汽車信號輪旋壓增厚工藝研究及旋輪設計

文/周金良，黃彪，胡傳鵬，解貴華·合肥工業大學

周敏，嚴軍·南通福樂達汽車配件有限公司

信號輪作為汽車發動機里面重要的傳動部件，信號輪外齒端厚度是板料厚度的2～3倍，對于其綜合性能有著很高的要求。傳統工藝主要是通過沖壓、拼焊或者鍛造后多次機加工獲得。采用傳統工藝獲得的信號輪存在著焊接影響區化學成分不均勻、精度較低、零件壽命短、材料利用率低等問題。而采用旋壓工藝成形信號輪有諸多優點，比如產品精度高、零件性能優良、材料利用率高等。本文將設計一套信號輪旋壓成形模具，通過有限元分析軟件SIMUFACT對信號輪多道次旋壓增厚成形的過程進行有限元模擬分析，分析成形過程中板坯變形情況、金屬流動規律及旋壓增厚過程中載荷分布情況，驗證所設計旋輪的合理性。

多楔輪旋壓成形工藝分析

信號輪的結構特征如圖1所示，通過多道次旋壓增厚可使原始厚度為2.5mm的板料局部增厚到6mm。板料增厚部位并非兩邊對稱增厚，上半部板料厚度為0.75mm，下半部厚度為1.75mm，考慮后續加工余量兩邊各加0.5mm，總增厚厚度為6mm，增厚外徑加0.5mm，最終上半部板料厚度為1.25mm，下半部厚度為2.25mm。所以在旋輪定位時，應保證板料距旋槽上平面距離和下平面距離比值為5∶9。

圖2所示為增厚旋輪局部示意圖，旋輪側面有一個深度為n的旋輪槽，輪槽底端為一個半徑為r的圓底，圓底的設計有利于增厚過程中金屬的流動，輪槽寬度為m。

圖1 信號輪結構特征示意圖

圖2 增厚旋輪局部示意圖

表1 旋壓增厚輪具體參數

根據旋壓手冊以及工業生產經驗，從減少生產道次以及提高材料利用率和零件成品率的角度考慮，信號輪的旋壓增厚成形工藝采用三個增厚旋輪依次進給成形，每道次進給旋輪的具體參數如表1所示。

有限元模型建立

采用SIMUFACT有限元分析軟件建立如圖3所示的板材旋壓增厚模型，板材為厚度2.5mm、直徑191mm、DD13材料的圓形板材。模擬中定義板材和模具溫度為20℃，旋輪與板材之間的摩擦系數為0.05，芯模與板材之間的摩擦系數為0.3，上下芯軸轉速為300 r/min，旋輪的進給速度為2mm/s。

圖3 信號輪旋壓增厚模型

模擬過程分析

圖4 所示為一道次旋壓增厚成形過程，可以看出在旋輪與板材接觸處的應力最大，應力沿著徑向逐漸遞減，隨著旋輪的進給，板材中的高應力區范圍也越來越大。根據成形過程中板材在旋輪進給作用下的變形情況，可以將一道次旋壓增厚工藝分為三個階段：第一階段是成形初期，板材與旋輪剛接觸時發生變形，如圖4(a）所示，這時板材的外緣發生塑性變形，板材外緣增厚程度明顯，同時板材發生微小的彈性變形；第二階段是成形中期，此時板材外緣已經完全增厚，隨著旋輪的進給，板材主要發生軸向變形，金屬逐漸充滿整個輪槽，如圖4(b）所示。等效應力值隨著旋輪的進給呈現增大的趨勢，等效應變隨著變形程度的增大逐漸累積；第三階段是成形末期，增厚旋輪達到預定位置，板坯完整成形，如圖4(c）所示，且沒有產生飛邊、卷邊等缺陷，整體成形效果良好。

圖4 一道次旋壓增厚成形過程

圖5 二道次旋壓增厚成形過程

圖6 三道次旋壓增厚成形過程

圖7 各道次旋壓成形過程徑向載荷變化

圖5所示為二道次旋壓增厚成形過程。一道次成形后，旋壓增厚輪輪槽相比一道次旋壓增厚輪寬度增大但深度減小，旋輪徑向進給使板坯金屬進一步變形增厚。金屬的流動情況與一道次大致相同，板材外緣與旋輪接觸先發生增厚，隨著旋輪進給，金屬主要向軸向流動，發生軸向增厚，并且金屬的變形抗力和等效應力值隨之變大。從圖5(c）可以看出在成形末期時板材的成形效果良好，輪槽內部幾乎完全被填充，沒有產生飛邊、卷邊等缺陷。

圖6所示為三道次旋壓增厚成形過程。整個變形過程與前兩個道次類似，圖6(c）中板材的成形效果良好，金屬填充滿旋輪槽，并且沒有明顯缺陷產生。

通過比較三道次旋壓增厚過程中的載荷變化（圖7），可以看出前兩道次的模具載荷大小幾乎一樣且明顯小于第三道次。0～2.25s為第一道次載荷變化，載荷整體變化趨勢均勻平緩，這是因為第一道次成形過程中金屬變形程度較小，因此變形抗力較小，所以載荷均勻增大；2.25～3.6s為第二道次載荷變化，當板材外緣完全增厚時，旋輪繼續進給且載荷急劇增大，這是因為變形量累積導致金屬的變形抗力增大；3.6～4.2s為第三道次載荷變化趨勢，由于前兩道次的應變累積，此時變形抗力更大，所以在旋輪進給過程中，載荷急劇增加，最大載荷達到50.1kN。

試驗驗證

信號輪旋壓增厚試驗是在CDC-4S80多工位旋壓機上進行的，所用圓形板坯尺寸為191mm×2.5 mm、旋輪進給速度為1mm/s、摩擦系數0.05、主軸轉速300 r/min，旋輪尺寸與表1完全一致。成形后的試驗樣品成形效果良好，外緣端從2.5mm增厚到了6mm，再經過表面精車外緣端，厚度變成了5mm，達到了模擬預期效果，試驗與有限元模擬結果基本一致。