鋼制車輪輪輻沖壓成形模擬分析方法

宋婷婷+崔英玲

1 緒論

沖壓是鋼制車輪輪輻成形的重要方法之一。沖壓結果的好壞直接關系到輪輻的強度和疲勞壽命。目前，多數車輪企業仍采用傳統的試錯法進行模具及工序的設計。隨著虛擬仿真技術越來越成熟，一些企業為了減少成本，逐步開始采用模擬仿真車輪的沖壓工序，來指導輪輻模具及其工藝設計。仿真時的參數設置是影響仿真結果的重要因素，本文將對一種鋼制車輪輪輻成形的四道工序結合在一起進行多沖壓工序的模擬，并和實際情況進行比對。

2鋼制車輪輪輻的沖壓工藝過程

輪輻需經過多次沖壓方能成形。主要的工藝包括剪切落料、初拉伸、反向拉伸成形、沖螺栓孔翻邊、擠螺栓孔、沖風孔、擠毛刺等。其中，初拉伸、方向拉伸成形是主要工序，又可細分為一次拉伸、二次拉伸、三次拉伸和四次拉伸。

一次拉伸由平板拉伸成鍋蓋形狀，拉伸前板料靠中心孔定位。

二次拉伸又叫做二次反向拉伸，由一次拉伸成型零件扣在凸模上，靠零件的圓角處和底部平面定位。

三次拉伸主要是輪輻輻底螺栓孔和小筋成型，緩沖環處馬蹄印成型，以及在中心定位孔處沖孔，為翻邊做好準備。三次拉伸定位形式和二次拉伸基本一致，也是靠圓角定位，將工件扣在凸模上。

四次拉伸即內孔外緣翻邊工序，主要是進行中心孔翻邊，輪輻輻底的校正，輪輻焊接直段的拉伸。

3沖壓工藝仿真及參數設置分析

采用全球比較通用的沖壓仿真軟件DynaForm進行仿真分析，針對一次成形工序，分析摩擦系數、模具運動速度對仿真結果的影響。

1）一次拉伸仿真及分析

一次拉伸的裝配圖如圖1所示。中心定位孔位于輻底位置，在前兩道工序成型過程中基本不參與成形。為了避免由于第三道工序模擬沖孔，導致內孔翻邊時出現的材料破裂情況，無法完整的模擬四道工序，直接設置主成型工序為落料后的尺寸。

對第一道工序分別進行計算后，發現該孔的大小對成形后零件的應力、厚度分布基本沒有影響。所以采取了直接擴大定位孔的方式進行模擬。

2）摩擦系數對結果的影響

針對一次成形工序，選取模具與工件間接觸摩擦系數分別為 0.125、0.08、0.03， 分析不同摩擦系數對將一次沖壓后輪輻截面厚度及平均應力的影響。摩擦系數為 0.03 的最大最小應力分別是329MPa 和-86MPa，摩擦系數為0.08 的最大最小應力分別是324MPa 和-75MPa， 摩擦系數為 0.125 的最大最小應力分別是 323MPa 和-73MPa。可以看出，隨著摩擦系數的增大，結果的最大、最小應力都有所降低但影響很小。

根據圖2量取若干測點處的厚度，對比后發現對于不同的摩擦系數，厚度分布的變化并不明顯。

3）模具運動速度的影響

在實際生產過程中，模具的運動速度為 25mm/s 左右。但在仿真中，設置模具速度為25mm/s時求解器給出的預測時間為上千小時， 經過24小時的計算后仍沒有明顯進展。故選取了 5000mm/s 和 500mm/s 兩個速度進行對比。沖壓速度為 5000mm/s 時計算時間為 3.5h，沖壓速度為 500mm/s 時的計算時間為 26.5h。從計算結果看，如圖3 所示500mm/s 速度結果的最大最小應力分別為 387MPa 和-90MPa。與 5000mm/s 速度的計算結果 323MPa 和-73MPa 相比，最大應力相差 20%，故仿真時應盡量選用較低的沖壓速度進行計算。

根據圖2 的測點量取厚度進行對比，結果如表所示。可以看出采用以上兩種速度進行仿真對輪輻截面厚度影響不大，因此今后在進行試算時，可選擇較大的沖壓速度以縮短計算時間。

4.結論

在一次拉伸仿真過程中：

1）落料前小孔和落料后的大孔的大小對成形后零件的應力、厚度分布基本沒有影響；

2）模具與工件間接觸摩擦系數變化對仿真結果影響較少；

3）模具沖壓速度越快，零件應力越大，但對輪輻界面厚度影響不大。