基于數(shù)值模擬的鈑制帶輪旋壓成形試驗研究及缺陷分析

文/吳超，周金良·合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院

周敏，嚴軍·南通福樂達汽車配件有限公司

近年來，國內(nèi)汽車保有量不斷增加，汽車企業(yè)及其相關(guān)零部件制造行業(yè)對經(jīng)濟的拉動作用愈加明顯。我國明確提出要大力發(fā)展汽車工業(yè)，輕量化研究是當前汽車工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。汽車零部件結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，是汽車輕量化的有效途徑之一，通過改進整車相關(guān)結(jié)構(gòu)使零件結(jié)構(gòu)薄壁化、中空化、小型化及功能復(fù)合化。汽車輕量化在保證汽車整體性能不受影響的前提下，一定程度上滿足了資源節(jié)約和低碳環(huán)保的要求。

鈑制帶輪殼體是汽車傳動系統(tǒng)上的一類關(guān)鍵零件，具有傳遞扭矩、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和減振降噪等多功能集成。帶輪這類回轉(zhuǎn)體零件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多通過薄板材旋壓成形。該成形工藝具有高尺寸精度、高材料利用率、少車削加工、低設(shè)備要求等多種優(yōu)勢，逐步取代了過去精鍛、鑄機加工、沖壓脹形及沖壓焊接皮帶輪等方法。鈑制帶輪旋壓成形是通過旋輪沿徑向進給作用于坯料，使變形區(qū)材料沿軸向和徑向漸進塑性流動的成形過程。鈑制帶輪殼體零件在汽車零部件等制造行業(yè)應(yīng)用前景廣闊，一般情況下成形過程分為旋壓增厚成形階段和旋齒成形階段，由于國內(nèi)的鈑制帶輪旋壓成形技術(shù)并不成熟，在旋壓增厚成形階段多存在材料折疊裂紋等成形缺陷。文章針對某鈑制帶輪的旋壓成形過程開展相關(guān)研究，通過優(yōu)化旋壓預(yù)制坯結(jié)構(gòu)及成形過程，解決成形過程中零件上端過渡位置的材料折疊缺陷，并根據(jù)模擬結(jié)果成功進行生產(chǎn)試制。研究結(jié)果對旋壓帶輪工業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

鈑制帶輪旋壓成形工藝分析

鈑制帶輪的結(jié)構(gòu)特征

該帶輪的結(jié)構(gòu)特征如圖1所示，帶輪材料為DD13鋼。基本力學性能如下：屈服強度325MPa，密度7.851g/cm3，彈性模量205GPa，泊松比0.29。零件結(jié)構(gòu)特點為帶多楔齒，外壁厚度5.0mm，齒底到外壁內(nèi)側(cè)距離1.68mm，齒頂圓角半徑均為0.30mm，帶輪高度為25.5mm，直徑為143.0mm。由于零件沖壓結(jié)構(gòu)材料厚度多為3.0mm，故母材厚度選擇為3.0mm。綜合考慮旋壓后車加工同軸度要求和細節(jié)A中齒結(jié)構(gòu)尺寸，該帶輪旋齒前最小壁厚應(yīng)不小于3.4mm。

圖1 五楔帶輪結(jié)構(gòu)示意圖

成形工藝分析

對于存在上下凸筋和多楔齒結(jié)構(gòu)的帶輪復(fù)雜外壁，結(jié)合零件特征結(jié)構(gòu)旋壓成形工藝要求，并從節(jié)約材料和減少工藝步驟角度考慮，采用旋彎增厚成形工藝使板坯外緣一次增厚。整形后，確保其滿足后續(xù)零件旋齒成形的厚度要求。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，設(shè)計出的多楔帶輪旋壓成形用拉深沖孔預(yù)制坯(圖2)。

圖2 旋壓預(yù)制坯結(jié)構(gòu)

