汽車動力轉向油罐蓋滾邊力計算及試驗研究

談文鑫，廖義德，郭 敏，陳 方，鄒軍軍

(武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

汽車動力轉向油罐蓋加工的工序很多，其安裝密封圈的槽的加工就是其中的一步.汽車動力轉向油罐蓋安裝密封圈的槽的加工一般采用冷滾壓的方法.整個加工過程是汽車動力轉向油罐蓋發生彈塑性變形的過程，而所加工出的槽是油罐蓋發生塑性變形的結果.目前，在生產實際中, 有很多要用到冷滾壓工藝方法制造的零件，然而對于其滾壓力的求解，還沒有成熟的公式進行計算[1]，大多采用經驗法和實驗法.這兩種方法都存在一些缺陷：經驗法所求得的力只是參考值[2]，非常不準確；實驗法周期很長，成本很高.這給油罐蓋滾邊機床的設計帶來諸多不便.本文根據汽車動力轉向油罐蓋的受力變形特點，從靜力平衡出發[3]，對其分部分進行分析，建立其加工過程中的滾壓力理論計算的簡化數學模型，并用相應的滾壓實驗進行驗證.

1 滾壓變形的特點

圖1為加工前后汽車動力轉向油罐蓋的剖面圖.油罐蓋安裝密封圈槽的加工過程：如圖2所示，滾壓輪向右進給，壓在油罐蓋CD段曲面上(見圖1)，向油罐蓋施加一個力F，油罐蓋以n的速度逆時針旋轉，帶動滾壓輪向相反的方向轉動.當壓力F較小時，板料產生彈性變形，隨著F增大達到某一極限值時，油罐蓋CD段及其附近開始發生塑性變形.當把力撤去時，這部分變形不會恢復，從而形成所要加工的槽.在加載的過程中，板料的變形過程是：彈性、彈塑性、塑性流動的過程[4].這里的塑性變形過程很復雜，如圖1所示在滾壓過程中，CD段發生的是先切向壓縮后切向拉升的變形過程，EQ段主要是由CD下面附近圓弧段沿著一定的角度拉伸而產生的.ABC段主要是一個拉伸變形的過程，拉伸變形主要集中在C的附近，所以在C處很容易出現破裂現象.在整個加工過程中，板料在厚度方向變形非常小，所以在厚度方向的應力可以忽略為零[5].

圖1 加工前后油罐蓋的剖面圖

圖2 受壓曲面受力分析

2 滾壓力數學模型的建立

假設汽車動力轉向油罐蓋每轉一圈后，所加工出的槽的深度處處相等，即油罐蓋每轉一圈后，滾壓輪進給一個深度.則在油罐蓋每轉一圈的過程中，滾壓輪進給剛剛結束時候滾壓力最大，這個力也是在油罐蓋滾邊機床設計時必須確定的力.根據前面分析的汽車動力轉向油罐蓋塑性變形的特點，在滾壓輪進給剛結束的瞬間，先把油罐蓋分為三部分分別進行受力分析，然后再把這三部分當作一個整體進行受力分析.

2.1 受壓曲面變形力的計算

只對受壓曲面進行受力分析，即對汽車動力轉向油罐蓋與滾壓輪的接觸面進行受力分析，不考慮CD段(見圖1)上下兩端應力應變的影響.如圖2所示，把受力曲面看作以整體作受力分析，受壓曲面邊緣對受壓曲面有支撐作用，支撐力主要是由變形而引起的，所以曲面的兩邊緣受到力Fθ作用，Fr為引起切向變形的力，滾壓輪與油罐蓋接觸的接觸面所對應的圓心角為φ，相應的弧長為L，油罐蓋滾與滾壓輪接觸的接觸面所對應的圓心角為α.

此時的力Fθ是由受壓曲面邊緣附近沿汽車動力轉向油罐蓋切線方向拉應變而產生的，所以Fθ的方向沿切向方向(如圖2所示)，其大小為

Fθ=σθBt

(1)

式(1)中：σθ為受壓曲面邊緣附近切向應力，MPa；B為所加工槽的寬(滾壓輪的寬度與槽寬相等)，mm；t為為汽車動力轉向油罐蓋所使用板料的厚度，mm.

沿徑向列出受力曲面的平衡方程：

(2)

將式(1)代入式(2)，整理得

(3)

受壓曲面兩邊緣附近主要發生的是塑性變形，忽略加工硬化效應，則可取σθ=σs，σs材料的屈服強度，將σθ=σs代入式(3)得

(4)

2.2 槽壁變形力的計算

前面已經分析過槽壁EQ(如圖1所示)是由CD下面附近圓弧段沿著一定的角度拉伸的過程.取EQ段上非常靠近受壓曲面的部分進行受力分析，其上作用有引起拉伸變形的拉應力σ1，如圖3所示，EQ段與水平方向的夾角為β.

EQ段上非常靠近受壓曲面的部分對受壓曲面產生拉力作用[6]，其大小為

F1=σ1Lt

(5)

圖3 槽壁受力分析

在加工過程中，油罐蓋轉速n通常都很大.槽加工完成時，油罐蓋往往已經轉過了幾十到幾百圈，而所加工槽的深度一般為幾個毫米，所以油罐蓋每轉一圈，滾壓輪壓入的深度非常小，即受壓曲面所對應圓心角很小.如圖2所示，∠GO1H與∠GO2H很小，所以可以取L=GH，經過推導得：

(6)

式(6)中:Δr為滾壓輪壓入油罐蓋的深度，mm；R1為滾壓輪的半徑，mm；R2為油罐蓋加工面的半徑，mm.

