汽車零件旋壓技術(shù)及其基于數(shù)值模擬方法的應(yīng)用現(xiàn)狀

王祥鑒 藍(lán)麗招 周豪

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

近年來，我國出現(xiàn)汽車運(yùn)動化和年輕化設(shè)計(jì)趨勢，引起了制造商廣泛關(guān)注[1-2]。因此，對汽車上復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件制造要求也越來越高，為滿足其產(chǎn)品制造需求，將材料成形主要技術(shù)之一的旋壓技術(shù)應(yīng)用于車輛零部件成形制造領(lǐng)域[3]。旋壓成形技術(shù)是利用旋輪對坯料進(jìn)行加工，使之在加工過程中產(chǎn)生塑性變形，成為芯模形狀的工藝[4]。該技術(shù)具有沖壓成形的特點(diǎn)，具有工序簡單、成形精度相對較高、材料利用率高、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，特別是在對車輛零部件進(jìn)行加工時(shí)，可使其整體性能顯著提升。近年來，我國科研工作者利用有限元分析在旋壓領(lǐng)域取得了諸多突破。葉博海[5]通過有限元數(shù)值模擬軟件明確了旋壓成形過程中坯料的回彈規(guī)律。閆靜鍇等[6]通過仿真數(shù)值模擬分析，研究了旋輪與芯模間隙、旋輪進(jìn)給比以及旋輪與旋壓件之間的摩擦因數(shù)對旋壓件貼模性的影響規(guī)律。李彥清等[7]對錐形件強(qiáng)力旋壓過程進(jìn)行了仿真模擬分析，研究了旋壓成形過程中應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，得出試驗(yàn)結(jié)果和仿真模擬結(jié)果相互吻合。目前，旋壓產(chǎn)品需求種類也不斷增多，在車輛的輪轂、氣瓶、發(fā)動機(jī)多楔輪等薄壁回轉(zhuǎn)體零部件制造中，常采用旋壓技術(shù)[8]。

本文通過對旋壓技術(shù)的特點(diǎn)及其在汽車零部件上的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并基于數(shù)值模擬方法進(jìn)行總結(jié)，旨在有效地提升汽車零部件的成形質(zhì)量和精度，并推動旋壓技術(shù)的改革和創(chuàng)新。

1 旋壓技術(shù)發(fā)展概述

1.1 旋壓技術(shù)發(fā)展過程

旋壓技術(shù)是一個古老的傳統(tǒng)工藝技術(shù)，旋壓工藝最先是起源于中國，并在殷商時(shí)期開始應(yīng)用旋壓成形技術(shù)來制作陶坯體[9]，直到13 世紀(jì)初起，旋壓成形這項(xiàng)技術(shù)才慢慢開始傳入歐洲各國家。在18 世紀(jì)初期，第一個在金屬旋壓上獲得專利的國家是德國，從那以后就逐漸開始將旋壓技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)制造上。在20 世紀(jì)開始以來，人們才將旋壓技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用在板材成形加工上，自此以后，在數(shù)控技術(shù)與液壓技術(shù)的逐漸發(fā)展及完善下，才開始出現(xiàn)了旋壓機(jī)床的雛形[10-11]。在軍事以及航天航空工業(yè)的推動下，旋壓技術(shù)得到了快速發(fā)展，現(xiàn)如今旋壓技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)當(dāng)中。

1.2 國內(nèi)外旋壓設(shè)備發(fā)展

美國、德國等發(fā)達(dá)國家在旋壓技術(shù)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，這些工藝發(fā)達(dá)國家的旋壓設(shè)備具有精度高、操作方便，具有產(chǎn)品表面質(zhì)量高、加工誤差小、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[12]。其中，德國著名的旋壓設(shè)備生產(chǎn)公司Leifeld生產(chǎn)的AFPM系列、WSC系列旋壓機(jī)受到了德國乃至國際上的廣泛好評。而美國則在德國的基礎(chǔ)上發(fā)明了旋壓全數(shù)控機(jī)床，加工零件直徑可從150 mm擴(kuò)大至4 570 mm。除此之外，西班牙的DENN公司以及法國的Termoz 公司在旋壓設(shè)備的研發(fā)上均實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的飛躍[13]。

而我國是則在20世紀(jì)60年代將旋壓設(shè)備及技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)制造。受限于我國當(dāng)時(shí)的制造水平，導(dǎo)致了其相發(fā)展速度對緩慢。發(fā)展至今，通過我國不斷努力以及模仿改進(jìn)創(chuàng)新，已經(jīng)逐漸縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，我國生產(chǎn)高質(zhì)量旋壓機(jī)床的能力與使用旋壓技術(shù)生產(chǎn)高精度產(chǎn)品的機(jī)械制造能力已經(jīng)基本具備[14]，但與世界先進(jìn)工藝水平國家仍有一段距離。

