王 琪，鄭光文

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

汽車空調(diào)電磁離合器是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)壓縮機(jī)之間的動(dòng)力傳遞裝置，主要由線圈、皮帶輪、驅(qū)動(dòng)盤(pán)三部分組成。皮帶輪作為實(shí)現(xiàn)離合器傳動(dòng)功能的主要部件，具有調(diào)整方便、運(yùn)行平穩(wěn)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)皮帶輪的需求量大大增加。目前，該類皮帶輪的生產(chǎn)主要依靠鍛壓機(jī)加工方法，這種傳統(tǒng)方法存在材料利用率低、成品精度不足等缺陷。因此，當(dāng)務(wù)之急需研發(fā)適用于皮帶輪生產(chǎn)的精密塑性成形技術(shù)。旋壓作為一種先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，其利用旋輪的徑向進(jìn)給，使旋轉(zhuǎn)的坯料受到壓力進(jìn)而產(chǎn)生塑性形變。運(yùn)用旋壓技術(shù)生產(chǎn)的零件具有生產(chǎn)效率高、節(jié)省材料、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，旋壓是一種具有應(yīng)用前景的帶輪成形技術(shù)。實(shí)際旋壓工藝較復(fù)雜，旋壓生產(chǎn)過(guò)程受眾多工藝參數(shù)的影響，選取適用的工藝參數(shù)是旋壓工藝方案制定的關(guān)鍵，但僅依靠物理實(shí)驗(yàn)與理論分析來(lái)確定工藝參數(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

隨著計(jì)算機(jī)有限元分析技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為實(shí)際生產(chǎn)的重要輔助工具。葛丹丹等、馮志剛等利用SIMUFACT有限元仿真軟件，模擬連桿襯套的強(qiáng)力旋壓成形過(guò)程，探討旋輪尺寸、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率等參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，生產(chǎn)出符合要求的成品。翁劍成等運(yùn)用Workbench有限元軟件對(duì)旋壓帶輪進(jìn)行疲勞分析，將各裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子擬合，得到一種旋壓帶輪裂紋拓展壽命的計(jì)算途徑。Essa等通過(guò)ABQUS軟件建立筒形件旋壓仿真模型，對(duì)筒形件的單、雙道次成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)間隙與進(jìn)給率對(duì)筒形件旋壓成形質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。旋壓過(guò)程金屬變形較劇烈，受到計(jì)算機(jī)算力與模擬網(wǎng)格數(shù)量限制，帶輪旋壓過(guò)程仿真研究較少，大多是關(guān)于疲勞強(qiáng)度分析。文中以汽車電磁離合器皮帶輪為例，設(shè)計(jì)帶輪旋壓模型，對(duì)旋壓生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真，分析旋壓成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)情況，探討旋輪運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)帶輪成形的影響，以期為旋壓生產(chǎn)關(guān)鍵工藝參數(shù)的制定提供參考。

1 皮帶輪成形工藝

1.1 傳統(tǒng)鍛壓機(jī)加工成形工藝

汽車電磁離合器皮帶輪屬于盤(pán)轂類零件，主要原材料通常為具有軟磁性能的低碳鋼，相對(duì)尺寸較小。目前主要采用鍛壓機(jī)加工的方法來(lái)生產(chǎn)此類皮帶輪，其加工工藝流程如圖1。由圖1可看出，鍛壓機(jī)加工生產(chǎn)過(guò)程中，將經(jīng)過(guò)熱模鍛后的毛坯轉(zhuǎn)移至機(jī)加工車床進(jìn)行后續(xù)孔和槽口的成形。傳統(tǒng)的帶輪V形槽口成形需依靠機(jī)加工車床的粗車、精車加工，這會(huì)產(chǎn)生許多銑削加工廢料，嚴(yán)重降低材料的利用率與生產(chǎn)效率。