鈑制帶輪由增厚成形階段和旋齒成形階段組成，每階段各為工步，該旋壓成形工藝共計四工步。旋彎增厚成形和旋平增厚成形組成前一階段；預(yù)成齒成形和成齒成形為后一階段，故鈑制帶輪殼體零件可通過四工步立式旋壓機實現(xiàn)外壁特征結(jié)構(gòu)的分步成形。

有限元模型建立

建立增厚成形階段的Pro/E三維模型，采用Simufact軟件對旋壓成形過程中的旋彎成形和旋平增厚成形過程進行模擬分析，建立如圖3所示的有限元模型。坯料選擇為塑性體，模具為剛性體，材料選用DD13-ck，旋輪與工件的摩擦系數(shù)設(shè)為0.05，坯料和模具溫度20℃，上下芯模與坯料摩擦系數(shù)設(shè)為0.30。相關(guān)旋壓工藝參數(shù)如表1所示，成形過程中，上下芯模帶動坯料做自轉(zhuǎn)，旋輪沿徑向進給，做被動旋轉(zhuǎn)。通過簡化坯料內(nèi)部結(jié)構(gòu)提高運算效率，前兩道次旋壓成形獲得了合適的旋齒預(yù)制坯。

圖3 兩道次成形有限元模型

成形過程分析

圖4所示為一道次增厚成形過程等效應(yīng)力分布云圖，可見最大應(yīng)力出現(xiàn)在旋輪R弧與坯料接觸位置。成形過程中，在弧形旋輪徑向進給作用下，變形區(qū)的金屬始終處于壓應(yīng)力作用下的不均勻塑性流動狀態(tài)。隨著變形過程的進行，變形區(qū)金屬材料逐漸沿軸向和徑向流動，坯料外緣半徑減小，與旋輪弧面結(jié)構(gòu)貼合，形成聚料圓弧結(jié)構(gòu)。由于零件具有上下凸筋結(jié)構(gòu)，在下芯模上端部位成形出弧形結(jié)構(gòu)用來聚料，當旋輪貼模時，因為其結(jié)構(gòu)限制實現(xiàn)側(cè)壁的整體增厚，坯料外緣的應(yīng)力集中區(qū)由表層不斷擴展至內(nèi)層，主受力區(qū)域面積增加。隨著成形過程進行，坯料外緣在一道次旋輪模具約束下發(fā)生自由彎曲變形，得到旋彎成形道次的成形件。

圖4 一道次增厚成形過程等效應(yīng)力分布圖

表1 多楔帶輪旋壓成形參數(shù)

根據(jù)一道次模擬結(jié)果，在同一芯模下進行二道次旋平貼模，成形上下凸筋。圖5所示為二道次旋平成形過程等效應(yīng)力分布圖，上一道次坯料上端結(jié)構(gòu)未貼模，旋平過程中該部分材料趨于兩向流動實現(xiàn)貼模。然而聚料所需的弧形結(jié)構(gòu)在后續(xù)貼模過程的位移較大，上端弧形結(jié)構(gòu)變形區(qū)的金屬流動趨勢不一致，從而產(chǎn)生明顯的材料折疊，進而呈現(xiàn)出微觀裂紋（圖6）。

圖5 二道次旋平成形過程等效應(yīng)力分布圖

圖6 材料折疊裂紋

在多楔帶輪生產(chǎn)過程中，對于存在上凸緣的帶輪結(jié)構(gòu)，為了保證貼模效果，一般允許零件出現(xiàn)輕微材料折疊，即裂紋深度不允許超過100μm。然而在實際生產(chǎn)中，內(nèi)側(cè)的材料裂紋會降低零件服役性能，需后續(xù)車削加工。對于文章所述的研究對象，可以通過對預(yù)制坯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來消除材料裂紋。