1.3 旋壓技術(shù)特點(diǎn)

旋壓技術(shù)是一種將鍛造、擠壓、拉伸、彎曲工藝特點(diǎn)融合在一起的無切削加工工藝[15]。采用旋壓技術(shù)成形金屬材料，能保證產(chǎn)品在被加工完后仍具有完整的金屬流線，其次可使材料的利用率得到顯著提升，具有延長模具壽命的優(yōu)點(diǎn)[16-17]。在加工汽車零部件時(shí)，使金屬坯料在芯模的作用力下同芯模一起旋轉(zhuǎn)，此時(shí)在金屬坯料某一欲成形地方施加一定載荷，從而讓金屬坯料的變形處于一種流動狀態(tài)，以此來保證旋壓成形的精度，從而達(dá)到無切削加工工藝。旋壓技術(shù)與塑性變形是不同的，旋壓技術(shù)是將坯料成形中的流動變形以及其塑性變形這一復(fù)雜加工過程進(jìn)行了綜合，以此來保證加工過程中不會對坯料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行損傷，所以采用旋壓技術(shù)加工汽車零部件不僅達(dá)到了零部件的加工要求和標(biāo)準(zhǔn)，還提高了零部件的剛度?；诖?，將旋壓技術(shù)應(yīng)用在汽車零部件的制造中具有十分廣闊的前景。

2 旋壓成形技術(shù)在汽車零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 汽車輪轂旋壓成形

汽車輪轂在汽車在行駛過程起著傳遞動力作用的同時(shí)還是承載車身全部質(zhì)量的重要部件[18]，且輪轂直接影響到駕駛員的駕駛體驗(yàn)及乘客的舒適感。當(dāng)前，為提高輪轂成形質(zhì)量及產(chǎn)品性能，在制造輪轂時(shí)，常將鑄造、鍛壓及其旋壓進(jìn)行綜合運(yùn)用，而僅需更換旋壓模具即可制造出不同尺寸、不同樣式的輪轂。圖1為車輪輪轂旋壓前后的對比圖。

圖1 旋壓前后輪轂變化情況

張勝、余成遠(yuǎn)等[19-20]研究了旋壓在車輪成形制造中的應(yīng)用，這為輪轂采用旋壓成形提供了充分的理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，趙玉霞[21]等為對輪轂旋壓成形過程中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而對4 因素4 水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiment,DOE）進(jìn)行了分析，研究結(jié)果得出摩擦因數(shù)為0.2，旋輪圓角半徑為8 mm，進(jìn)給率為1.4 mm/轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速為210 r/min 時(shí)是最佳工藝參數(shù)。這為近年來使用鋁合金旋壓汽車輪轂的主流時(shí)代研究者們提供了重要參考數(shù)據(jù)[22]。

對于一些復(fù)雜形狀零件采用單道次旋壓已不能滿足其成形要求，此時(shí)則需通過多次旋壓操作來達(dá)到零件的加工要求?；诖?，其中一部分研究者則利用旋壓成形技術(shù)的多道次對特殊輪轂、大尺寸輪轂制造成形過程進(jìn)行了相應(yīng)研究。唐季平[23]則利用多道次旋壓技術(shù)對蝶形輪轂進(jìn)行了研究分析，其多道次旋壓示意圖如圖2 所示，將整個旋壓過程共分為了3 次。其結(jié)果表明使用多道次旋壓，不僅可以提高成形質(zhì)量，且能加工形狀更為復(fù)雜的零部件。而王建華等[24]則使用6061鋁合金旋壓成大尺寸汽車輪轂進(jìn)行了研發(fā)，并在旋壓成形過程中著重對零件的應(yīng)力、應(yīng)變及其溫度變化進(jìn)行了分析總結(jié)，同時(shí)還通過試驗(yàn)對該成形方案的可行性進(jìn)行了充分論證。該研究結(jié)果為采用旋壓成形技術(shù)加工大汽車鋁合金輪轂奠定了一定的基礎(chǔ)，且提供了一定理論支撐及重要參考數(shù)據(jù)。

