文/吳超，周金良·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

周敏，嚴(yán)軍·南通福樂(lè)達(dá)汽車配件有限公司

近年來(lái)，國(guó)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(duì)經(jīng)濟(jì)的拉動(dòng)作用愈加明顯。我國(guó)明確提出要大力發(fā)展汽車工業(yè)，輕量化研究是當(dāng)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(jì)，是汽車輕量化的有效途徑之一，通過(guò)改進(jìn)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(dòng)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(guò)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(shì)，逐步取代了過(guò)去精鍛、鑄機(jī)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(guò)旋輪沿徑向進(jìn)給作用于坯料，使變形區(qū)材料沿軸向和徑向漸進(jìn)塑性流動(dòng)的成形過(guò)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(guò)程分為旋壓增厚成形階段和旋齒成形階段，由于國(guó)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(duì)某鈑制帶輪的旋壓成形過(guò)程開(kāi)展相關(guān)研究，通過(guò)優(yōu)化旋壓預(yù)制坯結(jié)構(gòu)及成形過(guò)程，解決成形過(guò)程中零件上端過(guò)渡位置的材料折疊缺陷，并根據(jù)模擬結(jié)果成功進(jìn)行生產(chǎn)試制。研究結(jié)果對(duì)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?；玖W(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。零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(xì)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(duì)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(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)四工步立式旋壓機(jī)實(shí)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(duì)旋壓成形過(guò)程中的旋彎成形和旋平增厚成形過(guò)程進(jìn)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(guò)程中，上下芯模帶動(dòng)坯料做自轉(zhuǎn)，旋輪沿徑向進(jìn)給，做被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。通過(guò)簡(jiǎn)化坯料內(nèi)部結(jié)構(gòu)提高運(yùn)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(guò)程分析

圖4所示為一道次增厚成形過(guò)程等效應(yīng)力分布云圖，可見(jiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在旋輪R弧與坯料接觸位置。成形過(guò)程中，在弧形旋輪徑向進(jìn)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(dòng)狀態(tài)。隨著變形過(guò)程的進(jìn)行，變形區(qū)金屬材料逐漸沿軸向和徑向流動(dòng)，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(lái)聚料，當(dāng)旋輪貼模時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)限制實(shí)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(kuò)展至內(nèi)層，主受力區(qū)域面積增加。隨著成形過(guò)程進(jìn)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(guò)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(jìn)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(guò)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(guò)程中該部分材料趨于兩向流動(dòng)實(shí)現(xiàn)貼模。然而聚料所需的弧形結(jié)構(gòu)在后續(xù)貼模過(guò)程的位移較大，上端弧形結(jié)構(gòu)變形區(qū)的金屬流動(dòng)趨勢(shì)不一致，從而產(chǎn)生明顯的材料折疊，進(jìn)而呈現(xiàn)出微觀裂紋（圖6）。

圖5 二道次旋平成形過(guò)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(guò)程中，對(duì)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(guò)100μm。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，內(nèi)側(cè)的材料裂紋會(huì)降低零件服役性能，需后續(xù)車削加工。對(duì)于文章所述的研究對(duì)象，可以通過(guò)對(duì)預(yù)制坯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)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(duì)旋壓預(yù)制坯進(jìn)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(jì)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(jì)成圓弧凸包結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在增厚的同時(shí)，最先與下芯模過(guò)渡位置貼模，從而將內(nèi)側(cè)易發(fā)生折疊位置向下移動(dòng)，減小上端中兩向流動(dòng)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(guò)優(yōu)化旋輪結(jié)構(gòu)后的旋彎成形過(guò)程應(yīng)力分布圖如圖8所示，可見(jiàn)成形結(jié)束后坯料上端與下芯模過(guò)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(jìn)行二道次旋平貼模，其成形過(guò)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(guò)程中板坯主變形區(qū)由圓弧頂部均勻向整個(gè)側(cè)邊擴(kuò)展，整體分布均勻，成形結(jié)束后無(wú)折疊產(chǎn)生，上下凸筋充填飽滿，成形效果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 優(yōu)化后一道次成形過(guò)程等效應(yīng)力分布圖

圖9 優(yōu)化后二道次成形過(guò)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(guò)程中，外緣表面起皺是較為常見(jiàn)的旋壓缺陷之一（圖10）。經(jīng)研究對(duì)比，在鈑制帶輪增厚成形階段，由于旋彎輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，與旋輪R弧末端相切的圓弧過(guò)渡不光滑，金屬流動(dòng)在成形過(guò)程中受阻，導(dǎo)致外緣起皺。當(dāng)零件輕微起皺，在后一道次旋平增厚成形過(guò)程中，會(huì)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(yàn)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(guò)試驗(yàn)試制驗(yàn)證該方案的可行性。在四工位立式旋壓機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，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(jī)上進(jìn)行試模驗(yàn)證，由其剖面放大圖可知下芯模過(guò)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(méi)有飛邊產(chǎn)生，與模擬結(jié)果吻合。最后進(jìn)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(yǔ)

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

⑴旋彎成形過(guò)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?gòu)较蛐巫冎饾u增加，從而成形出外壁整體結(jié)構(gòu)。

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

⑶基于初始模擬結(jié)果，對(duì)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(yàn)驗(yàn)證，有效控制了成形零件材料的折疊缺陷。