花型齒冷精密成形數(shù)值模擬及工藝分析

周敏，杜勇，曾權(quán)，徐杰，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(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類對汽車的需求量也日益增加，其中在歐美等汽車制造工業(yè)先進的經(jīng)濟發(fā)達國家，一直以來都致力于高性能環(huán)保型汽車發(fā)動機制造技術(shù)的研究［1］。當(dāng)下市場經(jīng)濟的高效運轉(zhuǎn)，汽車發(fā)動機的曲軸制造技術(shù)領(lǐng)域，其傳統(tǒng)型舊材料以及古老的加工技術(shù)已經(jīng)遠遠無法滿足目前人類對汽車的高要求，從而使得汽車發(fā)動機曲軸機械加工技術(shù)領(lǐng)域面臨著穩(wěn)定性、安全性等高要求的嚴(yán)峻考驗及挑戰(zhàn)［2］。

作為汽車發(fā)動機曲軸主要零部件的曲軸皮帶輪，是傳動機構(gòu)的關(guān)鍵功能部件之一，其安裝在曲軸前端，隨曲軸一起旋轉(zhuǎn)［3］。它的制造工藝復(fù)雜，質(zhì)量要求高。曲軸皮帶輪制造精度的優(yōu)劣，將直接影響曲軸的振動及使用壽命，進而影響到整車的性能［4］，因此，提高曲軸皮帶輪的制造精度是很有必要的。

板制帶輪作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，以其精度高、節(jié)能、節(jié)材、動平衡好、無環(huán)境污染等特點，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)［5］。同時隨著板料精密沖裁技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐步將之與體積成形工藝相結(jié)合，制造出各種形狀復(fù)雜的零件，因此，現(xiàn)代意義上的精沖工藝已遠遠突破了沖孔、落料等分離工序，更多地與擠壓、壓沉孔等體積成形工藝相復(fù)合，得到具有一定立體形狀的零件。板料擠壓成形作為一種典型的精沖復(fù)合體積成形工藝，可以用來成形精沖件中大量存在的凸臺、凸柱等特征，具有廣泛的應(yīng)用范圍，但其成形過程中金屬流動行為復(fù)雜，成形工藝參數(shù)較多，對成形過程中金屬流動的影響機制不明，而且常出現(xiàn)缺陷，成形質(zhì)量控制難度較大，通過傳統(tǒng)的試模方法來優(yōu)化具體工藝參數(shù)不僅費時費力，而且費用相當(dāng)昂貴［5］。針對此現(xiàn)象，文中對精壓成形進行數(shù)值模擬，并借助數(shù)值模擬這種經(jīng)濟快捷的方法來尋求比較合理的工藝參數(shù)。

目前，國內(nèi)有研究人員已開展了擠壓成形的相關(guān)工作，李貝貝等人［7］提出了在毛坯中間預(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現(xiàn)分流，降低成形載荷;馮文杰等人［8］通過數(shù)值模擬，分析比較了分流孔直徑對成形力大小及坯料最優(yōu)體積的影響。本文綜合上述研究人員研究的結(jié)果，運用有限元數(shù)值建模，對模具設(shè)計和成形工藝參數(shù)進行數(shù)值模擬，分析模具及加工參數(shù)對曲軸皮帶輪花型齒成形質(zhì)量的影響，并選定比較合理的模具和加工參數(shù)，使曲軸皮帶輪不僅滿足尺寸精度要求，還能實現(xiàn)薄板局部增厚的效果，達到降本增效的目的。

1 工藝分析

1.1 零件分析

曲軸皮帶輪在汽車曲軸皮帶輪的設(shè)計中已形成一個系列，其主要特點為凸臺中間有放射狀花型齒，齒深相對坯料厚度較小，齒形和精度都具有較高的要求，如圖1所示。其又與以往生產(chǎn)的零件有區(qū)別:其一，中間凸臺部分有一平臺面，齒形呈非圓周對稱分布;其二，花型齒凸臺A厚度為5 mm，而側(cè)壁B壁厚要求為3 mm，兩者壁厚相差較大。故在保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品性能的前提下，考慮用較薄的板材進行加工從而控制成本［9］。