圖2 多道次旋壓示意

2.2 氫氣瓶旋壓成形

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，全社會的汽車保有量正在不斷增長。然而，汽車尾氣排放對環(huán)境造成了一定負(fù)擔(dān)。因此，各國正致力于研究低碳燃料，其中天然氣是被廣泛探索的低碳能源之一。經(jīng)過學(xué)術(shù)界和汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過不斷研究發(fā)現(xiàn)，氫能源具有成為清潔能源的潛力。而且天然氣和氫能作為汽車的低碳和零碳燃料與當(dāng)前所提倡的環(huán)保要求相契合。然而，這也給汽車氣瓶的制造提出了更高的要求，特別是對于氣體而言，需要滿足其壓力極限并確保氣瓶的氣密性。傳統(tǒng)的沖壓和焊接制造方式在一定程度上會對氣瓶內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷，難以滿足制造要求。與此相反，采用旋壓技術(shù)進(jìn)行制造可以完全避免這個問題。因此，一些學(xué)者也對氣瓶的旋壓加工制造進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

王庚[25]對Y-Ton高純氫氣瓶的旋壓加工工藝方案進(jìn)行了優(yōu)化（圖3），同時(shí)并對其優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行精細(xì)化建模分析，其結(jié)果表明該優(yōu)化方案可應(yīng)用于實(shí)踐結(jié)合生產(chǎn)。這為采用旋壓技術(shù)加工汽車氫氣瓶這一制造技術(shù)，進(jìn)一步提供了理論與實(shí)際應(yīng)用的支撐。張慶旭等[26-27]對薄壁氣瓶的旋壓成形進(jìn)行了研究，分析了在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給比對薄壁高壓氣瓶成形時(shí)的影響規(guī)律，此研究結(jié)果對提高高壓薄壁氣瓶的成形精度具有指導(dǎo)意義。

圖3 氫氣瓶旋壓加工成形示意

其次，王洪海等[28]對使用強(qiáng)力旋壓制造大容積氣瓶進(jìn)行了研究分析，同時(shí)提出我國相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用強(qiáng)力旋壓工藝，以對輪旋壓技術(shù)和浮動芯模法作為輔助生產(chǎn)大直徑超長氣瓶用無縫鋼管，以滿足國內(nèi)不斷上升的對輕量化氣瓶的需求。但收口、底部在旋壓成形中也是一大難題，針對此問題，劉光軍、程凱等[29-30]對氫氣瓶封頭底部處出現(xiàn)的裂紋和旋壓氣瓶收口處進(jìn)行了相應(yīng)的分析與優(yōu)化，其研究結(jié)果提出在旋壓加工氣瓶收口處時(shí)，可以采取對坯料內(nèi)外表面進(jìn)行加熱的同時(shí)進(jìn)行旋壓，可提高氣瓶成形的綜合質(zhì)量。以上研究為氣瓶旋壓成形加工的各個領(lǐng)域及成形難題分別做了討論與研究，提出了相應(yīng)的解決辦法及優(yōu)化方案，這為我國在此方面縮短與國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的距離，具有積極意義。

2.3 汽車多楔輪加工成形

多楔輪作為各行各業(yè)中含傳動設(shè)備的關(guān)鍵零部件之一，使用范圍十分廣闊，其中以汽車工業(yè)等領(lǐng)域最具有代表性[31]，其實(shí)物如圖4 所示。以汽車行業(yè)為例，多楔輪是發(fā)動機(jī)中常見的零部件之一。使用旋壓成形技術(shù)對多楔輪進(jìn)行加工，具有多個優(yōu)點(diǎn)。首先，可以避免在加工過程中對帶輪坯料內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷，保持材料的完整性。其次，旋壓成形能夠提高材料的利用率，減少浪費(fèi)。此外，通過旋壓成形，還可以滿足多楔輪制造方面的高精度和高強(qiáng)度要求。因此，將旋壓成形應(yīng)用于多楔輪的制造能夠充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，并可保證多楔輪的制造要求。

圖4 多楔輪零件實(shí)物

在旋壓加工多楔輪時(shí)，旋輪常出現(xiàn)磨損快、圓角塌陷問題，這樣不但使模具壽命降低了，而且還會對零件的表面成形質(zhì)量造成一定程度上的影響，所以王建華等[32]針對此問題采用了正交試驗(yàn)方法進(jìn)行研究優(yōu)化。得出最優(yōu)方案為：芯模轉(zhuǎn)速為500 r/min，進(jìn)給率為0.5 mm/s，旋輪直徑為220 mm，并對其進(jìn)行了驗(yàn)證，其成形質(zhì)量完全滿足該產(chǎn)品制造要求。而在解決此成形缺陷問題后，又有學(xué)者在對其材料的選擇進(jìn)行了分析，使其降低旋壓成形后零件的質(zhì)量。通過解琳[33]的研究發(fā)現(xiàn)，在采用旋壓成形技術(shù)加工多楔輪時(shí)，使用鋼板材料SPHE 與08AL(GB/T 711—2017)時(shí)，不但可以提高零件的生產(chǎn)效率、降低其制造成本，而且在滿足零件結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)，還能契合節(jié)約資源這一目標(biāo)，使其達(dá)到真正意義上的輕量化，其優(yōu)勢十分顯著。

