某曲軸多楔輪旋壓成形工藝研究

仿真客

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文／李俊輝，梅笑寒，戎子鍵，劉少楓，紀小虎，王雪·合肥工業大學

多楔輪具有抗扭矩性強、耐高油和高溫、使用壽命長等特點，廣泛應用于機械傳動系統，尤其在汽車發動機傳動系統中，多楔輪傳動是主要傳動形式。多楔輪良好的機械性能是機械傳動系統的整體性能及使用壽命的保證，故對其成形制造工藝提出了較高的要求。

當前國內大多數汽車零部件制造商多采用鑄造、鍛造等工藝生產多楔輪的毛坯，再將毛坯放置在車床上進行切削成齒。采用傳統制造工藝成形多楔輪存在諸多不足：產品精度低、機械性能差、材料利用率低、生產成本高等。隨著塑性成形技術的不斷發展，國內部分企業逐漸將旋壓技術應用于多楔輪的制造成形，利用該技術成形多楔輪有著成形精度高、生產效率高、節能節材以及零件平衡性好等優點，因此旋壓技術正逐漸代替傳統工藝而廣泛應用于多楔輪的生產制造。

曲軸多楔輪旋壓成形工藝分析

零件結構特征及成形工藝

曲軸多楔輪零件結構如圖1 所示，零件整體壁厚分布不均勻：上筒直徑較小、高度較低，但厚度較大；下筒直徑較大、高度較大，但厚度較小。下筒輪緣中部帶有高度為7.57mm的法蘭，齒頂距內側壁4.7mm。旋壓成形方案中模具工藝參數設計以及坯料尺寸計算是影響零件整體成形質量的關鍵因素，設計模具工藝參數不匹配將導致法蘭處充填不飽滿，成形高度不滿足要求，法蘭下側出現折疊導致微裂紋，上下端面產生過多飛邊，材料利用率低等缺陷。

某曲軸多楔輪旋壓成形工藝研究的圖1

圖1 曲軸多楔輪零件結構圖

由于曲軸多楔輪整體結構較為復雜，且齒形區壁厚不均，成形較為困難，因此，通過對零件結構的分析以及查閱文獻，本次曲軸多楔輪旋壓成形采用4 道次成形工藝：第1 道次旋彎工步中，工件外緣在旋輪徑向進給運動下發生變形，完成聚料增厚；第2 道次旋平工步中，工件與下模貼合形成下筒內壁，同時在旋輪凹槽處實現進一步聚料；第3 道次預旋齒工步時，初步成形法蘭以及下筒齒形區；最后，第4 道次終旋齒工步完成法蘭的完整成形并精整齒形。

坯料尺寸的計算

多楔輪旋壓預制坯是板料先鏟旋內筒，隨后沖壓外緣得到的。根據塑性變形體積不變原則，可通過式(1)計算得到板料的尺寸大小，板料經剪裁、落料制得，厚度為8mm。

某曲軸多楔輪旋壓成形工藝研究的圖2

式中，V為零件體積，t為板料厚度，D為板料外徑，d 為板料內徑。

通過三維造型軟件Inventor 的體積工具測出曲軸多楔輪零件的體積V=202442.8mm 3，t=8mm，d=74.5mm，代入式(1)中得D=194.34mm。

旋壓增厚有限元模擬分析

建立有限元模型

利用Inventor 建立工件和各道次模具的三維模型，基于有限元軟件 Simufact 對旋壓成形過程進行模擬分析，第1 道次有限元模型如圖2 所示。

某曲軸多楔輪旋壓成形工藝研究的圖3

圖2 第1 道次有限元模型圖

預制坯的材料為DD13，結合實際生產，設置工件與旋輪之間為庫倫摩擦，摩擦系數為0.05，工件與芯模和上下模之間也是庫倫摩擦，摩擦系數為0.3。模擬中，工件與模具的溫度均設置為20℃；設置模具和旋輪都為不帶傳熱的剛體模具；預制坯采用環狀六面體網格劃分，網格尺寸為2.5mm×2.5mm×5mm，劃分的網格總數約為26000，設置一級網格自適應細化等級；芯模及上、下模夾住工件自轉，旋輪在驅動壓力機下沿X 軸徑向進給，在與工件接觸時發生被動自轉。旋壓模擬的運動參數見表1。

