鋼制車輪輪輻旋壓成形數(shù)值模擬和工藝參數(shù)優(yōu)化

黨斌 單穎春 劉獻(xiàn)棟

摘要：為指導(dǎo)車輪輪輻旋壓成形工藝參數(shù)的選擇，利用Simufact Forming對(duì)某款輕型客車的輪輻旋壓過(guò)程進(jìn)行有限元仿真，改進(jìn)旋輪軌跡的確定方法，對(duì)比厚度仿真結(jié)果和實(shí)際加工結(jié)果，驗(yàn)證該仿真方法的有效性。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)表，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到一組針對(duì)該鋼制車輪輪輻旋壓成形的最優(yōu)工藝參數(shù)。利用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行輪輻旋壓成形仿真，結(jié)果表明輪輻最大厚度偏差和最大等效應(yīng)力都有所減少。

關(guān)鍵詞：鋼制車輪;輪輻;旋壓成形;旋輪軌跡;正交實(shí)驗(yàn);工藝參數(shù);優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.34;TG306

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2019）01-0008-06

0 引 言

在鋼制車輪生產(chǎn)工藝中，輪輻旋壓成形是關(guān)鍵工序之一[1]。在輪輻的錯(cuò)距強(qiáng)力旋壓成形過(guò)程中，加工工藝參數(shù)的選擇直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。單純依靠“試錯(cuò)法”研究輪輻錯(cuò)距強(qiáng)力旋壓工藝，使產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，成本高且生產(chǎn)周期長(zhǎng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元法理論的進(jìn)步，基于有限元法的計(jì)算機(jī)軟件逐漸應(yīng)用到鋼制車輪輪輻生產(chǎn)和研發(fā)過(guò)程中。利用金屬成形工藝模擬平臺(tái)Simufact Forming可模擬輪輻旋壓成形過(guò)程，獲得工件的厚度和等效應(yīng)力等物理場(chǎng)分布，評(píng)估成形性能，在改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)方案、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和縮短產(chǎn)品研發(fā)周期等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。[2]陳茂敬等[3]針對(duì)SS400熱軋鋼板用于輪輻旋壓出現(xiàn)橫向開(kāi)裂的現(xiàn)象，系統(tǒng)分析材料本身和旋壓工藝2方面的因素，認(rèn)為導(dǎo)致開(kāi)裂的主要原因是材料有原始裂紋和大量夾雜物以及旋壓成形比過(guò)大，但沒(méi)有研究工藝參數(shù)對(duì)輪輻成形的影響。張晉輝等[4]基于Abaqus Explicit平臺(tái)建立錐形件剪切旋壓的三維有限元模型，認(rèn)為較大的旋輪進(jìn)給量和芯模轉(zhuǎn)速有利于減小壁厚差，旋輪直徑對(duì)旋壓力和壁厚差的影響不顯著。陳崗等[5]基于Abaqus Explicit平臺(tái)對(duì)用于航空航天等領(lǐng)域的不銹鋼曲母線形件旋壓成形過(guò)程進(jìn)行三維彈塑性有限元模擬研究，認(rèn)為旋輪與坯料之間的間隙是決定工件壁厚均勻性的最重要因素，旋輪進(jìn)給比和旋輪圓角半徑分別對(duì)工件的起皺和拉裂傾向影響最顯著。孫為朋[6]研究輪輻旋壓過(guò)程中的材料流動(dòng)、板料壁厚變化、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)等分布規(guī)律，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究不同旋輪進(jìn)給軌跡、旋輪軸向錯(cuò)距等參數(shù)對(duì)旋壓成形質(zhì)量的影響規(guī)律，優(yōu)化旋輪進(jìn)給軌跡與旋輪軸向錯(cuò)距的匹配。BENI等[7]建立鋁制圓板旋壓過(guò)程的有限元模型，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的有效性。SANGKHARAT等[8]將正交試驗(yàn)法與有限元分析相結(jié)合，研究旋輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、進(jìn)給深度、摩擦因數(shù)等8個(gè)參數(shù)對(duì)SPCC冷軋鋼板旋壓的旋壓力和成形質(zhì)量的影響，認(rèn)為支撐輪寬度對(duì)旋壓力影響較大，旋輪半徑是影響零件厚度變化的最主要因素，旋輪半徑和支撐輪寬度對(duì)零件起皺失效有較大影響。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼制車輪輪輻的仿真較少，而鋼制車輪輪輻板厚較大，無(wú)法采用沖壓工藝加工，只能采用旋壓工藝加工，該工藝在等強(qiáng)度輪輻輕量化方面具有較大優(yōu)勢(shì)。本文基于Simufact Forming對(duì)某型輕客車的車輪輪輻旋壓工藝進(jìn)行仿真，利用正交試驗(yàn)分析旋輪進(jìn)給率、芯模轉(zhuǎn)速、旋輪間錯(cuò)距和摩擦因數(shù)等4個(gè)參數(shù)對(duì)輪輻旋壓成形效果的影響，得到一組最優(yōu)參數(shù)組合。該參數(shù)組合可使得成形效果最理想，指導(dǎo)實(shí)際輪輻旋壓成形過(guò)程工藝參數(shù)的調(diào)整。