2.4 汽車其他零部件的旋壓成形加工

近年來，旋壓加工成形技術(shù)應(yīng)用在我國車輛零部件制造中逐漸成熟，并廣泛應(yīng)用于汽車的各個零部件制造中。余林峰等[34]將旋壓技術(shù)應(yīng)用于薄壁內(nèi)外齒形件成形加工中，并且對成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變以及材料的流動情況進(jìn)行了研究，其次通過分析總結(jié)出規(guī)律，據(jù)此揭示出了該成形過程的成形機(jī)理。其結(jié)果表明，該加工成形過程是剪切與擠壓變形相融合的復(fù)合成形，加工區(qū)域里坯料流動的方向與相互嚙合的旋輪方向始終一致。夏琴香[35]也對內(nèi)外齒旋壓缺陷規(guī)律進(jìn)行了探究，通過試驗(yàn)分析得到了加工過程中由于旋輪與芯模存在間隙而造成成形缺陷的規(guī)律，并得出在既定條件的成形過程中芯模與旋輪間間隙的最優(yōu)數(shù)值。其研究結(jié)果表明當(dāng)芯模與旋輪間存在的間隙值在下極限尺寸值與齒頂壁厚公稱尺寸的中間數(shù)值時(shí)，既可保證壁厚要求，又可以最大限度地降低成形缺陷。這2 項(xiàng)研究為薄壁內(nèi)外齒形件的旋壓成形技術(shù)提供了一定理論數(shù)據(jù)及缺陷減低技術(shù)。

此外，旋壓技術(shù)不僅可以用于離合器輪轂加工，還可以使離合器輪轂在旋壓后達(dá)到增厚的要求。孫新毅[36]在相關(guān)研究中得出，如需增厚就需要一個帶槽的旋輪。并據(jù)此得出成形加工方案，且該方案已正式用于加工成形中，使用此方案就更大限度地提高了材料利用率。

3 基于數(shù)值模擬方法的旋壓技術(shù)在汽車零部件制造中的應(yīng)用

隨著工業(yè)發(fā)展，旋壓技術(shù)也逐漸成熟，因此越來越多的企業(yè)都會選擇此加工成形方式，但是在對部分材料進(jìn)行旋壓時(shí)，可能由于操作人員對材料不夠了解，也可能是因?yàn)闆]有此材料的成熟加工參數(shù)，從而造成材料及時(shí)間的不必要浪費(fèi)。使用有限元數(shù)值模擬分析方法可以解決材料非線性以及幾何非線性等成形過程中相對較為復(fù)雜的變形問題，因此將其應(yīng)用于旋壓技術(shù)上，可在加工前使用計(jì)算機(jī)對新型材料或加工困難的材料進(jìn)行數(shù)值模擬，以得到加工困難的材料成熟加工參數(shù)以及其成形規(guī)律，使用此方法不但可減少材料在實(shí)際旋壓加工成形中可能出現(xiàn)的失誤，還能提高材料的利用率及其產(chǎn)品性能，從根本上避免了材料由于各種失誤而造成的浪費(fèi)，所以采用數(shù)值模擬已是該領(lǐng)域解決成形困難的一種重要研究手段。

皮帶輪與多楔輪都是傳動系統(tǒng)里非常重要的零部件，尤其是在汽車發(fā)動機(jī)里其作用更為突出。王琪等[37]將電磁離合器中的皮帶輪作為其研究對象，并使用Unigraphics 進(jìn)行建模，再采用DEFORM-3D 有限元分析軟件對旋壓過程進(jìn)行了仿真模擬，以探究其在加工過程中的應(yīng)力變化。其研究結(jié)果表明：預(yù)加工時(shí)，坯料溫度最高，此時(shí)的等效應(yīng)力最小，而隨著旋壓加工的開始，溫度逐漸降低，而最大等效應(yīng)力升高。張曉輝等[38]則使用有限元分析方法對旋壓皮帶輪出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，并對其加工方案進(jìn)行改進(jìn)，證明了其改進(jìn)方案的有效性。這2項(xiàng)研究主要針對皮帶輪旋壓成形，這為其皮帶輪的加工成形及其加工方案改進(jìn)提供了一定指導(dǎo)意義。秦飛等[39]使用有限元Deform-3D分析軟件采用螺旋式進(jìn)給方式，對V形帶輪進(jìn)行了3D仿真分析，對其加工成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況與旋輪的載荷大小進(jìn)行了解析，并將數(shù)值模擬結(jié)果與成形件相對比。研究結(jié)果為：實(shí)際加工過程中采用2道次加工方式時(shí)的旋輪所能承受的最大載荷至少為87～155 kN，其模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果失誤數(shù)據(jù)誤差最大為0.7%，不僅驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性，而且為其他類型V形帶輪成形提供了基礎(chǔ)方法。

