曲軸多楔帶輪旋壓成形數(shù)值模擬及試驗(yàn)

■合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 （安徽合肥 230009） 解貴華 薛克敏

■南通福樂達(dá)汽車配件有限公司 （江蘇南通 226300） 嚴(yán) 軍 周 敏

曲軸多楔帶輪零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該零件整體壁厚分布不均且輪緣中間部分帶有法蘭，法蘭高度為7.57mm，齒頂距內(nèi)側(cè)壁4.7mm?？紤]到曲軸多楔帶輪的尺寸精度要求及后續(xù)的車削加工要求，在旋齒之前輪緣的最小壁厚應(yīng)≥3.5mm。

圖1 曲軸多楔帶輪零件結(jié)構(gòu)

1. 旋壓成形工藝分析

旋壓成形曲軸多楔帶輪輪緣屬于特種旋壓技術(shù)，由于輪緣中間帶有法蘭，為提高材料利用率、降低生產(chǎn)成本，結(jié)合工藝最簡原則，采用局部增厚的旋壓成形工藝。選取厚度為8mm的圓形初始板坯，經(jīng)鏟旋內(nèi)筒得到外緣厚度為5m m的工件，再經(jīng)過沖壓外緣工序得到旋壓輪緣的預(yù)制坯，預(yù)制坯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 預(yù)制坯結(jié)構(gòu)

旋壓成形過程中模具的設(shè)計(jì)及旋壓道次的設(shè)定是影響零件成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，曲軸多楔帶輪輪緣旋壓成形采用4道次旋壓成形工藝。第1道次旋彎翻邊，該道次旋輪在曲軸多楔帶輪輪緣處為過渡圓弧狀，旋彎輪沿徑向進(jìn)給，板坯外緣在圓弧處向下翻邊，同時(shí)板坯在圓弧處聚料增厚；第2道次旋平工步，旋平輪徑向進(jìn)給，初步成形輪緣筒壁，同時(shí)預(yù)成形法蘭，如圖3所示；第3道次預(yù)旋齒工步，預(yù)旋齒輪徑向進(jìn)給，成形初步齒形；第4道次整形工步，精密成形齒形及整形法蘭，如圖4所示。該帶輪旋壓成形工藝的難點(diǎn)在于控制板坯旋壓翻邊的成形質(zhì)量，保證材料在法蘭處聚料充足，是后續(xù)道次旋壓成形質(zhì)量的關(guān)鍵。常見的缺陷有：由于聚料不足導(dǎo)致的法蘭未充填飽滿，上端內(nèi)壁出現(xiàn)折疊，導(dǎo)致微裂紋，上、下端面飛邊過多，材料利用率低等。

圖3 第2道次成形示意

圖4 第4道次成形示意

2. 旋壓增厚有限元模擬分析

利用Pro/Engineer建立工件和各道次模具的三維模型，基于有限元軟件Simufact對(duì)旋壓成形過程進(jìn)行模擬分析，第1道次有限元模型如圖5所示。

圖5 第1道次有限元模型

預(yù)制坯的材料為D D13，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際中旋壓機(jī)器的工作狀態(tài)，旋輪與工件之間設(shè)置為庫侖摩擦，摩擦因數(shù)取0.05，芯模及上、下模與工件之間也是庫侖摩擦，摩擦因數(shù)取0.3。旋壓過程有冷卻液，保證溫度不會(huì)過高，故模擬中工件和模具的溫度均設(shè)置為20℃。預(yù)制坯采用環(huán)狀六面體網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格總數(shù)約為24 000，設(shè)置二級(jí)網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)化等級(jí)。芯模及上、下模夾住工件自轉(zhuǎn)，旋輪徑向進(jìn)給，在與工件接觸時(shí)做被動(dòng)自轉(zhuǎn)。旋壓模擬的運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表1。

旋壓增厚階段是將工件外緣部分向下翻邊貼合下模同時(shí)預(yù)成形法蘭的過程。第1道次不同變形程度下的旋彎等效應(yīng)力分布云圖如圖6所示。成形過程中工件外緣與旋輪之間發(fā)生滾動(dòng)摩擦。初期旋彎輪剛與工件接觸時(shí)，工件在金屬剛度的影響下主要發(fā)生彈塑性變形。中期工件外緣部分在旋輪徑向壓力及“剛端”的約束下逐漸向下彎曲，接觸區(qū)的應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)力集中區(qū)也逐漸向周圍擴(kuò)展。由圖6c可見，工件外緣部分應(yīng)力普遍較大，說明在三向應(yīng)力的作用下輪緣部分的金屬發(fā)生了劇烈變形，在旋輪圓弧處產(chǎn)生了材料聚集，故達(dá)到了使輪緣在法蘭處增厚的效果。

