大旋比V形帶輪旋壓三維成形仿真與驗證

秦 飛 周 敏 王武榮 韋習成 唐季平 曹 進

(1.上海大學材料科學與工程學院, 上海 200444； 2.南通福樂達汽車配件有限公司, 江蘇 南通 226000)

旋壓是近代發(fā)展起來綜合鑄造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋和橫軋等工藝特點的無切削加工的先進金屬塑形成形工藝[1],也是一種通過旋轉將力從點傳遞到線和面，并賦予力一定的方向，使加工過程中的金屬件沿受力方向均勻變形的先進工藝。旋壓成形工藝主要是利用金屬材料的塑性變形和流動變形性能加工零件，采用旋壓工藝生產(chǎn)V形帶輪不僅可以避免機加工工藝所產(chǎn)生的缺陷和材料利用率低等問題，而且能保證加工件具有很高的強度和同軸度。

隨著旋壓工藝的廣泛應用及旋壓件形體的復雜化，數(shù)值模擬逐漸成為研究零件成形參數(shù)的主要手段。眾多學者對旋壓工藝開展了相關研究。Lossen等[2]提出了一種結合金屬旋壓和摩擦特性的新工藝用于加工管材，利用摩擦實現(xiàn)自感應生熱對材料進行熱處理，擴展了旋壓時材料的成形極限。Jin等[3]提出了一種對圓盤狀坯料邊緣進行增厚的旋壓加工工藝，并基于有限元模擬和正交試驗，分析了成形過程中的主要缺陷和部分工藝參數(shù)對成形的影響。Ahmed等[4]提出了一種采用輥套和恒定間隙的毛坯保持器的新旋壓工藝，解決了杯形件由于法蘭起皺而導致的低成形性，抑制了變形起皺現(xiàn)象。Jin等[5]提出了用于加厚圓盤狀邊緣的五步旋壓法，通過有限元模擬研究了圓盤狀截面形狀和流線分布，結果表明成形零件橫截面的流線沿零件的形狀分布。萬里翔等[6]建立了多楔帶輪旋壓成形二維仿真模型，解決了齒面凹坑缺陷，并分析了每道次金屬流動規(guī)律。唐季平等[7]使用Simufact有限元軟件建立了齒形帶輪旋壓增厚模型，分析了旋壓增厚過程中零件上耳部內側過渡區(qū)材料折疊問題，并總結了變形區(qū)材料流動規(guī)律和折疊缺陷產(chǎn)生的原因。李萍等[8]基于Simufact有限元軟件采用多道次旋壓成形工藝的建模方法，解決了帶橫向外凸筋的齒形帶輪凸筋部位難成形的問題。然而，目前對旋壓工藝的研究大都集中于管材類、棒材類、杯形件和圓盤(碟形)類零件，少數(shù)對V形帶輪的研究集中于2D模擬或不完全使用旋壓工藝加工。但無論是對棒材、杯形件、管形件還是圓盤(碟形)狀旋壓件的研究，與V形帶輪旋壓成形相比，其成形機制都相對簡單。V形帶輪旋壓成形區(qū)域小而變形量大，坯料與旋輪接觸處應力應變分布不均勻，材料局部呈非穩(wěn)態(tài)變形，在模擬過程中,坯料易局部破裂或局部區(qū)域材料堆疊，使刻齒仿真難以實現(xiàn)高精度模擬仿真成形[9]。目前對此類成形機制復雜的旋壓件的研究還相對較少。因此，建立兼顧計算效率與模擬精度的V形帶輪旋壓仿真建模方案對旋壓工藝調試與成形過程中缺陷的避免具有重要意義。

本文基于對V形帶輪旋壓成形特征的分析，借助Deform- 3D有限元軟件建立了V形帶輪旋壓成形的有限元模型，并基于模擬結果分析了成形過程中的應力應變場分布，確保零件齒成形區(qū)域不破裂，并根據(jù)模擬結果試制零件。該研究結果可用于指導V形帶輪的實際生產(chǎn)及同類型產(chǎn)品的開發(fā)。

1 V形帶輪旋壓工藝

1.1 材料參數(shù)

