高強鋼正弦波形膜盤沖壓成形工藝研究

曹安港，常 山，黃瑩瑩，丁春華

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

膜盤聯軸器是一種以極薄的金屬圓盤來傳遞扭矩的機械裝置，近年來以其高度的工作可靠性，不用潤滑，無需保養，無噪聲，可以在惡劣的工作條件下工作，在各種動力裝置上得到廣泛的應用[1-2]。膜盤是其中的關鍵零件，在過程中不僅要在輸入軸和輸出軸間傳遞扭矩，還要通過其彈性變形補償輸入軸和輸出軸之間的各種位移偏差，因此會在其內部產生較大的應力[3]。選取合適的膜盤型面能夠使應力分布均勻、極值降低，以最終提升其使用壽命是膜盤聯軸器設計的關鍵。正弦波紋面金屬膜盤具有彈性補償能力強的特點，是目前常用的膜盤型面形狀，波紋曲面的高效率高精度成形是膜片式彈性聯軸器制作關鍵技術之一。本文介紹了一種針對局部減薄正弦波曲面膜盤的沖壓成形工藝方法。

圖1為某型波形曲面膜盤的設計尺寸和形狀，其中關鍵成形部分是一周長為53 mm幅值4.5 mm的正弦波曲面。

1 SAF2205 雙向不銹鋼材料成形工藝性分析

膜盤設計材料選用SAF2205鋼。SAF2205是雙相不銹鋼2205是由22%鉻，2.5%鉬及4.5%鎳氮合金構成的復式不銹鋼。它具有高強度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗應力腐蝕能力。退火狀態屈服強度可達236 MPa、抗拉強度可達676 MPa，經固溶強化屈服強度可達642 MPa、抗拉強度可達875 MPa。按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行了SAF2205鋼的性能測試，分析該材料沖壓成形工藝性，性能如表1所示伸長率可達50%。經試驗顯示相對低的應變速率有利于塑性變形量，如圖2所示。同時相對低的變形速率也有利于減小變形抗力，如表1所示。拉伸回彈率如表2所示，平均為1.5%。

表1 拉伸試驗結果Tab.1 Tensile test results

表2 拉伸回彈Tab.2 Stretch rebound

2 波紋面成形過程模擬

回彈是影響高強鋼制件成形質量的關鍵問題。材料參數、工藝參數、坯料形狀、邊界條件等諸多因素都對回彈有影響，且相互耦合導致問題更加復雜?；貜椀暮暧^表現主要有形狀不良、尺寸精度不達標準等。高強鋼板與普通鋼板的力學性能有很大差異，導致材料的工藝性能、工藝流程與普通鋼板相比，差異巨大，不能將普通鋼板的成形理論及經驗直接移植到先進高強鋼板的成形過程中。原因有二：低的延伸率、高的屈強比，導致無法成形形狀復雜工件，且更易發生起皺和破裂；較高的屈服點導致回彈量增加，制件的形狀和尺寸精度不良。

采用有限元模擬的方式輔助設計模具型面，軟件選用收斂速度快的Autoform板料成形模擬軟件[4-5]，分析過程及結果如下：

1）膜盤有限分析模型建立

建立膜盤模型，BEM-5，EPS-5，EPS-11為板材成形模擬常用單元，既能保證精度，同時兼顧計算效率。膜盤變形程度不大，但回彈嚴重，為提高回彈計算精度選擇厚度方向11個節點的EPS-11單元。單元形狀選擇三角形單元，單元公差設置為0.05，波紋盤振幅為3.5，弦差為1.4%，滿足精度要求。單元最大邊長設置為20.0，可以在內外法蘭平坦部分設置較大單元，提高計算速度。

2）設置邊界條件

模具形面初選為制件所需正弦波曲面形狀，設置非變形部分為固定約束，內外法蘭部分設置80 t壓邊力，保證成形過程坯料不發生流動，通過與波紋部分對應的坯料部分的雙向拉伸變形實現成形。

3）應變情況

經模擬膜盤厚度向方向平面應變分布如圖3所示，應變集中在正弦波變形區。徑向平面應變如圖4所示。

4）回彈情況，膜盤沖壓成形回彈情況如圖5所示。

本次所成形膜盤的正弦波紋部分要求尺寸公差在0.1 mm以內，1次設計獲得合適模具型面難度較大，至少需要1次修模。

3 模具設計及沖壓成形實驗

沖壓件的好壞很大一部分取決于模具不同的結構設計，本制件材料強度高，成形回彈大，所以選擇單工序模，一次將正弦波形拉伸成型，有利于保證制件精度。所設計模具結構如圖6所示[6]，采用上下2塊成形鑲塊嵌入模套中，模套同時當作壓邊圈使用。

選用100 T四柱液壓機，為盡量降低變形速率提高塑性成形效果，采用20 mm/min的加載速率，成形效果如圖7所示。

成形后膜盤正弦波部分尺寸偏差如圖8所示。

4 結 語

本文針對某高強不銹鋼膜盤的正弦波紋曲面成形問題進行研究。在分析了所用材料的塑性成形性能基礎上，應用Autoform軟件模擬了成形過程。依據模擬結果，并結合工藝試驗修正了模具型面，解決了高強鋼沖壓成形曲面回彈問題。應用設計的單工序成形模具，試制獲得偏差在0.1 mm以內的正弦波紋曲面膜盤。