圖1 鍛壓機(jī)加工工藝流程Fig.1 Processing process of forging press

1.2 旋壓成形工藝

1.2.1 成形工藝原理

傳統(tǒng)意義上，依據(jù)變形過(guò)程中坯料厚度是否變化，將旋壓成形分為普通旋壓(普旋)與強(qiáng)力旋壓(強(qiáng)旋)。普旋只改變坯料形狀，多用于板料拉深、擴(kuò)縮徑成形；強(qiáng)旋不僅改變坯料形狀，還使坯料厚度發(fā)生變化，主要用于筒形件成形。由于旋壓件的質(zhì)量高、性能好，其應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，且逐步演變出帶輪旋壓、曲目線旋壓等特種旋壓成形方法。文中即是旋壓技術(shù)在帶輪成形過(guò)程中的應(yīng)用，成形時(shí)，坯料夾持在芯模與擋板之間，隨芯模高速轉(zhuǎn)動(dòng)，旋輪沿坯料徑向進(jìn)給，使坯料表面發(fā)生連續(xù)的局部形變，進(jìn)而得到所需的零件形狀。

1.2.2 成形工藝設(shè)計(jì)

電磁離合器是現(xiàn)代傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的主要部件，因其快速響應(yīng)能力強(qiáng)而被大量使用。響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于材料的導(dǎo)磁性能，皮帶輪作為汽車電磁離合器的核心部件，通常選用具有優(yōu)質(zhì)軟磁性能的低碳鋼為材料，如10號(hào)、15號(hào)低碳鋼等。如圖2所示，汽車電磁離合器皮帶輪的形狀為雙筒形，外側(cè)邊緣部分有環(huán)形槽口，零件中心部位有圓形沖孔，其最大外徑114 mm，高27 mm，槽口高度4 mm，槽間距4 mm，齒間夾角90°。

圖2 零件尺寸Fig.2 Part size

依據(jù)帶輪槽口的成形尺寸與形狀，設(shè)計(jì)旋壓成形工藝，主要分為3個(gè)步驟：

1)將板料熱沖壓毛坯固定在旋轉(zhuǎn)芯模上，預(yù)旋輪沿徑向進(jìn)給，在坯料外緣成形出環(huán)形平面凹槽，為方便后續(xù)定位，用V 形旋輪在平面槽表面初旋出淺齒形；

2)將預(yù)成形坯料冷卻至室溫；

3)使用V形旋輪冷旋壓出最終零件形狀，圖3為帶輪成形過(guò)程示意圖。

圖3 帶輪成形過(guò)程示意圖Fig.3 Diagram of pulley forming process

2 有限元模擬與分析

圖4 簡(jiǎn)化旋壓模型示意圖Fig.4 Diagram of simplified spinning model

2.1 有限元模型的建立

采用DEFORM-3D 有限元分析軟件對(duì)旋壓過(guò)程進(jìn)行仿真分析，為減少計(jì)算時(shí)間、提高模擬精度，對(duì)整體旋壓模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，舍去不參與旋壓過(guò)程的零件中心部分，皮帶輪是回轉(zhuǎn)對(duì)稱體，旋壓過(guò)程為局部變形，故取旋壓坯料的1/16 進(jìn)行數(shù)值模擬。依據(jù)體積不變?cè)砬蟮门髁虾穸葹? mm。與此同時(shí)，在模擬過(guò)程中對(duì)實(shí)際旋壓運(yùn)動(dòng)進(jìn)行等效處理，將坯料、芯模和擋板固定不動(dòng)，旋輪圍繞坯料軸向公轉(zhuǎn)并沿徑向進(jìn)給。