第2道次旋平輪徑向進(jìn)給使工件輪緣完全貼合下模，成形過程中不同變形程度下等效應(yīng)力分布云圖如圖7所示。成形初期，工件在旋輪的推動(dòng)作用下，變形區(qū)金屬主要發(fā)生徑向流動(dòng)，使工件外緣逐漸貼合下模。隨著旋輪的推進(jìn)，旋輪與上、下模之間形成接近閉合的型腔，工件外緣金屬在徑向力的作用及型腔的限制下軸向流動(dòng)，法蘭處金屬向旋輪凹槽處流動(dòng)預(yù)成形法蘭。由圖7c可知，成形結(jié)束時(shí)法蘭處金屬充填不飽滿且分布不均，經(jīng)測量法蘭處的最大高度為7.05mm，未達(dá)到零件尺寸要求，不滿足后續(xù)加工要求，故需對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化。

表1 旋壓模擬運(yùn)動(dòng)參數(shù)

圖6 第1道次旋彎等效應(yīng)力分布

圖7 第2道次旋平等效應(yīng)力分布

3. 旋壓增厚工藝優(yōu)化

根據(jù)上述有限元模擬結(jié)果可知，第2道次旋平過程中法蘭的成形是工件側(cè)壁金屬受徑向力的擠壓向旋輪法蘭處型腔流動(dòng)的過程，法蘭的高度與工件側(cè)壁受到的壓應(yīng)力大小有關(guān)，壓應(yīng)力越大法蘭的高度也就越高。另外，若第1道次旋壓之后工件外緣弧度較小，會(huì)更有利于金屬材料在法蘭處聚集。因此在保證工件側(cè)壁旋齒厚度的前提下，增大工件外緣厚度以及減小外緣弧度可保證法蘭的成形高度，即通過優(yōu)化第1道次旋彎輪的結(jié)構(gòu)尺寸可改善法蘭成形高度不足的問題。經(jīng)多次有限元模擬總結(jié)出成形效果最佳的旋彎輪尺寸如圖8所示，通過減小圓弧半徑及增大圓弧深度提高工件在此處的增厚程度。

優(yōu)化模具后的第1道次等效應(yīng)力分布如圖9所示，優(yōu)化后的工件在法蘭處的弧度更小，增厚效果更明顯。在第1道次模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行第2道次旋壓，不同變形程度下的等效應(yīng)力分布如圖10所示，可見法蘭成形效果較好。經(jīng)測量法蘭的高度達(dá)到8.05mm，滿足后續(xù)加工要求，成形過程未出現(xiàn)折疊缺陷，工件在旋輪與上模之間有少量飛邊產(chǎn)生，這是由于旋輪與上模之間留有空隙，金屬材料在徑向壓力的作用下軸向流動(dòng)，符合模具設(shè)計(jì)預(yù)期，飛邊可通過精加工去除，不影響零件成形質(zhì)量。

圖8 第1道次旋彎輪尺寸優(yōu)化

圖9 優(yōu)化模具后第1道次等效應(yīng)力分布

前兩道次旋輪的徑向載荷曲線如圖11、圖12所示，第1道次旋輪徑向載荷曲線平穩(wěn)上升，說明工件所受徑向力逐漸增大，最大成形載荷在55kN左右。第2道次旋輪徑向載荷曲線有明顯驟增趨勢，這是由于旋平成形后期工件側(cè)壁被擠壓變薄，所需成形力較大，因而旋輪的載荷增大。

4. 旋齒有限元模擬分析

曲軸多楔帶輪旋齒模擬材料流動(dòng)較復(fù)雜，若采用傳統(tǒng)的有限元3D建模方法，模擬的時(shí)間較長，為減少分析時(shí)間，采用Simufact-2D進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)相近。

