曲軸輪轂中間齒精壓成形工藝研究

李貝貝，嚴(yán)軍，劉雨生，賀鵬，薛克敏

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009;2.南通福樂達(dá)汽車配件有限公司，江蘇 南通 226000)

以凈成形或近凈成形為目標(biāo)的精密塑性成形技術(shù)，是21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[1—2]。作為一種先進(jìn)制造技術(shù)，精密塑性成形技術(shù)在制造業(yè)特別是機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展中，發(fā)揮了重要的作用，大量優(yōu)質(zhì)、高效、少無切削的新型成形技術(shù)得到了發(fā)展[3—4]。近年來，輪轂成形以板材為坯料，采用旋壓工藝成形，大大提高了產(chǎn)品精度，金相組織致密、機(jī)械性能良好，而且重量輕、表面光潔，機(jī)械加工余量大大減少[5—7]。

文中所研究的曲軸輪轂，在凸臺(tái)中間有一部分齒形，齒深相對(duì)坯料厚度較小，齒形和精度具有嚴(yán)格要求。曲軸輪轂一般采用劈開式旋壓[6]工藝，將拉深的毛坯旋壓成形得到，在劈旋之前，需先精壓出曲軸輪轂中間的齒形。實(shí)際生產(chǎn)中，由于是局部變形，大量未變形金屬影響變形金屬的流動(dòng)，導(dǎo)致齒形難以充滿，而過大的壓下量雖然可以壓出齒形，但是會(huì)導(dǎo)致輪轂變形嚴(yán)重，形狀尺寸無法滿足要求，因此在保證輪轂形狀尺寸的前提下，如何精壓出輪轂花齒部分是十分關(guān)鍵的因素?，F(xiàn)有研究多集中在研究曲軸輪轂的旋壓成形工藝[5，8—9]，為了解決齒形充填困難的問題，并了解齒形充填過程中金屬的流動(dòng)狀況，文中利用有限元仿真軟件DEFORM－3D進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同工藝參數(shù)對(duì)成形過程中金屬流動(dòng)的影響，為工藝方案的制定提供指導(dǎo)。

1 工藝方案的確定

1.1 零件分析

文中所研究對(duì)象為汽車用曲軸輪轂，其零件如圖1所示。中間凸臺(tái)部分的外徑為64 mm，側(cè)壁壁厚為4 mm，端面壁厚為4.5 mm。凸臺(tái)部分有放射狀齒形分布，齒形的外徑為42 mm，中間孔的直徑為19 mm。

圖1 零件Fig.1 Part diagram of wheel

1.2 輪轂中間齒形工藝方案確定

該曲軸輪轂以板材為毛坯，經(jīng)拉深后采用劈開式旋壓成形。由于齒深較淺，齒形要求高，在劈開式旋壓之前精壓出花齒部分。為了提高鍛件精度、降低成形載荷，在毛坯中間預(yù)先壓出減壓孔，通過擠壓減壓孔產(chǎn)生的向心收縮力來實(shí)現(xiàn)分流[3，10]。如圖2所示，在成形過程中，上沖頭下行，與凹模接觸的坯料產(chǎn)生塑性變形，金屬向凹模型腔及減壓孔方向流動(dòng)，完成齒形的成形。

圖2 成形過程示意Fig.2 Principle diagram of forming

2 工藝過程有限元模擬

運(yùn)用DEFORM－3D有限元軟件，采用剛塑性有限元法，對(duì)輪轂中間齒精壓成行進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬。模擬過程的坯料是經(jīng)拉深及沖孔后的毛坯，整個(gè)模型中除坯料設(shè)為塑性體外，其他部分均設(shè)為剛體。坯料材料選擇AISI1008，成形溫度為20℃，沖壓速度為20 mm/s，劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)主要變形區(qū)齒形部分進(jìn)行了局部細(xì)劃，細(xì)化比例因子為0.2，網(wǎng)格總數(shù)為180000，減壓孔直徑取0～17mm，摩擦因數(shù)取0.1 ～0.5，有限元模型如圖3 所示。

圖3 模具與工件的有限元模型Fig.3 The finite element model of the die and workpiece

3 模擬結(jié)果分析

在成形過程中，選取不同的工藝參數(shù)會(huì)對(duì)成形結(jié)果產(chǎn)生影響。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，選取摩擦因數(shù)和坯料減壓孔直徑作為變量，研究工藝參數(shù)對(duì)輪轂齒形成形的影響規(guī)律。

