汽车皮带轮多道次拉深成形工艺研究

皮带轮作为汽车发动机的重要组成部分,对产品精度及综合性能提出了很高的要求。根据所研究皮带轮的特点,提出一种利用圆形板坯成形复杂带轮的多道次冲锻成形工艺。采用三道次拉深、镦粗、整形工艺成形皮带轮的筒形结构,确定了各道次拉深及镦粗、整形的主要工艺参数。并有针对性的提出了反弯储料的改进工艺,通过数值模拟分析了改进工艺中各工序的壁厚情况和成形载荷。
现如今,随着社会经济的发展,汽车需求量逐年升高、发动机小型化、发动机轻量化和附件数量的增加已成为汽车制造中的重要要求。因此,皮带轮成为发动机的关键组件,并广泛应用于汽车、农业机械、船舶和其他机械设备。皮带轮的传统成形工艺是铸造、焊接、拉深成形、胀形。然而,使用传统的铸造成形所获得的工件尺寸精度不高,会导致皮带轮的机械性能差。胀形法成形精度虽高,但是生产成本相对较高,造成设备昂贵。
多道次拉深成形是将零件拉深成形的总量进行分配,每次拉深完成一部分变形,经过多次拉深,最终实现成形。多道次拉深成形中,板料不断变形硬化效果累积,有助于提高强度,同时采用板料直接成形,材料利用率高,便于批量化生产,成本相对较低。
然而多道次拉深成形过程中,材料受力较为复杂,涉及到摩擦、接触、塑性等多重非线性耦合力,理论和实际问题比一次拉深复杂。目前研究中多采用有限元模拟对拉深成形过程进行分析。曹进等人根据材料的拉深系数计算拉深道次,结合冲压与锻造技术并采用有限元模拟软件DEFORM-3D 进行数值模拟,分析成形过程中的应力、应变分布,为锻压成形多楔带轮的实际生产提供参考。李雪松等人采用有限元软件DEFORM-3D 模拟整个工艺过程,模拟结果表明冲锻复合成形工艺成功展现了零件底部壁厚的变化,整个工艺流程切实可行。

零件成形工艺及参数分析

零件分析

图1 为皮带轮零件图,采用3.2mm 厚SPHD 材料毛坯,成形难点在于带轮底部厚度要进行增厚,达到3.27mm,且在带轮底部弯角位置要充填良好,考虑到实际生产设备吨位,成形力要控制在500吨以下。结合材料的拉深系数计算出拉深道次,并采用有限元模拟软件DEFORM-3D 模拟皮带轮圆筒形部分多道次拉深成形过程,分析成形过程中的载荷及壁厚分布,为皮带轮的研究生产提供参考。

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图1 零件图

工艺参数分析

制定出以下工艺流程,工序依次为:拉深1 →拉深2 →拉深3 →镦厚→整形,如图2 所示。在进行数值分析时,首先根据已制定出的工艺路线进行,总结出工艺路线的特点,进行工艺优化。为了节省计算时间,数值分析采用DEFORM-2D 软件,凸模速度为50mm/s,摩擦类型设置为库仑摩擦,摩擦因数0.12,计算步长为0.1mm。

工艺流程数值模拟

有限元模拟分析

⑴拉深1。拉深1 主要是为了圆角处聚料,拉深后圆角处的厚度达到4.01mm 以上。
⑵拉深2。拉深底部厚度达到3.40mm,外侧壁厚度为3.33mm 以上。
⑶拉深3。有限元模型及壁厚分布,圆角处厚度为2.95mm 以上,且外侧壁最后厚度达到3.28mm。
⑷镦厚。有限元模型如图3 左图所示。目的在于通过镦厚增加带轮底部的壁厚,由拉深3 结束时的3.16mm 增加到3.27mm 以上。在镦厚结束时,带轮壁厚分布如图3 右图所示。从图中不难发现,带轮底部厚度只有3.18mm,且在带轮弯角处厚度更薄。这就要求在后续的改进工艺中增加带轮底部厚度。

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图2 工艺流程图

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图3 镦厚有限元模拟及壁厚分布

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图4 整形有限元模拟及壁厚分布

⑸整形。有限元模型如图4 左图所示。在整形结束时,带轮壁厚分布如图4 右图所示。从图4 中不难发现,带轮底部厚度只有3.17mm,且在带轮弯角处厚度更薄,只有2.13mm。
以上模拟中,成形吨位都控制在350 吨以内。针对在模拟过程中出现的壁厚没有达到目标要求,对以上工艺流程进行修改,由于问题主要出现在镦厚和整形两步,对工艺的改进主要集中在最后两个工序。
改进工艺及模拟分析
针对镦厚出现的料不足及在整形时没有拐角、没有充满的情况,在镦厚前,通过增加反弯工序,增加带轮底部轮廓长度来进行储料。在整形时,通过增加一道整形工序来保证拐角充满。
改进工艺的工序为:拉深1 →拉深2 →拉深3 →反弯储料→镦厚1 →镦厚2 →整形1 →整形2。以下主要介绍反弯储料及之后工序。
⑴反弯储料。增加这一工序的目的是在带轮底部需要增厚的部位均匀储料,以达到模具在500 吨的条件下镦厚时,带轮底部能均匀增厚。反弯储料载荷图如图5所示。
⑵镦厚1。在上步储料的基础上,通过这一工序,带轮底部厚度达到3.48mm,且底部表面质量比较好。成形吨位可以控制在500 吨以下。镦厚1 有限元模拟三维及二维图如图6 所示。

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图5 反弯储料载荷图

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图6 镦厚1 有限元模拟三维及二维图

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图7 镦厚2 载荷图

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图8 整形1 有限元模拟开始及结束二维图

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图9 整形1 载荷图

⑶镦厚2。这一工序的目的在于在拐角位置增加储料,为下一步的整形打下基础。同时可以使带轮底部进一步压平。镦厚2 载荷图如图7 所示。
⑷整形1。这一工序的目的在于使带轮初步形成所需形状,成形吨位在500 吨以下。从结果来看,在拐角处还有部分区域没有充满,增加整形2工序来进行改善。整形1 有限元模拟开始及结束二维图如图8 所示,整形1 载荷图如图9所示。
⑸整形2。增加这一工序,目的在于使拐角处完全充满,结果如图10 所示。最终底部厚度在3.40mm,成形吨位均控制在500 吨以下,整形2 载荷图如图11 所示。

结束语

⑴根据零件的特征,设计出拉深1 →拉深2 →拉深3 →镦厚→整形的工艺流程,并利用有限元模拟验证其工艺的可行性。

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图10 整形2 有限元模拟开始及结束二维图

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图11 整形2 载荷图

⑵通过采用DEFORM数值模拟软件对板材成形皮带轮成形过程进行数值模拟,分析了原有成形工艺成形时皮带轮轮毂部位填充不足的情况。
⑶有针对性的提出了反弯储料改进工艺,通过数值模拟分析了改进工艺中较为关心的各工序的金属流动填充情况和成形吨位数值,并通过试验验证了改进工艺的可行性。
⑷采用提出的改进工艺进行生产,不但可以有效降低模具吨位,皮带轮轮毂填充完整,而且可以考虑选择较薄板材,提高材料利用率,降低生产成本。
——来源:《锻造与冲压》2020年第22期

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