2.2 模擬參數(shù)的設(shè)置

選用材料庫(kù)中對(duì)應(yīng)15號(hào)鋼的美標(biāo)AISI-1015為模擬材料，采用四面體網(wǎng)格對(duì)坯料進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，?duì)主要變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，控制變形區(qū)域最小網(wǎng)格長(zhǎng)度在0.5 mm以下，旋輪與坯料接觸為剪切摩擦，熱傳導(dǎo)系數(shù)為5 N/(s·mm·℃)。坯料內(nèi)側(cè)金屬不參與變形，為防止仿真過(guò)程中坯料移動(dòng)，將坯料與芯模接觸的內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)各方向速度設(shè)置為0。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置需依據(jù)旋輪轉(zhuǎn)速與最小網(wǎng)格單元長(zhǎng)度，即單位時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)旋輪位移量應(yīng)在最小網(wǎng)格單元長(zhǎng)度的1/3～1/10之間，這樣可使模擬易收斂。表1為各模擬階段具體參數(shù)，值得注意的是，預(yù)旋階段的旋輪進(jìn)給量由平面輪進(jìn)給0.8 mm與齒形輪進(jìn)給0.1 mm組成。仿真過(guò)程另需滿足以下假設(shè)：旋輪、擋板和芯模均為剛性體；工件為塑性體且忽略其彈性變形；變形過(guò)程中材料體積不變。

表1 各模擬階段參數(shù)的設(shè)置Tab.1 Parameter setting of each simulation stage

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 旋壓過(guò)程金屬流動(dòng)情況

圖5為帶輪預(yù)旋、終旋過(guò)程中各階段金屬流動(dòng)情況。由圖5可看出：預(yù)旋壓時(shí)，預(yù)旋輪的輪面平整，當(dāng)旋輪開(kāi)始進(jìn)給，輪面與坯料接觸，坯料微微下凹并在表面產(chǎn)生細(xì)波紋，隨著進(jìn)給量不斷增大，坯料在旋輪的擠壓下，外層金屬沿著擋板向上不斷流動(dòng)，最終形成環(huán)形平面凹槽；初步成形后，用V形旋輪在凹槽表面旋出淺齒形，兩側(cè)端面由于金屬側(cè)向流動(dòng)以及旋輪擠壓作用出現(xiàn)波紋，后續(xù)室溫下進(jìn)一步旋壓可消除；工件冷卻至室溫，使用V形旋輪進(jìn)給，坯料金屬向旋輪齒間流動(dòng)，逐步充盈齒形。零件最終成形結(jié)果如圖5(c)。

圖5 各階段金屬流動(dòng)情況Fig.5 Metal flow in each stage

2.3.2 旋壓過(guò)程工件應(yīng)力應(yīng)變分布

觀察分析有限元計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，隨著旋輪進(jìn)給量的不斷增加，工件的等效應(yīng)力隨之增加，當(dāng)槽口逐步成形，等效應(yīng)力也趨于穩(wěn)定。圖6為各主要成形階段工件等效應(yīng)力分布。由圖6可看出：平面槽口成形時(shí)的等效應(yīng)力分布較均勻，主要集中在旋輪與工件接觸部位，最大等效應(yīng)力約400 MPa；淺齒形成形階段，V形旋輪開(kāi)始與坯料接觸，最大等效應(yīng)力有所增加并分布在齒形槽底處，約450 MPa；溫度下降與變形加劇使終成形工件的等效應(yīng)力分布發(fā)生較大變化，槽口齒形部分因成形穩(wěn)定使等效應(yīng)力分布均勻，受到旋輪與擋板擠壓作用，最大等效應(yīng)力主要集中在工件側(cè)壁，約880 MPa。

圖6 各階段工件等效應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of equivalent stress of workpiece in each stage

應(yīng)變是反映物體變形程度的物理量，隨著旋輪不斷進(jìn)給，工件的變形程度逐漸增大，不同進(jìn)給量下的工件變形如圖7。由圖7 可看出：當(dāng)預(yù)旋輪進(jìn)給量為0.8 mm時(shí)，工件側(cè)緣旋壓成形出高約1.92 mm、寬約24.45 mm 的平面凹槽；換用V 型旋輪，沿凹槽面徑向接著進(jìn)給0.6 mm，成形出最終齒形，槽口最大深度約3.91 mm，齒間距約3.98 mm，齒角約89.53°，與目標(biāo)工件尺寸基本一致。