1 旋壓工藝仿真方法

Simufact Forming對(duì)輪輻旋壓過(guò)程的仿真流程見(jiàn)圖1。確定旋輪軌跡是旋壓仿真的重要環(huán)節(jié)。旋壓工藝示意見(jiàn)圖2。

計(jì)算旋輪進(jìn)給時(shí)間t以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻旋輪位置坐標(biāo)X和Y

的傳統(tǒng)公式為

傳統(tǒng)旋輪軌跡確定方法具有一定的局限性，難以確定不規(guī)則形狀的軌跡和三旋輪時(shí)立體空間的旋輪軌跡。

本文采用傳統(tǒng)方法（式（1））確定旋輪軌跡的時(shí)間，旋輪位置坐標(biāo)確定方法為：（1）在二維CAD軟件中完成零件外輪廓草圖繪制，存為IGES格式;（2）將IGES文件導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行線網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出為MARC格式文件，見(jiàn)圖3;（3）在Excel中對(duì)MARC文件進(jìn)行整理即可得到旋輪軌跡坐標(biāo)，見(jiàn)圖4;（4）將整理后的旋輪軌跡導(dǎo)入Simufact Forming中。與傳統(tǒng)幾何方法相比，此方法可以適用于任何形狀、任何空間位置的旋輪軌跡的確定。

控制2個(gè)旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)鋼制車輪輪輻的成形，見(jiàn)圖5。利用上述軌跡確定方法確定旋輪軌跡，其中軟件定義的軌跡為旋輪成形面圓心的軌跡。

毛坯與尾頂間設(shè)置為固定連接，毛坯與芯模、毛坯與2個(gè)旋輪之間設(shè)置為接觸;芯模與尾頂同步主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，2個(gè)旋輪在接觸面摩擦力的作用下被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)分別沿各自軌跡做平移運(yùn)動(dòng)。旋壓成形工藝的三維仿真模型見(jiàn)圖6。板料各項(xiàng)材料參數(shù)對(duì)成形結(jié)果至關(guān)重要。該模型板料初始厚度為8.0 mm，其彈性模量為190 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，所對(duì)應(yīng)的塑性部分應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)相關(guān)企業(yè)的實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，初步選定一組輪輻旋壓參數(shù)：旋輪進(jìn)給率為2.0 mm/r，芯模轉(zhuǎn)速為200 r/min，2個(gè)旋輪間錯(cuò)距為5.0 mm，旋輪與板料間摩擦因數(shù)為0.13。仿真停止時(shí)間與精旋輪進(jìn)給時(shí)間一致。

2 旋壓仿真結(jié)果分析

當(dāng)旋壓成形工藝仿真計(jì)算完成后，查看板料厚度云圖和仿真剖面，見(jiàn)圖7和8。實(shí)際加工輪輻剖面見(jiàn)圖9。在輪輻剖面上選取11個(gè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖10）測(cè)量其厚度，比較各點(diǎn)實(shí)測(cè)厚度與對(duì)應(yīng)的仿真厚度，結(jié)果見(jiàn)表2和圖11。由此表明，測(cè)點(diǎn)1、2、3和11的仿真結(jié)果較實(shí)際結(jié)果偏薄，最大偏差不超過(guò)5.08%;測(cè)點(diǎn)4仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合較好;測(cè)點(diǎn)5～10的仿真結(jié)果較實(shí)際結(jié)果偏厚，最大偏差不超過(guò)12.43%。因此，所采用的仿真方法可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)輪輻截面厚度。

3 基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的輪輻旋壓工藝參數(shù)優(yōu)化

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素、多水平的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)正交性，從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。這些有代表性的點(diǎn)具有均勻分散、齊整可比的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)以最少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到與大量全面試驗(yàn)等效的結(jié)果，因此正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)是一種高效、快速而經(jīng)濟(jì)的多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。[9]

上述仿真結(jié)果中輪輻截面厚度與實(shí)測(cè)厚度的變化規(guī)律基本一致，為使仿真成形后輪輻各截面厚度更接近實(shí)測(cè)結(jié)果、減少?gòu)U品率，選取最大厚度偏差和最大等效應(yīng)力作為正交優(yōu)化目標(biāo);根據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，選取對(duì)輪輻旋壓成形影響較大的4個(gè)因素作為正交試驗(yàn)的4個(gè)影響因子[10]，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，設(shè)計(jì)四因素三水平的正交試驗(yàn)表L9（34）。按照正交試驗(yàn)表試驗(yàn)順序進(jìn)行9組仿真分析，獲得車輪輪輻最大厚度偏差以及輪輻中的最大等效應(yīng)力，見(jiàn)表3。表3中：A為旋輪進(jìn)給率、B為芯模轉(zhuǎn)速、C為錯(cuò)距、D為摩擦因數(shù)。