圖10 優(yōu)化模具后第2道次等效應(yīng)力分布

圖11 第1道次旋輪徑向載荷曲線

圖12 第2道次旋輪徑向載荷曲線

圖13 第3道次等效應(yīng)力分布

曲軸多楔帶輪多楔齒的旋壓成形過程是帶有V形槽的旋輪在徑向力作用下相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的工件作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，旋輪逐漸嵌入旋轉(zhuǎn)的工件中，產(chǎn)生局部連續(xù)的塑性變形，從而旋壓成形多楔齒形。第3道次預(yù)旋齒過程中不同變形程度下的等效應(yīng)力分布如圖13所示，當(dāng)旋輪的進(jìn)給量較小時(shí)，被旋輪擠出的金屬沿旋輪齒形表面流動(dòng)。隨著進(jìn)給量的增加，變形區(qū)擴(kuò)大，旋輪齒形面嵌入工件中，齒形區(qū)的金屬流動(dòng)方向趨于一致。如圖13b所示，成形中期上側(cè)齒形區(qū)材料充填飽滿時(shí)，下側(cè)齒形區(qū)還有空隙，由于工件側(cè)壁壁厚上下分布不均，且隨著旋輪的進(jìn)給材料有軸向流動(dòng)的趨勢，上側(cè)有上模具限制，但下側(cè)還留有間隙，金屬在上側(cè)齒形區(qū)的軸向流動(dòng)受到的限制比下側(cè)齒形區(qū)受到的限制大，故出現(xiàn)上、下齒成形不同步的現(xiàn)象。隨著下側(cè)金屬流動(dòng)受到下模的限制，下側(cè)齒形也逐漸成形，法蘭處的金屬也充填飽滿，如圖13c所示。

在預(yù)旋齒的基礎(chǔ)上用精整形旋輪對(duì)工件側(cè)壁法蘭及齒形區(qū)進(jìn)行精整形，第4道次成形等效應(yīng)力分布如圖14所示。隨著旋輪進(jìn)給，金屬填滿齒形區(qū)型腔，當(dāng)旋輪進(jìn)給到設(shè)定位置時(shí)，法蘭及齒形區(qū)域金屬全部貼合模具，達(dá)到零件尺寸要求。

圖14 第4道次等效應(yīng)力分布

5. 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文試驗(yàn)在GF6025型多工位旋壓數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，旋壓工裝如圖15所示。經(jīng)4道次旋壓成形的曲軸多楔帶輪試驗(yàn)樣件如圖16所示。帶輪輪緣表面光潔，成形質(zhì)量良好。經(jīng)測量法蘭高度達(dá)到了9.5mm，滿足后續(xù)機(jī)加工要求，齒形區(qū)成形質(zhì)量良好，尺寸精度達(dá)到了零件要求。輪緣上、下側(cè)有飛邊產(chǎn)生，與模擬結(jié)果吻合。原則上，旋壓成形部分材料是留有余量的，故飛邊的產(chǎn)生是合理的，符合設(shè)計(jì)初衷，后續(xù)通過車削加工去除即可。

圖15 旋壓工裝

圖16 曲軸多楔帶輪旋壓試驗(yàn)樣件

6. 結(jié)語

通過有限元手段對(duì)曲軸多楔帶輪輪緣旋壓成形工藝方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變，探討了成形過程中輪緣金屬的流動(dòng)規(guī)律及變形機(jī)理，并進(jìn)行了工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下所述。

1）曲軸多楔帶輪輪緣的成形分4道次進(jìn)行：第1道次旋彎翻邊，通過圓弧狀旋輪的徑向進(jìn)給使金屬材料在法蘭處增厚聚料；第2道次旋平成形帶輪筒壁，預(yù)成形中間法蘭；第3道次預(yù)旋齒；第4道次精旋齒及整形法蘭。

2）曲軸多楔帶輪輪緣中間法蘭的高度較高，成形難度較大，經(jīng)過有限元模擬發(fā)現(xiàn)第1道次旋彎輪的形狀對(duì)法蘭的成形效果影響較大，并且通過增大旋輪圓弧深度、減小圓弧弧度的優(yōu)化工藝，提高了法蘭處金屬充填的飽滿程度，達(dá)到了法蘭的成形要求。

3）結(jié)合有限元模擬結(jié)果，通過旋壓成形試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝的可行性，法蘭的高度達(dá)到了9.5mm，達(dá)到了后續(xù)加工要求，齒形成形良好，滿足尺寸要求。另外，旋壓成形多楔齒能使金屬材料流線不被切斷，產(chǎn)生的加工硬化可提高齒面硬度，增強(qiáng)其耐磨性。