3 成形主要影響因素分析

3.1 槽面成形

圖7 不同進(jìn)給量下的工件變形Fig.7 Workpiece deformation under different feed rates

平面槽和V形槽是汽車空調(diào)電磁離合器皮帶輪成形的關(guān)鍵。一方面，平面槽旋壓時(shí)，預(yù)旋輪與工件接觸面積較大，摩擦力大，金屬流動(dòng)相對(duì)困難，易出現(xiàn)金屬堆積。另一方面，V 形槽成形過(guò)程中坯料變形量較大，若直接順延著預(yù)旋平面槽后續(xù)加工，易受到坯料溫度下降的影響，使工件產(chǎn)生收縮，引發(fā)折疊、起皺等缺陷。通過(guò)熱預(yù)旋平面槽可有效減少金屬流動(dòng)阻力，如圖5(a)所示平面槽槽面平整、光潔度高，坯料金屬在旋輪側(cè)壁與擋板之間流動(dòng)順暢，平面槽成形質(zhì)量得到提高。為避免溫降對(duì)V形槽口成形的影響，將坯料冷卻穩(wěn)定后室溫終旋成帶輪V形槽，如圖5(c)所示坯料金屬在旋輪齒間流動(dòng)，成形帶輪齒形飽滿，表面質(zhì)量高。

3.2 旋輪運(yùn)動(dòng)參數(shù)

電磁帶輪的旋壓成形過(guò)程分為預(yù)旋、終旋兩個(gè)階段，各階段的旋輪進(jìn)給量都需合理設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，目標(biāo)槽形高度是旋輪進(jìn)給量設(shè)定的主要參考因素，工藝成形階段越多，各階段旋輪進(jìn)給量越少，零件成形質(zhì)量相應(yīng)提高，但生產(chǎn)時(shí)間也會(huì)隨之增加。文中選用的帶輪槽形較淺，將此帶輪成形的旋輪進(jìn)給分為兩個(gè)階段即預(yù)旋與終旋階段。從圖5可看出：第一階段預(yù)旋輪進(jìn)給0.8 mm成形平面槽，而后V形輪進(jìn)給0.1 mm旋出淺齒形，冷卻至室溫；第二階段V形輪進(jìn)給0.6 mm成形最終零件，其成形狀況如圖7(b)所示基本滿足工件目標(biāo)尺寸，并為后續(xù)機(jī)加工留有余量。因此，該旋輪進(jìn)給量分配滿足電磁帶輪成形需求。

旋輪轉(zhuǎn)速對(duì)帶輪成形質(zhì)量影響較小，較高的轉(zhuǎn)速會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)變形區(qū)域增加，有效限制變形過(guò)程中金屬的周向流動(dòng)，確保工件表面質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。因此，在合理范圍內(nèi)盡可能地提高旋輪轉(zhuǎn)速，通過(guò)模擬比較，選取旋輪轉(zhuǎn)速31.4 rad/s，成形零件表面質(zhì)量較高。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)汽車空調(diào)電磁離合器皮帶輪分步旋壓成形工藝，DEFORM-3D 數(shù)值仿真分析表明：該工藝適用于此類帶輪的近凈成形；設(shè)置的旋輪進(jìn)給量、旋輪轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵成形因素合理；成形零件的表面質(zhì)量較高，變形均勻，成形尺寸與目標(biāo)工件尺寸基本一致且無(wú)明顯缺陷。

2)在預(yù)、終旋成形階段中，預(yù)旋過(guò)程坯料金屬流動(dòng)較不穩(wěn)定，變形相對(duì)困難，終旋階段隨著工件形狀逐漸成形，金屬流動(dòng)趨于穩(wěn)定。坯料預(yù)旋過(guò)程處于高溫狀態(tài)，變形時(shí)受到的最大等效應(yīng)力較小，終旋過(guò)程坯料變形較劇烈且受溫降影響，最大等效應(yīng)力升高，主要分布區(qū)域由齒間移至坯料側(cè)壁。