有限元模擬采用SPHE深沖用熱軋軟鋼板(國產(chǎn)鋼號08AL)，原始坯料厚度6 mm。材料基本性能參數(shù)：屈服強度215.6 MPa，抗拉強度335.7 MPa，斷后伸長率45.3%，工程應力- 工程應變曲線如圖1所示。

圖1 SPHE鋼的工程應力- 工程應變曲線Fig.1 Engineering stress- engineering strain curve of SPHE steel

在旋壓過程中，由于受三向應力作用，SPHE鋼的應變遠高于其單向拉伸的頸縮應變。其變形過程為彈塑性變形，真應力- 真應變曲線見圖2。

圖2 SPHE鋼旋壓過程中的真應力- 真應變曲線Fig.2 True stress- true strain curve of SPHE steel during spinning

1.2 V形帶輪結構

V形帶輪為空心回轉體零件，特點是整體尺寸大而齒形尺寸小且精度要求高，其剖面及齒形見圖3。其中，齒尖圓弧半徑約為零件直徑的1/187，齒底圓弧半徑約為零件直徑的1/158，齒槽深度約為零件直徑的1/21，齒間距約為零件高度的1/10。大旋比旋壓是多因素耦合作用下的多道次局部加載和卸載的復雜過程，成形過程中易出現(xiàn)局部損傷破裂、隆起等[10]，因此復雜度極高。

圖3 V形帶輪結構圖Fig.3 Structure drawing of V- shaped belt wheel

1.3 工藝建模方案

V形帶輪板料經(jīng)沖壓成圓盤狀坯料，后經(jīng)翻邊成形內外筒壁而成零件毛坯。在后續(xù)旋壓成形過程中，安裝于旋壓機的上模和下模具將零件毛坯Z向夾緊并自轉，布置于X-Y平面內的多道次旋輪依次徑向進給加壓于零件毛坯外緣的坯料，使之產(chǎn)生局部塑性刻齒變形并最終成形為多楔帶輪零件。根據(jù)多楔帶輪旋壓成形工藝流程提出了如下建模方案：通過螺旋進給替代傳統(tǒng)建模方法，將坯料的自轉轉化為旋輪繞靜止坯料的阿基米德螺旋進給運動，并設置黏著接觸點使模型處于穩(wěn)定狀態(tài)。即坯料在模具夾持下固定不動，每一道次旋輪先從徑向勻速靠近坯料，靠至即將接觸坯料時，旋輪以坯料軸線為旋轉中心做螺旋進給運動，進給到所需深度后以恒定半徑繞坯料公轉一圈，然后退出，每一道次旋輪本身不自轉。

2 有限元模型建立及分析

2.1 建模過程

利用Deform- 3D軟件模擬V形帶輪的旋壓成形過程，建立如圖4所示的有限元模型。旋壓模擬工藝參數(shù)如表1所示。建立自定義材料屬性并賦予坯料，材料屬性按1.1節(jié)所述進行定義。為了提高成形零件齒形的清晰度和模擬的精確度，模擬中做如下替換和簡化。(1)坯料為彈塑性體，模具為剛性體。(2)由于六面體網(wǎng)格不能很好地描述齒尖形狀，因此選用四面體網(wǎng)格劃分方法，實際網(wǎng)格數(shù)31萬；旋輪、上下模具以及芯模設置為解析剛體無需劃分網(wǎng)格。(3)刻齒過程中局部塑性應變較大，需要在刻齒成形過程中對坯料設置網(wǎng)格重劃分，重劃分條件為干涉深度大于0.7，范圍為區(qū)域網(wǎng)格重劃分。(4)模擬過程中旋輪做進給運動的同時繞坯料的中心軸轉動，在接觸部位不僅存在滾動摩擦，也存在滑動摩擦；摩擦表現(xiàn)出高度的非線性特征，因此采用剪切摩擦進行簡化處理；旋輪與坯料間的摩擦因子設置為0.05[11]。(5)實際旋壓過程中加入石墨乳液作冷卻液，旋壓溫度恒定在常溫，因此忽略模擬成形過程中的溫度變化，將仿真成形過程視為等溫成形[12]，坯料與模具溫度設為20 ℃。

