據(jù)整體小于第二道次，而從各個(gè)道次數(shù)據(jù)可以看出旋輪在整個(gè)成形中受到的徑向力最大，切向力次之，軸向力最小。最大載荷出現(xiàn)在第二道次旋平輪貼模時(shí)，徑向力最大值約為360.2kN。第一道次旋壓成形過(guò)程中，由于旋輪始終保持徑向進(jìn)給運(yùn)行，因此徑向載荷隨著旋輪與板坯的貼模程度保持上升趨勢(shì)。8s時(shí)為一道次旋彎成形過(guò)程中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，此時(shí)金屬與旋彎輪圓弧面完整貼模，導(dǎo)致各向載荷發(fā)生明顯變化。在8～15s時(shí)間段切向載荷出現(xiàn)負(fù)值是因?yàn)榻饘偾邢蚴芰Ψ较驗(yàn)橛邢拊Ｐ驮O(shè)定方向的負(fù)向。在14～15s時(shí)旋輪與板坯完全貼模，徑向載荷表現(xiàn)為急劇上升，金屬軸向受壓應(yīng)力，受力方向同為負(fù)向。

圖5 各道次旋壓成形過(guò)程各向載荷變化

旋壓成形工藝優(yōu)化

基于前面的模擬結(jié)果，通過(guò)修改旋輪下端面尺寸，增大旋輪徑向進(jìn)給，通過(guò)采用局部增厚及減小過(guò)渡圓弧尺寸等方式可以減小內(nèi)折疊的產(chǎn)生，此外板坯形狀的修改也是一種旋壓成形優(yōu)化思路。本文也做了相應(yīng)的嘗試，修改的一道次旋彎旋輪結(jié)構(gòu)如圖6所示，與初始旋輪相比，旋輪圓弧半徑為8.5mm，旋輪底部特征尺寸距離減少至3.42mm，中間過(guò)渡圓弧尺寸為6.5mm。

圖7所示為修改一道次旋彎輪結(jié)構(gòu)后一道次模擬應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出一道次旋彎增厚成形后坯料上端局部增厚明顯，圓弧過(guò)渡得到明顯的改善，有利于消除內(nèi)折疊的產(chǎn)生傾向?；谝坏来文M結(jié)果，在同一芯模下建立圖8所示的優(yōu)化后二道次旋平成形應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出采取上端鐓粗增厚，下端有效過(guò)渡的配合方式，圓角處內(nèi)折疊完全消除。

圖6 改進(jìn)后旋輪結(jié)構(gòu)

圖7 優(yōu)化后一道次旋彎成形應(yīng)力分布圖

圖8 優(yōu)化后二道次旋平成形應(yīng)力分布圖

結(jié)論

基于Simufact有限元軟件對(duì)多楔輪成形過(guò)程中的不同道次進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了兩道次旋壓成形過(guò)程和內(nèi)折疊缺陷形成原因且提出了相應(yīng)的模具優(yōu)化方案。得到如下結(jié)論：

⑴旋彎增厚成形過(guò)程中，變形區(qū)的金屬始終受到旋彎輪徑向作用。隨著旋輪不斷進(jìn)給，板坯周向半徑逐漸縮小，變形區(qū)金屬形成過(guò)渡圓弧的結(jié)構(gòu)，達(dá)到整體增厚效果。

⑵上芯模與板坯之間有一定的型腔，板坯一道次貼模過(guò)程中形成大的過(guò)渡圓弧，二道次旋平貼模時(shí)上端材料軸向上移充填型腔，圓弧區(qū)的金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)貼模，兩者方向不統(tǒng)一導(dǎo)致內(nèi)折疊的產(chǎn)生。

⑶基于Simufact對(duì)整個(gè)旋壓過(guò)程進(jìn)行分析，優(yōu)化了旋輪結(jié)構(gòu)。采取上端鐓粗增厚，下端有效過(guò)渡的形式改進(jìn)旋壓成形工藝，進(jìn)而消除了多楔輪旋壓成形過(guò)程中內(nèi)折疊缺陷。