花型齒冷精密成形數值模擬及工藝分析

周敏，杜勇，曾權，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.合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥 230009）

隨著社會經濟的發展，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先進的經濟發達國家，一直以來都致力于高性能環保型汽車發動機制造技術的研究［1］。當下市場經濟的高效運轉，汽車發動機的曲軸制造技術領域，其傳統型舊材料以及古老的加工技術已經遠遠無法滿足目前人類對汽車的高要求，從而使得汽車發動機曲軸機械加工技術領域面臨著穩定性、安全性等高要求的嚴峻考驗及挑戰［2］。

作為汽車發動機曲軸主要零部件的曲軸皮帶輪，是傳動機構的關鍵功能部件之一，其安裝在曲軸前端，隨曲軸一起旋轉［3］。它的制造工藝復雜，質量要求高。曲軸皮帶輪制造精度的優劣，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構形式，以其精度高、節能、節材、動平衡好、無環境污染等特點，廣泛應用于汽車工業［5］。同時隨著板料精密沖裁技術的不斷發展，人們逐步將之與體積成形工藝相結合，制造出各種形狀復雜的零件，因此，現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，具有廣泛的應用范圍，但其成形過程中金屬流動行為復雜，成形工藝參數較多，對成形過程中金屬流動的影響機制不明，而且常出現缺陷，成形質量控制難度較大，通過傳統的試模方法來優化具體工藝參數不僅費時費力，而且費用相當昂貴［5］。針對此現象，文中對精壓成形進行數值模擬，并借助數值模擬這種經濟快捷的方法來尋求比較合理的工藝參數。

目前，國內有研究人員已開展了擠壓成形的相關工作，李貝貝等人［7］提出了在毛坯中間預先壓出減壓孔，通過擠壓減壓孔產生的向心收縮力來實現分流，降低成形載荷;馮文杰等人［8］通過數值模擬，分析比較了分流孔直徑對成形力大小及坯料最優體積的影響。本文綜合上述研究人員研究的結果，運用有限元數值建模，對模具設計和成形工藝參數進行數值模擬，分析模具及加工參數對曲軸皮帶輪花型齒成形質量的影響，并選定比較合理的模具和加工參數，使曲軸皮帶輪不僅滿足尺寸精度要求，還能實現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。其又與以往生產的零件有區別: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，而側壁B壁厚要求為3 mm，兩者壁厚相差較大。故在保證產品質量和產品性能的前提下，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

根據零件結構，以板料為坯料，板料經拉深得到凸臺后，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，在設計凸模時增加分流孔;在毛坯中間預先沖出減壓孔，通過擠壓減壓孔產生的向心收縮力來實現分流。

2 有限元模型的建立

運用有限元軟件，根據典型工藝條件下的現場參數，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，故在劃分單元網格時將花型齒部分網格進行局部細劃［10］。有限元模型中除坯料設為塑性體外，模具均設為剛性體。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，工作溫度設為20℃，由于擠壓為體積成形，采用剪切摩擦模型［11］，摩擦因數μ=0.5，沖壓速度v=20 mm/s。根據體積不變原理，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，坯料產生塑性變形，坯料與凹模接觸后金屬質點向模具型腔內及減壓孔方向流動，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，金屬的流動出現分流面，如圖4所示，分流面處金屬流動緩慢，分流面以內的金屬質點向中心孔處流動，分流面以外的金屬質點向外腔處流動［13］。根據分流面內、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動分流面兩端金屬流動的力。

2）當分流孔大于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）當分流孔尺寸大于φ8 mm時，載荷又出現急速下降趨勢。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，金屬質點滿足最小阻力定律，即金屬質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鍵，在考慮成形質量和載荷力允許范圍內，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

為了驗證模擬結果的合理性和可靠性，結合數值模擬結果，凸模分流孔加工成φ3 mm，坯料預先沖好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 試驗結果Fig.10 The test results

5 結語

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量的影響，不僅為生產提供指導作用，還大大地降低了生產成本。經過分析得出以下結論。

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

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。在考慮成形質量和載荷力允許范圍內，選擇坯料減壓孔尺寸為φ13 mm。

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