圖1 零件示意圖Fig.1 Part diagram of wheel

1.2 曲軸皮帶輪成形工藝方案分析

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，以板料為坯料，板料經(jīng)拉深得到凸臺后，用油壓機精壓花型齒，最后采用旋壓工藝將外圓齒旋出。

實際生產(chǎn)中，由于花型齒不再進行精加工，成形精度要求較高，但花型齒在擠壓成形過程中是局部變形，大量未變形金屬影響變形金屬的流動，導(dǎo)致花型齒難以充滿。為了提高花型齒精度，降低成形載荷，在設(shè)計凸模時增加分流孔;在毛坯中間預(yù)先沖出減壓孔，通過擠壓減壓孔產(chǎn)生的向心收縮力來實現(xiàn)分流。

2 有限元模型的建立

運用有限元軟件，根據(jù)典型工藝條件下的現(xiàn)場參數(shù)，建立三維分析模型。同時考慮到擠壓花型齒時，塑性變形集中在花型齒凸臺部分，故在劃分單元網(wǎng)格時將花型齒部分網(wǎng)格進行局部細劃［10］。有限元模型中除坯料設(shè)為塑性體外，模具均設(shè)為剛性體。坯料材料為 DD13，泊松比 γ=0.3，ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.05×105MPa，工作溫度設(shè)為20℃，由于擠壓為體積成形，采用剪切摩擦模型［11］，摩擦因數(shù)μ=0.5，沖壓速度v=20 mm/s。根據(jù)體積不變原理，對曲軸皮帶輪進行體積計算，選用直徑為200 mm，壁厚4.6 mm的坯料，進行仿真模擬。

3 模擬結(jié)果對比分析

3.1 模具安裝位置對成形的影響

采用帶花型齒模作為凸模，毛坯與凹模間留0.4 mm間隙的安裝方式，如圖2所示。

隨著凸模的下壓，坯料產(chǎn)生塑性變形，坯料與凹模接觸后金屬質(zhì)點向模具型腔內(nèi)及減壓孔方向流動，完成花型齒的成形。此種安裝方式不僅可以較好地達到精度要求，凸臺經(jīng)過擠壓后可以保證花型輪廓度（0.03）;而且可以有效地降低變形抗力［12］、提高模具壽命和達到增厚目的，擠壓后厚度從4.6 mm變成5 mm，如圖3所示。

圖2 花型齒作為凸模成形示意圖Fig.2 Flower-shaped teeth as punch schematic

圖3 擠壓前后厚度示意圖Fig.3 Before and after extrusion thickness schematic

3.2 分流孔尺寸對成形的影響

在成形過程中，受摩擦力的作用，金屬的流動出現(xiàn)分流面，如圖4所示，分流面處金屬流動緩慢，分流面以內(nèi)的金屬質(zhì)點向中心孔處流動，分流面以外的金屬質(zhì)點向外腔處流動［13］。根據(jù)分流面內(nèi)、外金屬的體積不變條件［14］，理論分流面直徑在φ33 mm上。

圖4 分流面流線圖Fig.4 Diversion of surface flow chart

通過模擬得到分流孔直徑與載荷、分流面直徑關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知，隨著沖頭的下壓，載荷變化趨勢大致分為3個階段。

1）分流孔直徑從φ1 mm增加到φ5 mm時，曲線斜率不變，說明此階段沖裁力不受分流孔直徑變化的影響。這是因分流孔直徑相差不大，分流半徑與分流半徑理論值相差也不多。擠壓成形終了時，載荷所需的力就等于驅(qū)動分流面兩端金屬流動的力。

2）當(dāng)分流孔大于φ5 mm小于φ8 mm時，曲線斜率明顯變陡，也就是說此時分流孔越大，載荷快速增加，分流孔直徑等于φ8 mm時，達到最大峰值。這是因分流半徑偏離理論值阻礙了金屬流動，所受的阻力增大，成形所需的沖裁力也增大。