圖4 模型中坯料及其他模具的位置Fig.4 Locations of workpice and other molds in the model

表1 V形帶輪旋壓成形參數(shù)Table 1 Spinning forming parameters of V- shaped belt wheel

2.2 模擬結果

2.2.1 刻齒成形過程

在刻齒成形過程中，坯料部分區(qū)域為減薄旋壓。為防止成形過程中旋壓力過大導致減薄區(qū)域坯料破裂，將刻齒成形分為第一道次粗齒成形和第二道次細齒成形。在第一道次成形初期，如圖5所示，旋輪粗齒齒形部位先作用于坯料筒壁，接觸部位開始向內凹陷。此時材料不僅在縱向上向兩側齒尖流動填充齒形，而且在橫向上向未刻齒區(qū)域流動并有少量材料向已刻齒區(qū)域流動。在成形中期，粗齒齒形區(qū)域進一步與坯料貼合，此時金屬沿徑向發(fā)生劇烈變形，逐漸成形粗齒旋。壓力隨旋輪進給量的增加而增大，且開始時增大較快，至旋輪進給量達到一定值后又減緩[13]。在成形末期，粗齒旋輪與坯料完全嚙合，粗齒齒形完全成形。

圖5 第一道次成形圖(左邊為旋輪，右邊為坯料)Fig.5 Forming diagram of the first working step (rotating wheel on the left and workpice on the right)

圖6為第二道次細齒成形過程圖。該道次在第一道次的基礎上進一步細化齒形，以達到需要的齒形精度。

2.2.2 等效應力分布特征

刻齒成形過程伴隨著區(qū)域減薄和增厚，旋壓過程中坯料可能出現(xiàn)減薄破裂。因此在減薄區(qū)域，即在將成形的齒底區(qū)取5個點分析等效應力狀態(tài)，如圖7所示。圖8為5個點的等效應力值隨時間的變化。

圖7 點追蹤位置Fig.7 Point- tracking positions

圖8 追蹤點處等效應力隨時間變化曲線Fig.8 Variation curves of equivalent stress at tracking points with time

由圖8可以看出，在成形過程中，5個追蹤點的等效應力值均為正，點與點之間的等效應力變化趨勢相同且等效應力值變化不大。這主要是因為5個點分布在同一條軸線上，同時與旋輪發(fā)生接觸，進給深度相同，同一時間材料的變形抗力相同。由圖9和圖10可知，輪齒部位的等效應力沿周向分布較為均勻，越靠近旋輪與坯料接觸區(qū)，等效應力越大，坯料與旋輪直接接觸位置的等效應力最大，遠離接觸區(qū)域等效應力幾乎為0。

圖9 第一道次等效應力圖Fig.9 Equivalent stress diagram of the first working step

圖10 第二道次等效應力圖Fig.10 Equivalent stress diagram of the second working step

圖9為第一道次成形時坯料所受等效應力狀態(tài)。外筒壁刻齒成形區(qū)的應力主要為壓應力，齒壁區(qū)承受的是拉應力。這是因為在粗齒旋輪進給過程中，外筒壁刻齒區(qū)大部分材料受到擠壓逐漸填充齒形，而齒壁材料為了填充齒頂而受拉。由圖9等效應力云圖可知，粗齒成形區(qū)的等效應力最小為167 MPa，最大為668 MPa，說明在粗齒成形道次結束后坯料處于彈塑性應力狀態(tài)，卸載后存在回彈。圖10為第二道次成形時坯料所受等效應力狀態(tài)。第二道次的最大等效應力值大于第一道次。一方面，這是由于經(jīng)過第一道次成形后，材料變形抗力增大；另一方面，第二道次的進給量大于第一道次。第二道次刻齒成形區(qū)的等效應力為225～734 MPa，與第一道次相同，均處于彈塑性應力狀態(tài)，卸載后，產(chǎn)生一定回彈。因此，為了防止實際生產(chǎn)過程中由于材料回彈而導致零件尺寸不達標的情況，刻齒完成后，在保持進給量不變的情況下繼續(xù)保持刻齒狀態(tài)一段時間，再取出坯料，以保證成形零件合格。