而另一部分研究人員則是對多楔輪做了相應(yīng)分析，其中翁劍成、萬里翔等[40-41]主要針對多楔輪在旋壓成形加工中易出現(xiàn)變形而研究并提出解決方案。首先是對多楔輪根據(jù)旋壓加工時(shí)進(jìn)行建模，其部件主要有轉(zhuǎn)軸、坯料、尾頂、旋輪4 部分，再基于Deform 有限元分析軟件進(jìn)行仿真模擬其加工過程，并提出采用4道次加工方案，研究顯示，該方案滿足加工要求。合肥工業(yè)大學(xué)李俊輝、解貴華等[42-43]也使用了有限元分析軟件對曲軸多楔帶輪在旋壓加工過程時(shí)進(jìn)行了仿真模擬，并得出最優(yōu)成形方案為4道次旋壓成形，其方案成形結(jié)果與實(shí)際成形結(jié)果完全吻合。

旋壓加工技術(shù)在汽車輪轂制造中應(yīng)用十分成熟，因此數(shù)值模擬在此領(lǐng)域中同樣廣泛。黃長清等[44-45]針對A356鋁合金在旋壓成形輪轂時(shí)出現(xiàn)的加工缺陷問題采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析并優(yōu)化解決，經(jīng)過研究得出旋輪1和2提前退刀導(dǎo)致了旋輪3負(fù)荷較大而引起制造缺陷，因此采用改善成形死角的同時(shí)并延長旋輪2的加工路徑，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案仿真分析結(jié)果與實(shí)際成形結(jié)果相吻合。黨斌[46]利用Simufact Forming分析軟件對車輪輪輻的旋壓加工成形過程進(jìn)行了仿真模擬，其目的是為了得到更優(yōu)成形結(jié)果的工藝參數(shù)。首先是用厚度作為指標(biāo)，對比了仿真分析結(jié)果與實(shí)際成形結(jié)果，以驗(yàn)證仿真的合理性。其次利用正交試驗(yàn)優(yōu)化加工中的工藝參數(shù)，得出一組最優(yōu)成形參數(shù)。最后利用試驗(yàn)將其參數(shù)加以證明及分析，得到反饋結(jié)果為：輪輻的最大等效應(yīng)力和偏差都有一定程度降低。

通過以上分析可知，不論是旋壓技術(shù)還是數(shù)值模擬技術(shù)在工業(yè)、汽車行業(yè)等領(lǐng)域所涉及的范圍相當(dāng)廣泛，但我國在此方面上與世界發(fā)達(dá)國家仍存在不小距離。傳統(tǒng)旋壓技術(shù)相對較為成熟，在此基礎(chǔ)上很難有所突破，后續(xù)還需利用數(shù)值模擬對旋壓技術(shù)進(jìn)行更新，在其他未知的領(lǐng)域進(jìn)行探索，爭取早日實(shí)現(xiàn)與其他先進(jìn)制造技術(shù)國家同水平甚至反超。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了旋壓成形技術(shù)在汽車零部件制造中的應(yīng)用，分別從旋壓制造汽車輪轂、氫氣瓶、發(fā)動機(jī)多楔輪進(jìn)行了相關(guān)分析及探討，分析得出了以下結(jié)論及展望。

（1）采用多道次旋壓汽車輪轂，可以提高表面成形質(zhì)量，能夠滿足形狀更為復(fù)雜的零部件加工需求。

（2）當(dāng)前，氫氣瓶制造關(guān)鍵技術(shù)難題仍在收口與底部，采用熱旋壓工藝可顯著改善溫度分布的不均勻性，提高應(yīng)力和應(yīng)變分布的均勻性，有效提高氣瓶成形的綜合質(zhì)量。

（3）當(dāng)前旋壓加工多楔輪常出現(xiàn)旋輪磨損快、圓角塌陷等問題缺陷，解決方法較為單一，可以通過工藝參數(shù)優(yōu)化方式解決，未來可考慮將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)作為其預(yù)測方法，以提前防止該類缺陷。

（4）將旋壓技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行創(chuàng)新，并將其應(yīng)用于對未知領(lǐng)域的探究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國制造水平的提升。