表1 旋壓模擬運動參數表

某曲軸多楔輪旋壓成形工藝研究的圖4

旋壓增厚有限元模擬分析

旋壓增厚成形過程中，首先進行的是第1 道次旋彎工步，此階段不同成形程度下的等效應力分布如圖3 所示。成形初期，預制板坯外緣緊貼旋輪彎曲外緣處，工件在旋輪剛度及徑向壓力的作用下發生輕微變形。成形中期，工件外緣部分在旋輪徑向壓力下逐漸發生彎曲，金屬發生軸向和切向的流動，形成圓弧狀外緣。成形末期，等效應力值逐漸增大，主要變形區擴大，坯料在旋輪圓弧處聚集，達到了使輪緣在法蘭處聚料增厚的效果。

某曲軸多楔輪旋壓成形工藝研究的圖5

圖3 第1 道次等效應力分布圖

第2 道次旋平工步中不同成形程度下的等效應力分布如圖4 所示。金屬在旋輪徑向進給作用下主要發生徑向及軸向流動，工件變形區持續擴大，隨著增厚程度增加，工件將與下模完成貼模，成形出下筒內壁，部分金屬在旋輪的擠壓作用下有明顯地向凹槽中流動的趨勢以完成法蘭處聚料，聚料越充分后續法蘭成形效果越好。因此，第2 道次旋平工步中最優參數的確定對曲軸多楔輪整體成形質量有著非常重要的影響。

某曲軸多楔輪旋壓成形工藝研究的圖6

圖4 第2 道次等效應力分布圖

正交試驗設計與結果分析

根據正交試驗的基本步驟，先確定試驗目的及試驗指標，再確定試驗因素和水平來完成正交試驗的設計。在多楔輪旋壓成形過程中，工件與旋輪接觸面積較大時，旋輪在進給過程中會承受較大的徑向載荷，過大的載荷會增加旋輪的磨損以及設備的耗能，同時在第2 道次旋平過程中，在旋輪的徑向進給下完成對法蘭的初步聚料，對后續法蘭完整成形有重要影響，因此本次正交試驗選擇最大徑向載荷以及法蘭填充程度為試驗指標。

在曲軸多楔輪旋壓成形過程中，影響多楔輪旋壓成形質量的因素有很多，例如芯模轉速影響工件表面質量，若芯模轉速過大可能導致設備振動劇烈而影響成形質量。旋輪進給速度影響工件等效應力分布及成形完整度，合理的旋輪進給速度能改善工件等效應力分布同時保證法蘭充填程度。此外，摩擦系數也對金屬流動和法蘭充填程度有著重要影響。

根據以上分析，結合旋壓技術手冊并基于實際生產經驗，選擇芯模轉速、旋輪進給速度和摩擦系數為多楔輪旋壓成形中的主要研究參數，其中，旋輪進給速度為2 ～6mm/s，芯模轉速為200 ～400r/min，摩擦系數為0.05 ～0.2。以第2 道次旋壓成形過程中旋輪徑向進給速度、摩擦系數、芯模轉速為自變量，以最大徑向載荷和法蘭填充程度為目標函數，制定3因素3 水平正交試驗表。

根據正交試驗方案對第2 道次旋壓成形進行9 次有限元模擬，獲得正交試驗因素和試驗指標——最大徑向載荷以及法蘭填充程度的結果見表2。

表2 正交試驗結果表

某曲軸多楔輪旋壓成形工藝研究的圖7

采用極差法來進行正交試驗分析，由于本次正交試驗有兩個試驗指標：最大徑向載荷和法蘭填充程度，因此屬于多指標正交試驗極差分析，其分析結果如表3 所示。

表3 極差分析結果表

某曲軸多楔輪旋壓成形工藝研究的圖8

表中，K i 代表的是對單個因素，其水平數i=1，2，3 時分別所對應的試驗結果之和；k i=K i/s，k i 表示對單個因素當其水平數i=1，2，3 時所對應的試驗結果的算術平均值；s 表示每個因素對應的水平個數，本試驗中s=3；R 表示任意一個因素的極差，即在該列因素下各水平下的指標值的最大值與最小值之差，見式(2)。

極差值越大，所對應的因素越重要。因此對最大徑向載荷進行分析，三個影響因素從大到小分別為：B，A，C。對法蘭填充程度進行分析時，則為B，C，A。分析表中k i 值的大小可以得到每個因素的優化方案：對于最大徑向載荷，各個因素下載荷最小的是A1B1C1；對于法蘭填充程度，各個因素下填充程度最好的是A1B1C1。因此，可以判斷方案A1B1C1 為本次正交試驗的最優方案。具體參數為：芯模轉速200r/min，旋輪進給速度2mm/s，摩擦系數0.05。