3.1 摩擦因數(shù)對(duì)成形的影響

塑性成形過程中，當(dāng)模具與變形體間的接觸面上有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，接觸面間必然產(chǎn)生摩擦[3]。塑性成形中的摩擦?xí)龃笞冃慰沽?、產(chǎn)生不均勻變形、降低模具壽命等，但是塑性成形中也常應(yīng)用摩擦的有益作用幫助成形[12]。通過數(shù)值模擬，分析不同摩擦因數(shù)條件的影響效果。

3.1.1 摩擦因數(shù)的選擇依據(jù)

對(duì)于變形量較小的冷成形工序，采用庫倫摩擦條件，即:τ=μσN，τ是摩擦切應(yīng)力(MPa)，σN是接觸面上的正應(yīng)力，μ是摩擦因數(shù)。實(shí)際上摩擦切應(yīng)力不能隨σN的增大而無限增大，當(dāng)τ=τmax=K時(shí)，接觸面將會(huì)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，此時(shí)σN的極限值為材料真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線上的屈服應(yīng)力Y。根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，K=Y，故可確定摩擦因數(shù) μ 的極限值為 μ =0.5 ～0.577[3]。所以為了分析摩擦因數(shù)對(duì)成形過程的影響，選取 μ 為0.1，0.3，0.5，分別進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1.2 摩擦因數(shù)對(duì)齒形充填及載荷的影響

圖4 為摩擦因數(shù) μ 為0.1，0.3，0.5 時(shí)的載荷 －時(shí)間曲線，當(dāng)μ=0.1時(shí)，成形載荷最小，但充填時(shí)間最長，即上沖頭壓下量最大，導(dǎo)致底部材料減薄嚴(yán)重，這是因?yàn)槟Σ烈驍?shù)小，金屬易向徑向流動(dòng)，軸向流動(dòng)受阻，因此需要大的壓下量才能充滿齒形;μ=0.5 時(shí)，成形載荷最大，充填時(shí)間最短;μ =0.3 時(shí)，充填時(shí)間、成形載荷均介于摩擦因數(shù)為0.1和0.5之間。不同摩擦因數(shù)下齒形填充及減薄情況見表1，深色部分表示成形后坯料與模具的貼合情況。摩擦因數(shù)μ=0.1時(shí)，坯料底端減薄最嚴(yán)重，但在齒端的凹槽部分仍未完全貼合，摩擦因數(shù)μ=0.5時(shí)，齒形輪廓與模具完全貼合，且坯料底端減薄最少。這是因?yàn)槟Σ烈驍?shù)越小，金屬向外流動(dòng)的阻力越小，根據(jù)體積不變條件及最小阻力定律[3，11—13]，大量金屬朝拐角及直壁處流動(dòng)，成形齒形需要更長時(shí)間，底部減薄嚴(yán)重，因此中間齒形部分難以充填。

圖4 不同摩擦因數(shù)下的成形載荷Fig.4 Forming load curves with different frictional coefficient

表1 不同摩擦因數(shù)下齒形的充填及減薄情況Table1 Tooth filling and thinning with different frictional coefficient

3.1.3 摩擦因數(shù)對(duì)等效應(yīng)變的影響

齒形充填結(jié)束時(shí)，不同摩擦因數(shù)條件下的等效應(yīng)變分布如圖5所示，為了方便觀察，截取坯料的1/4剖面。從圖5可以看出，等效應(yīng)變主要集中在齒形部分，且在齒端凹槽及減壓孔附近的應(yīng)變較大。摩擦因數(shù)為0.1時(shí)，等效應(yīng)變的分布區(qū)域最大，在齒形部分的整個(gè)坯料厚度上都存在明顯應(yīng)變分布，且齒底部分等效應(yīng)變很大，這是由于摩擦因數(shù)很小時(shí)，金屬更容易沿徑向流動(dòng)，不利于軸向流動(dòng)成形齒形，齒形充填困難，應(yīng)變?cè)龃?摩擦因數(shù)為0.5時(shí)，在減壓孔附近的等效應(yīng)變較大，這是由于摩擦因數(shù)很大時(shí)，金屬向外流動(dòng)的阻力變大，內(nèi)部金屬更易朝減壓孔方向流動(dòng);摩擦因數(shù)為0.3時(shí)，等效應(yīng)變分布整體上較均勻，這是由于摩擦因數(shù)適中時(shí)，金屬朝內(nèi)和朝外流動(dòng)出現(xiàn)一定程度的平衡，使得整體上齒形處的等效應(yīng)變分布較為均勻。