預(yù)制坯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于上述模擬分析結(jié)果，對旋壓預(yù)制坯進行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。相較之前的預(yù)制坯結(jié)構(gòu)，其設(shè)計思路是降低預(yù)制坯端面高度，把內(nèi)側(cè)易發(fā)生折疊區(qū)設(shè)計成圓弧凸包結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在增厚的同時，最先與下芯模過渡位置貼模，從而將內(nèi)側(cè)易發(fā)生折疊位置向下移動，減小上端中兩向流動的材料折疊傾向，優(yōu)化后的模擬參數(shù)設(shè)置同上。

圖7 優(yōu)化后旋壓預(yù)制坯局部形狀

通過優(yōu)化旋輪結(jié)構(gòu)后的旋彎成形過程應(yīng)力分布圖如圖8所示，可見成形結(jié)束后坯料上端與下芯模過渡位置已貼模，材料折疊位置的下移有利于消除內(nèi)折疊缺陷。根據(jù)一道次模擬結(jié)果，采用同一芯模進行二道次旋平貼模，其成形過程如圖9所示。由于一道次成形件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，材料折疊易發(fā)生位置向下芯模偏移；二道次旋平過程中板坯主變形區(qū)由圓弧頂部均勻向整個側(cè)邊擴展，整體分布均勻，成形結(jié)束后無折疊產(chǎn)生，上下凸筋充填飽滿，成形效果滿足設(shè)計要求。

圖8 優(yōu)化后一道次成形過程等效應(yīng)力分布圖

圖9 優(yōu)化后二道次成形過程等效應(yīng)力分布圖

起皺缺陷分析

在成形多楔帶輪殼體的過程中，外緣表面起皺是較為常見的旋壓缺陷之一（圖10）。經(jīng)研究對比，在鈑制帶輪增厚成形階段，由于旋彎輪結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，與旋輪R弧末端相切的圓弧過渡不光滑，金屬流動在成形過程中受阻，導(dǎo)致外緣起皺。當零件輕微起皺，在后一道次旋平增厚成形過程中，會在旋平輪的作用下被消除，并不影響零件成形表面質(zhì)量。

圖10 表面起皺

試模驗證

結(jié)合上述仿真結(jié)果、工裝模具結(jié)構(gòu)和旋壓成形工藝，通過試驗試制驗證該方案的可行性。在四工位立式旋壓機上進行試驗，上下芯模和旋輪材料采用Cr12MoV模具鋼（圖11）。

圖11 旋壓工裝圖

采用表1的工藝參數(shù)在CDC-60數(shù)控旋壓機上進行試模驗證，由其剖面放大圖可知下芯模過渡位置未出現(xiàn)材料折疊，外壁增厚明顯，上下凸筋成形較好，沒有飛邊產(chǎn)生，與模擬結(jié)果吻合。最后進行旋齒得到最終成品的成形零件截面（圖12）。零件上下凸筋端面有一定的溢料飛邊，齒形整體充填飽滿，表面光潔，滿足使用要求。

圖12 成形零件截面

結(jié)束語

采用有限元仿真對鈑制帶輪殼體增厚成形階段的兩道次成形過程中的局部材料流動和缺陷進行分析研究，并進行了工藝試驗驗證，得出如下結(jié)論。

⑴旋彎成形過程中，變形區(qū)金屬在旋輪R弧作用下，半徑逐漸縮小，形成弧形聚料結(jié)構(gòu)。變形區(qū)金屬徑向形變逐漸增加，從而成形出外壁整體結(jié)構(gòu)。

⑵旋平成形過程中，上端金屬沿軸向和徑向同時流動，弧形聚料區(qū)金屬貼合下芯模，兩股材料流動路徑疊加后導(dǎo)致材料折疊。

⑶基于初始模擬結(jié)果，對預(yù)制坯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將材料折疊易發(fā)生位置向下芯模偏移。根據(jù)優(yōu)化后的模擬結(jié)果和試驗驗證，有效控制了成形零件材料的折疊缺陷。