2.2.3 旋輪載荷

在旋壓過程中，旋輪齒及旋輪中心軸所受載荷較大，易造成旋輪齒破裂和旋輪中心軸斷裂。圖11分別是第一、第二道次旋壓過程中旋輪所受載荷隨時間的變化。從圖11可以看出，隨著時間的增加，旋輪所受載荷先緩慢增加，但增量不大。這是由于坯料首先受到旋輪的擠壓，此時旋輪與坯料剛接觸，進給量不大，材料變形抗力小，故載荷增量不大。在時間為10和64 s左右時，第一道次和第二道次旋輪所受載荷均出現(xiàn)劇烈波動，并分別于22和76 s時達到最大值，為87和155 kN。這是因為坯料在旋輪的作用下產(chǎn)生塑性變形，發(fā)生加工硬化，變形抗力增加導致旋輪所受載荷增大。因此，在實際旋壓過程中，旋輪承受的載荷至少要大于155 kN。

圖11 旋輪所受載荷隨時間的變化Fig.11 Dependence of load acting on the rotary wheel on time

3 成形試驗結果與討論

3.1 零件試制

使用60 t立式數(shù)控旋壓機進行試模驗證，零件工裝和加工如圖12所示。加工動作由PLC單元控制。石墨乳液用于潤滑和冷卻。加工零件如圖13所示。從圖13可以看出，模擬工藝參數(shù)實現(xiàn)了V形帶輪旋壓成形的全工序生產(chǎn)。

圖12 60 t立式旋壓機工裝圖Fig.12 Assembly diagram of the 60 t vertical spinning machine

圖13 模擬成形零件與試制零件Fig.13 Simulated forming part and trial-producted part

3.2 試制零件與模擬成形件的驗證

在同齒帶傳動過程中，為使帶齒能順利嵌入輪齒槽且不會打滑脫出齒槽，要求帶齒與輪齒嚙合時有一定的齒側間隙。在帶輪齒槽的齒形角及頂部、根部圓角半徑已定的情況下，齒槽深度決定著輪齒與帶齒間接觸面積及徑向間隙的大小。因此，齒間距和齒槽深度是確定最終成形零件是否達到標準的重要條件。在后處理中測量模擬成形件的尺寸數(shù)據(jù)，結果如圖14所示。采用CV- 3100輪廓儀測量試制件的關鍵尺寸，結果如圖15所示?？梢钥闯?，試制零件的齒間距分別為3.569、3.562、3.579、3.551 mm，與模擬件尺寸的誤差分別為0.013、0.024、0.023、0.014 mm，最大誤差小于0.7%。試制件的齒槽深度分別為3.447、3.370、3.369、3.381、3.376 mm，與模擬件尺寸誤差分別為0.011、0.058、0.028、0.078、0.042 mm，最大誤差小于2.3%。由此可知，仿真模擬得出的工藝參數(shù)實現(xiàn)了齒形帶輪零件的全工序生產(chǎn)，模擬結果和實際成形零件在齒間距和齒槽深度等外形精度上具有良好的相符性，驗證了本文建模方法的可行性。

圖14 模擬成形件尺寸Fig.14 Dimension of the simulated forming part

圖15 試制零件輪廓線Fig.15 Outline drawing of the trial-produced part

4 結論

(1)基于Deform- 3D平臺建立了V形帶輪旋壓成形有限元仿真模型，通過螺旋進給替代傳統(tǒng)建模方法，將坯料的自轉轉化為旋輪繞靜止坯料的阿基米德螺旋進給運動，并在上下模具與坯料之間設置黏著接觸點使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，有效減少了計算量，實現(xiàn)了大旋比V形帶輪旋壓三維成形仿真，證明了建模的可行性。

(2)試制零件的齒間距與模擬件的最大誤差小于0.7%。試制零件的齒槽深度與模擬件的最大誤差小于2.3%，試制件與模擬件的相符度較高，證明了建模方法的可行性。

(3)實際旋壓過程中，第一道次旋輪可承受載荷至少要大于87 kN，第二道次旋輪可承受載荷至少要大于155 kN。由于刻齒結束后零件存在回彈的可能，因此刻齒后在保持進給量不變的情況下應繼續(xù)保持刻齒狀態(tài)一段時間。