高強(qiáng)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(tuán)公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

膜盤聯(lián)軸器是一種以極薄的金屬圓盤來傳遞扭矩的機(jī)械裝置，近年來以其高度的工作可靠性，不用潤滑，無需保養(yǎng)，無噪聲，可以在惡劣的工作條件下工作，在各種動(dòng)力裝置上得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。膜盤是其中的關(guān)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(bǔ)償輸入軸和輸出軸之間的各種位移偏差，因此會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力[3]。選取合適的膜盤型面能夠使應(yīng)力分布均勻、極值降低，以最終提升其使用壽命是膜盤聯(lián)軸器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。正弦波紋面金屬膜盤具有彈性補(bǔ)償能力強(qiáng)的特點(diǎn)，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(lián)軸器制作關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了一種針對(duì)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(shè)計(jì)尺寸和形狀，其中關(guān)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(shè)計(jì)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(gòu)成的復(fù)式不銹鋼。它具有高強(qiáng)度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗應(yīng)力腐蝕能力。退火狀態(tài)屈服強(qiáng)度可達(dá)236 MPa、抗拉強(qiáng)度可達(dá)676 MPa，經(jīng)固溶強(qiáng)化屈服強(qiáng)度可達(dá)642 MPa、抗拉強(qiáng)度可達(dá)875 MPa。按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行了SAF2205鋼的性能測(cè)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(dá)50%。經(jīng)試驗(yàn)顯示相對(duì)低的應(yīng)變速率有利于塑性變形量，如圖2所示。同時(shí)相對(duì)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(yàn)結(jié)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(qiáng)鋼制件成形質(zhì)量的關(guān)鍵問題。材料參數(shù)、工藝參數(shù)、坯料形狀、邊界條件等諸多因素都對(duì)回彈有影響，且相互耦合導(dǎo)致問題更加復(fù)雜?；貜椀暮暧^表現(xiàn)主要有形狀不良、尺寸精度不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)等。高強(qiáng)鋼板與普通鋼板的力學(xué)性能有很大差異，導(dǎo)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(jīng)驗(yàn)直接移植到先進(jìn)高強(qiáng)鋼板的成形過程中。原因有二：低的延伸率、高的屈強(qiáng)比，導(dǎo)致無法成形形狀復(fù)雜工件，且更易發(fā)生起皺和破裂；較高的屈服點(diǎn)導(dǎo)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(shè)計(jì)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(jié)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(shí)兼顧計(jì)算效率。膜盤變形程度不大，但回彈嚴(yán)重，為提高回彈計(jì)算精度選擇厚度方向11個(gè)節(jié)點(diǎn)的EPS-11單元。單元形狀選擇三角形單元，單元公差設(shè)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(shè)置為20.0，可以在內(nèi)外法蘭平坦部分設(shè)置較大單元，提高計(jì)算速度。

2）設(shè)置邊界條件

模具形面初選為制件所需正弦波曲面形狀，設(shè)置非變形部分為固定約束，內(nèi)外法蘭部分設(shè)置80 t壓邊力，保證成形過程坯料不發(fā)生流動(dòng)，通過與波紋部分對(duì)應(yīng)的坯料部分的雙向拉伸變形實(shí)現(xiàn)成形。

3）應(yīng)變情況

經(jīng)模擬膜盤厚度向方向平面應(yīng)變分布如圖3所示，應(yīng)變集中在正弦波變形區(qū)。徑向平面應(yīng)變?nèi)鐖D4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(nèi)，1次設(shè)計(jì)獲得合適模具型面難度較大，至少需要1次修模。

3 模具設(shè)計(jì)及沖壓成形實(shí)驗(yàn)

沖壓件的好壞很大一部分取決于模具不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本制件材料強(qiáng)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(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)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(shí)當(dāng)作壓邊圈使用。

選用100 T四柱液壓機(jī)，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(jié) 語

本文針對(duì)某高強(qiáng)不銹鋼膜盤的正弦波紋曲面成形問題進(jìn)行研究。在分析了所用材料的塑性成形性能基礎(chǔ)上，應(yīng)用Autoform軟件模擬了成形過程。依據(jù)模擬結(jié)果，并結(jié)合工藝試驗(yàn)修正了模具型面，解決了高強(qiáng)鋼沖壓成形曲面回彈問題。應(yīng)用設(shè)計(jì)的單工序成形模具，試制獲得偏差在0.1 mm以內(nèi)的正弦波紋曲面膜盤。