為更直觀地分析各因素對(duì)輪輻旋壓結(jié)果的影響，根據(jù)表4和5中的均值繪制各因素水平影響的趨勢(shì)，見(jiàn)圖12和13，其中：橫坐標(biāo)中A、B、C、D分別表示進(jìn)給率、芯模轉(zhuǎn)速、錯(cuò)距和摩擦因數(shù)，下標(biāo)數(shù)字1、2、3分別表示各因素對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為160、180和200 r/min，例如B1表示芯模轉(zhuǎn)速160 r/min。

由表5和圖12可以看出，最大厚度極差的大小排列順序?yàn)镈>B>C>A，即摩擦因數(shù)>芯模轉(zhuǎn)速>錯(cuò)距>進(jìn)給率，說(shuō)明摩擦因數(shù)對(duì)最大厚度偏差

的影響最大，進(jìn)給率對(duì)最大厚度偏差的影響最小。由于最大厚度偏差越小越好，因此按最大厚度最優(yōu)取得的工藝參數(shù)組合為A2B1C3D1;從表5和圖13可以看出，最大等效應(yīng)力極差的大小排列順序?yàn)镃>D>B>A，即錯(cuò)距>摩擦因數(shù)>芯模轉(zhuǎn)速>進(jìn)給率，說(shuō)明錯(cuò)距對(duì)最大等效應(yīng)力的影響最大，進(jìn)給率對(duì)最大等效應(yīng)力的影響最小。由于最大等效應(yīng)力越小越好，因此按最大等效應(yīng)力最優(yōu)取得的工藝參數(shù)組合為A3B3C1D2。

由上述分析可知，最大厚度偏差和最大等效應(yīng)力2個(gè)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)時(shí)所選的工藝參數(shù)組合不一致，因此需要采用綜合平衡法確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合。綜合平衡分析結(jié)果見(jiàn)表6～9。

由表7可知：取A2時(shí)的最大厚度偏差比取A3時(shí)減小4.35%（有利），而最大等效應(yīng)力只增加1.17%（不利）;取A3時(shí)的最大厚度偏差比取A2時(shí)增加4.17%（不利），而最大等效應(yīng)力只減少1.18%（有利）。因此，進(jìn)給率取A2。同理，芯模轉(zhuǎn)速取B1，錯(cuò)距取C1，摩擦因數(shù)取D1。

通過(guò)以上分析，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A2B1C1D1，即進(jìn)給率為1.5 mm/r，芯模轉(zhuǎn)速為160 r/min，錯(cuò)距為5.0 mm，摩擦因數(shù)為0.13。由于最優(yōu)參數(shù)組合不在正交試驗(yàn)表的9組試驗(yàn)之中，因此采用優(yōu)化參數(shù)組合進(jìn)行有限元仿真分析，實(shí)際厚度與優(yōu)化后仿真厚度對(duì)比見(jiàn)表10，優(yōu)化后的最大等效應(yīng)力見(jiàn)圖14。

由表10可以看出：最大厚度偏差出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)10位置，其值為10.68%，小于前面9組仿真中最大厚度偏差最小值12.43%。由圖14可知：最大等效應(yīng)力為636.92 MPa，小于前面9組仿真中最大等效應(yīng)力最小值644.90 MPa，證明參數(shù)組合優(yōu)化有效。

4 結(jié) 論

基于Simufact Forming，改進(jìn)旋輪軌跡確定方法，使其更具通用性。借助正交試驗(yàn)優(yōu)化方法，選取進(jìn)給率、芯模轉(zhuǎn)速、錯(cuò)距和摩擦因數(shù)等4個(gè)參數(shù)，針對(duì)輪輻成形后的最大厚度偏差和最大等效應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化，得到一組最優(yōu)加工參數(shù)組合，有效減小最大厚度偏差、降低最大等效應(yīng)力，對(duì)產(chǎn)品實(shí)際加工有一定的指導(dǎo)意義。

（1）采用本文優(yōu)化的旋輪軌跡確定方法，對(duì)輪輻旋壓加工過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，仿真厚度與實(shí)際厚度的變化規(guī)律一致，驗(yàn)證旋輪軌跡確定方法和旋壓仿真方法的有效性。

（2）通過(guò)正交試驗(yàn)，分析進(jìn)給率、芯模轉(zhuǎn)速、錯(cuò)距和摩擦因數(shù)對(duì)旋壓仿真結(jié)果的影響，結(jié)果表明：摩擦因數(shù)對(duì)最大厚度偏差影響最大，而且隨著摩擦因數(shù)的增加，最大厚度偏差有增大的趨勢(shì);進(jìn)給率對(duì)最大厚度偏差的影響最小;影響最大等效應(yīng)力的2個(gè)主要因素是錯(cuò)距和摩擦因數(shù)，其次是芯模轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率。

（3）通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得一組優(yōu)化工藝參數(shù)組合：進(jìn)給率為1.5 mm/r，芯模轉(zhuǎn)速為160 r/min，錯(cuò)距為5.0 mm，摩擦因數(shù)為0.13。采用該組工藝參數(shù)，可將最大厚度偏差降為10.68%，為該款車輪輪輻旋壓工藝參數(shù)的選擇提供參考。

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（編輯 武曉英）