雙筒形皮帶輪多道次拉深成形工藝

唐季平，胡傳鵬，魏李，楊衛正，吳超，薛克敏

（1. 南通福樂達汽車配件有限公司，江蘇 南通 226300；2. 合肥工業大學，合肥 230009）

皮帶輪作為機械傳動系統中的重要部件之一，因其具有精度高、節能、節材、動平衡好等特點，被廣泛應用于汽車工業。皮帶輪的傳統制造工藝是采用鑄造或鍛造的方法制成毛坯，再經切削加工制成。這種成形方法具有加工余量大、零件笨重、材料利用率低等缺點，且不適用于高速皮帶輪的制造。為了克服傳統工藝的缺點并實現皮帶輪輕量化，沖壓焊接成形、沖壓脹形和沖壓、拉深、旋壓成形等[1]新生產方法被采用。目前對皮帶輪的研究主要是通過有限元模擬軟件對其拉深成形過程進行模擬分析[1—4]。如文獻[1]中李萍等人介紹了一種帶圓筒形凸臺皮帶輪的成形方法，通過有限元模擬與試驗相結合，拉深成形出合格樣件。文獻[2]中張向偉等人通過多道次變薄拉深有限元模擬，分析得出深杯形件最佳工藝參數。文獻[3]中肖冰娥等人重點分析了工藝以及模具對大高徑比筒形件拉深過程影響，并優化了工藝及模具參數。

文中將以雙筒型皮帶輪為研究對象，采用有限元模擬軟件 DEFORM，對其多道次拉深工藝進行模擬研究，分析成形過程中金屬流動及應力、應變分布情況，并對該皮帶輪進行成形試驗，與模擬相驗證。

1 成形工藝分析

1.1 零件分析

所用材料為厚度為2.0 mm、SPHE的冷軋鋼板，其屈服強度為325 MPa，密度為7.851 g/cm3，彈性模量為305 GPa，泊松比為0.29。零件要求整體壁厚大于1.75 mm，內筒深度為22 mm，內徑為40 mm，外筒深度為28.4 mm，外徑為60 mm。根據體積不變原理考慮零件沖孔及后續加工余量，選用直徑為109.5 mm，厚度為2 mm的圓板進行多道次拉深成形，零件圖見圖1。零件要求最小壁厚為1.75 mm，有幾處圓角較小，需經過多道次拉深后逐步成形。內筒較深，采用多道次拉深后可以降低內壁減薄情況。

圖1 零件圖Fig.1 Parts

1.2 成形方案及參數確定

雙筒形零件一般有兩種成形方法[5—8]：一種為正拉深，即先拉深內筒，然后將凸緣多道次拉深成外筒；一種為反拉深，即先拉深外筒，然后多道次反拉深內筒。文中采用反拉深成形此零件。

拉深凹模圓角大小也可按經驗公式（見式(2)）確定：式中：rd為凹模圓角半徑(mm)；d為第1次拉深后的工件直徑(mm)；t為板料厚度(mm)。

以防危險斷面處嚴重變薄。除最后一次拉深工序外，其他所有各次拉深工序中，凸模的圓角半徑為凹模圓角半徑的0.6～1倍。拉深高度由式(2)確定。

各道次拉深模具相關參數具體見表1。首次拉深時，板料塑性好、材料組織均勻、凸模與板料接觸面積大，所以首次拉深深度應大于后續拉深深度，這樣可以為后續道次更好的聚料。成形后幾道次板料發生加工硬化，拉深深度應該逐漸減小，保證工藝的可行性。

表1 各道次拉深模具相關參數Tab.1 Relative parameters of drawing in each step mm

2 有限元建模及模擬結果分析

2.1 有限元模型建立

采用DEFORM-3D有限元軟件對多道次成形過程進行模擬分析[9—13]，所用材料的材料庫為AISI-1008，摩擦因數設為0.12，拉深速度為90 mm/s，溫度為20 ℃。圖2所示為拉深過程中兩組模具。

圖2 拉深模具Fig.2 Drawing die

2.2 模擬結果分析

第1道次主要是將板料全部拉深進凹模，使圓筒的直徑達到外筒所需的要求。由于圓筒圓角處一直跟凸模接觸為減薄最嚴重處，其最小厚度約為1.75 mm，筒壁最大厚度約為2.3 mm。見圖3。

第2道次至第7道次等效應變分布見圖4，可以看出，第2至4道次主要是用多道次反拉深成形內筒，從而達到內筒所需直徑要求。通過第2道次盡可能多地在圓筒底部聚料，3, 4道次逐漸將內筒直徑縮小至44 mm，通過減小內筒、外筒筒壁的高度使壁厚分布更加均勻。

第5至7道次主要是通過多道次拉深減小內筒及外筒的高度，使內筒、外筒壁厚分布更加均勻。從圖4可以看出，塑性變形區主要集中在內筒筒底圓角處及外筒圓角，這兩處由于一直是零件減薄比較嚴重的地方，所以變形比較劇烈。同時在拉深過程中并未出現零件的拉裂及圓角處的折疊等缺陷[14—15]。第 7道次拉深結束后零件成形情況見圖4，可以看出在外筒圓角和內筒圓角處有稍微的欠料，可以通過一道次整形使圓角處更為飽滿。

第8道次主要是通過整形，使內筒、外筒圓角處充填飽滿，各處尺寸達到零件所需要求。第8道次零件成形情況見圖5，可以看出，內外筒圓角成形飽滿無明顯的欠料，各處壁厚達到了零件所需的要求，8道次拉深總體成形質量較好。由于前7道次屬于普通拉深成形載荷不大（小于 1000 kN），最大成形載荷出現在第 8道次整形過程中，最大成形載荷如約為2100 kN。

圖3 第1道次壁厚分布Fig.3 Wall thickness distribution of the 1st step

圖4 第2道次至第7道次等效應變分布Fig.4 Equivalent strain distribution of the 2nd～7th steps

圖5 第8道次零件成形情況Fig.5 Parts forming of the 8th steps

3 試驗驗證

結合模擬結果，在JH21-1608高速沖床上進行試驗，所得零件見圖6，零件成形質量良好壁厚達到所需要求，無缺陷產生。

圖6 試驗所得零件Fig.6 Parts obtained from experiment

4 結論

1)通過分析雙筒形皮帶輪的結構特點，結合相關的理論計算采用多道次拉深的方法，可有效降低成形過程中壁厚減薄嚴重和厚度不均的問題。

2)采用有限元軟件模擬多道次拉深成形過程，分析成形過程中金屬的變形情況及流動特點，可以得出，隨著拉深道次的增加，各圓角處應力應變值都會相應的增大，導致圓角持續的減薄。

3)通過第 1至 4道次較大的凸模圓角半徑及內筒較大的深度，可以有效地為后續道次聚料并降低零件減薄。

4)通過有限元模擬與試驗相結合的方法，試制出了滿足要求的零件。

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