圖5 不同摩擦因數(shù)下的等效應(yīng)變分布Fig.5 Effective strain distribution with different frictional coefficient

由于板料與模具之間的摩擦對(duì)成形有著雙重作用，一方面較大的摩擦力會(huì)增加成形載荷，另一方面，正是因?yàn)槟Σ恋淖饔?，底部材料才能順利流向型腔[12]，因此實(shí)際中要合理控制坯料與模具間的摩擦情況。

3.2 減壓孔尺寸對(duì)金屬流動(dòng)的影響

選取減壓孔直徑為7，13，17 mm，以及無減壓孔的情況，分別對(duì)坯料的精壓過程進(jìn)行討論，分析減壓孔對(duì)齒形成形的影響。各情況下的流動(dòng)速度分布如圖6所示，在成形過程中，金屬流動(dòng)出現(xiàn)分流面，這是由于摩擦力的作用，改變了金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)方向，當(dāng)接觸面上的摩擦很小或無摩擦?xí)r，根據(jù)體積不變條件，金屬質(zhì)點(diǎn)將作輻射狀向外流動(dòng)。當(dāng)接觸面上摩擦增大，則向外流動(dòng)的阻力增大，靠近內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)向外流動(dòng)的阻力大于向內(nèi)流動(dòng)的阻力，此處金屬向內(nèi)流動(dòng)，從而出現(xiàn)一個(gè)分流面。由圖6可以看出，分流面處金屬流動(dòng)緩慢，不同減壓孔下的金屬流動(dòng)分布也存在差異，減壓孔越大，大直徑處齒形部分的金屬流動(dòng)速度越小。

圖6 不同減壓孔直徑的金屬的流動(dòng)分布Fig.6 Material flow velocity with different hole size

圖7為分流半徑、成形載荷與減壓孔直徑的關(guān)系，分流半徑隨著減壓孔直徑的增大而增大，成形載荷隨減壓孔直徑的增大而降低。由最小阻力定律可知，中間的變形金屬更易朝阻力小的減壓孔方向流動(dòng)，為了保持整體的完整性和連續(xù)性，這部分金屬會(huì)對(duì)大直徑處金屬的流動(dòng)產(chǎn)生影響，阻礙其流動(dòng)，導(dǎo)致分流面隨減壓孔增大而向外偏移[10，14]，分流半徑越大，金屬流動(dòng)緩慢的部分越靠近大直徑處的齒形部分，從而會(huì)導(dǎo)致這部分成形更為困難。

圖7 不同減壓孔下金屬的分流半徑及成形載荷Fig.7 Split－ flow radius and forming load with different hole size

大尺寸的減壓孔雖然有利于降低成形載荷，但分流半徑的增大阻礙了大直徑齒形處的金屬流動(dòng)，因此減壓孔尺寸的選擇十分關(guān)鍵，在成形力允許范圍內(nèi)，減壓孔尺寸要盡可能小。

4 工藝驗(yàn)證

保持其他工藝參數(shù)不變，采用φ10 mm的減壓孔坯料，在不加潤滑條件下進(jìn)行齒形成形的物理試驗(yàn)，齒形成形效果良好，如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of the experiment

5 結(jié)語

針對(duì)生產(chǎn)中遇到的問題，采用有限元軟件DEFORM－3D進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了摩擦因數(shù)及坯料減壓孔尺寸對(duì)齒形充填的影響，經(jīng)過分析得出以下結(jié)論。

1)摩擦因數(shù)過小，徑向流動(dòng)阻力減小，不利于金屬軸向流動(dòng)充填齒形，較大的摩擦因數(shù)有利于齒形充填，但是摩擦因數(shù)過大會(huì)導(dǎo)致成形載荷過大，應(yīng)變分布更加不均。

2)隨著減壓孔直徑增大，金屬的分流面外移，對(duì)大直徑處齒形充填不利。

3)以模擬結(jié)果為指導(dǎo)，進(jìn)行了物理試驗(yàn)，擠壓得到了完整齒形，模擬結(jié)果得到了驗(yàn)證。數(shù)值模擬分析為制定合理的工藝提供了參考，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，降低生產(chǎn)成本，具有重要意義。

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