在EQ段上非常靠近受壓曲面的部分主要發生的是塑性變形，忽略加工硬化效應，則可以取σ1=σs.將式(6)，σ1=σs代入式(5)，整理得：

(7)

油罐蓋上的盤形結構，即圖1所示ABC段，在加工過程中發生變形形成槽壁(靠ABC段這邊的槽壁).如圖3所示，取槽壁非常靠近受壓曲面的部分進行受力分析，其上作用有引起拉伸變形的拉應力σ2，從而對受壓曲面產生拉力作用.其大小為

F2=σ2Lt

(8)

同槽壁EQ段一樣，取σ2=σs.將式(6)，σ2=σs代入式(8)，整理得：

(9)

2.3 滾壓力的計算

把三部分當作一個整體進行受力分析如圖4所示.沿y軸方向列出受力曲面的平衡方程：

Fr+F1sinβ+F2-F=0

(10)

式(10)中：F為滾壓輪施加在油罐蓋上的壓力，N.

(11)

圖4 整體受力分析

3 實 驗

3.1 實驗目的及設備

為了驗證該滾壓變形力理論計算新模型的正確性,在此進行滾壓工藝和模擬試驗.為了使試驗結果更接近真實值，專門設計了一臺汽車動力轉向油罐蓋滾邊的實驗設備.實驗設備主要由電機、送料機構、導料機構、傳動機構、進給滾壓機構、定位夾緊機構等部分組成，如圖5所示.

圖5 滾壓力測試實驗設備

3.2 實驗內容

工藝試驗的材料為厚度t=1.2 mm的碳素鋼Q195，即該材料的屈服強度σs=195 MPa，滾壓輪的半徑R1=48.75 mm，所加工槽的槽寬B=12 mm，角β=30°.主要要使用3140油罐蓋、3408油罐蓋、602油罐蓋三種型號汽車動力轉向油罐蓋進行試驗.其加工面的半徑R2分別為73 mm、60 mm、50.75 mm.試驗表明當壓入深度Δr約為0.05 mm時，三種型號的油罐蓋都開始發生塑性變形.在實驗中，測出刀具進給時進給油缸進油口壓力和出油口壓力，然后用公式(12)計算出滾壓力，得到實驗值.

F=P1A1-P2A2

(12)

式(12)中:F為滾壓力，N；P1為進給油缸進油口壓力，MPa；P2為進給油缸出油口壓力，MPa；A1為進油腔活塞有效作用面積，mm2；A2為出油腔活塞有效作用面積，mm2.

將三種油罐蓋剛開始發生塑性變形時加載力理論計算值與實驗值如表1所示.

表1 剛發生塑性變形時理論值與試驗值對比

隨著壓入深度Δr增大，滾壓輪與油罐蓋的接觸面也隨之增大，所以滾壓力F會隨著壓入深度Δr增大而增大.對3140這種型號的油罐蓋做不同壓入深度時加載力的驗證試驗，將不同壓入深度時加載力的計算值與實驗值如表2所示.

表2 不同壓入深度下理論值與試驗值對比

3.3 結果分析

通過表1、2中的數據，會發現理論值普遍比實驗值小，而且表2中的誤差值(除壓入深度為0.05 mm外，此時汽車動力轉向油罐蓋剛發生塑性變形)隨著壓入深度增大逐漸增大的趨勢.造成這一現象的原因主要有：①計算時忽略加工硬化效應的影響[7]；②計算弧長L使用的公式不精確，壓入深度Δr越大，產生誤差隨之增大.但誤差都在6%以內，在允許的范圍內.

4 結 語

a.針對汽車動力轉向油罐蓋安裝密封圈的槽的冷滾壓加工滾壓力的計算，目前常采用的方法存在著求解不準確，周期很長，成本很高等問題，提出了一種簡化計算方法.為此類機床設計時滾壓力的確定提供一些理論參考.

b.通過理論計算與實驗結果對比，雖然理論值普遍比實驗值小，但誤差都在6%以內，在允許的范圍內，這表明新建的模型與滾壓變形的實際基本相符.但壓入深度很大時，不宜用公式(6)求弧長.

參考文獻：

[1] 郭長江,楊改云,趙利德.滾壓成形力的數值計算與模擬[J]. 機床與液壓,2007,35(10):101-102.

[2] 顧青麗. 風電螺栓螺紋滾壓工藝參數的選擇[J].電氣制造,2010(10):62-64.

[3] 張守茁,席鎮,孫海花,等.圓筒形件拉深過程的力學理論分析與計算[J].內蒙古工業大學學報:自然科學版,2006,25(3):183-189.

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[5] 盧險峰,譚欣珍,周勇,等.拉深變形力理論計算模型研究[J].中國機械工程, 2008,19(16):2004-2006.

[6] 李堯.金屬塑性成形原理[M].北京: 機械工業出版社,2004.

[7] 盧險峰,周勇,盛自強.考慮冷變形加工硬化的翻邊力理論計算[J].南昌大學學報:工科版,2009,31(2):187-191.