3）當(dāng)分流孔尺寸大于φ8 mm時，載荷又出現(xiàn)急速下降趨勢。這是受金屬塑性流動遵循最小阻力定律影響，金屬沿阻力最小方向即分流孔處流動。分流孔增大，所受的阻力減小，故成形所需的沖裁力也減小。

從圖5可看出，雖然分流孔直徑等于 φ10 mm時，所需載荷最小，但分流面直徑已遠遠偏離了理論值，此時花型模與坯料接觸不完全，如圖6所示，由此可判斷分流孔直徑等于φ10 mm時花型齒的輪廓度較差，難以滿足零件的高精度要求;而當(dāng)分流孔等于φ3 mm時，分流面直徑與理論分流面直徑最接近，此時花型齒輪廓度也相對較好。

圖5 載荷、分流面直徑與分流孔尺寸關(guān)系圖Fig.5 Load，split face and shunt diameter hole size diagram

圖6 輪廓度示意圖Fig.6 Profile of schematic

為了保證花型齒精度，最優(yōu)的分流孔直徑選擇φ3 mm為宜，它既能有效降低成形力，又能得到輪廓度較好的花型齒。

3.3 減壓孔尺寸對成形的影響

對中間有孔的精壓面先做出孔來，這樣可以大大降低沖裁力。選取減壓孔直徑為 φ7，φ10，φ13，φ15 mm，分別對不同減壓孔的坯料進行精壓過程的模擬，分析減壓孔對花型齒成形質(zhì)量的影響。不同減壓孔下的金屬流動分布也存在差異，各情況下的分流面直徑分布如圖7所示。

圖7 分流面直徑與減壓孔尺寸的關(guān)系Fig.7 Shunt surface diameter and reduced pore size diagram

圖8 載荷、分流面直徑與減壓孔尺寸關(guān)系Fig.8 Load shunt surface diameter and pore size reduced graph

從圖8可看出，成形載荷隨減壓孔直徑的增大而降低。這是因在塑性變形過程中，金屬質(zhì)點滿足最小阻力定律，即金屬質(zhì)點的流動總是沿著阻力最小的方向流動［15］。凸模擠壓過程中，由于減壓孔的存在，中間的金屬變形更易朝阻力小的減壓孔方向流動，從而大大降低了成形載荷。

減壓孔尺寸大雖然有利于降低成形載荷，但分流半徑偏離理論值過大或過小都阻礙了金屬流動，影響了花型齒的輪廓度。因此減壓孔尺寸的選擇十分關(guān)鍵，在考慮成形質(zhì)量和載荷力允許范圍內(nèi)，減壓孔尺寸選擇φ13 mm時，分流面直徑最靠近理論分流面直徑φ33 mm。而且從成形質(zhì)量上（如圖9所示）可看出，此時模具與坯料完全接觸，可說明此時花型齒輪廓度最理想的。

圖9 輪廓度示意圖Fig.9 Profile of schematic

4 工藝驗證

為了驗證模擬結(jié)果的合理性和可靠性，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，凸模分流孔加工成φ3 mm，坯料預(yù)先沖好φ13 mm的減壓孔，在不加潤滑條件下進行齒形成形物理試驗，得到的花型齒成形效果良好，如圖10所示。

圖10 試驗結(jié)果Fig.10 The test results

5 結(jié)語

在開模前通過模擬軟件分析裝模方式、凸模分流孔、坯料減壓孔對花型齒成形質(zhì)量的影響，不僅為生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用，還大大地降低了生產(chǎn)成本。經(jīng)過分析得出以下結(jié)論。

1）帶花型齒模作為凸模，不僅可以較好保證精度要求，而且還實現(xiàn)局部增厚效果，在降低材料成本的同時也為后道精加工節(jié)省了時間。

2）分流孔直徑選擇為φ3 mm時，不但能保證花型齒的充填質(zhì)量，還能有效降低成形力。

3）成形過程中，由于減壓孔的存在，金屬變形更易朝阻力小的減壓孔方向流動，從而大大降低了成形載荷。在考慮成形質(zhì)量和載荷力允許范圍內(nèi)，選擇坯料減壓孔尺寸為φ13 mm。

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