本文利用有限元分析軟件simufact建立多楔輪旋壓增厚三維有限元模型，并通過模擬過程分析變形區金屬的塑性流動規律和內折疊的產生機理，基于模擬結果優化調整旋輪結構，通過增大旋輪圓弧半徑減少板坯上端聚料量，減小旋輪下端面高度增大金屬向下流動趨勢，改善板坯的過渡圓弧形狀，從而達到板坯上下端金屬分配合理并消除內折疊缺陷的目的。

多楔輪作為一種重要的機械傳動零件，已經廣泛應用于發動機傳動系統中。隨著當前國內汽車行業的不斷發展，多楔輪的結構愈發復雜，傳統的多楔輪加工工藝主要是鑄/鍛+機加工成形、沖壓焊接成形和沖壓脹形，這些工藝往往存在材料利用率低，產品精度和力學性能差，生產成本高等問題，而采用旋壓工藝成形多楔輪有諸多優點，比如產品精度高、零件性能優良、材料利用率高等，因此該工藝得到了廣泛的應用。

多楔輪旋壓成形工藝分析

圖1 上下非對稱法蘭多楔輪結構

圖1為上下非對稱法蘭多楔輪結構，其中上下法蘭的寬度均為7.3mm，上法蘭存在一個深度1.3mm的錐形凹槽，下法蘭截面呈近似直角梯形。帶上下法蘭結構的多楔輪在旋壓成形過程中可能會出現法蘭欠料、飛邊和內折疊等缺陷。因此，零件旋壓成形方案中模具工藝參數設計尤其是第一道次旋輪的結構參數對零件整體成形質量的影響非常大，設計模具工藝參數不合理將導致：上法蘭充填不飽滿，下法蘭聚料過多出現飛邊；上法蘭充填飽滿，下法蘭整體充填不飽滿；上法蘭下側內圓角處產生內折疊導致微裂紋等。

根據生產經驗和旋壓設計手冊，從避免工序繁多以及提高材料利用率和零件成品率的角度考慮，該多楔輪的旋壓成形工藝采用四個旋輪依次進給成形：⑴第一道次成形，旋彎輪實現板坯的彎曲增厚；⑵第二道次成形，旋平輪對成形齒形部位旋平及成形上下法蘭；⑶第三道次成形，預旋齒旋輪對板坯進行預旋齒；⑷第四道次成形，終旋齒旋輪對板坯進行終旋齒，而常見的成形缺陷往往出現在前兩道次，因此我們對該多楔輪旋壓成形的前兩道次進行模擬，保證該上下非對稱法蘭多楔輪的成形質量。

有限元模型建立

建立如圖2所示的旋壓翻邊和旋平模型，模具默認為剛性體，板坯材料選用材料庫中AISI1008鋼，其力學性能參數如表1所示，模擬中定義上下芯模轉速300rpm，芯模與工件摩擦系數0.3，旋輪的進給速度2mm/s，旋輪與工件摩擦系數0.05，坯料和模具溫度20℃，一道次旋輪進給的距離為16.5mm，二道次旋輪進給的距離為8mm。通過兩道次的旋壓成形得到上下非對稱法蘭多楔輪旋齒預制坯。

圖2 旋壓成形兩道次有限元模型建立

表1 AISI1008鋼的力學性能參數

模擬過程分析

圖3 第一道次旋彎增厚成形過程應力分布圖

圖3所示為第一道次旋彎增厚成形過程應力分布圖，在成形初期，板坯外緣與旋輪接觸，此時板坯主要發生彈性變形，隨著旋輪的徑向進給，變形區的金屬在旋輪擠壓作用下處于復雜的塑性不均勻流動狀態，其中金屬主要發生徑向和軸向流動，少量金屬在上下模的旋轉和旋輪徑向作用下發生周向流動，當變形量達到75%時，板坯金屬完全貼合旋輪的圓弧部位，在成形末期，變形區的金屬與旋彎輪的接觸面積變大，受擠壓變形金屬增多，因此更多的金屬發生周向和徑向變形，最終板坯與旋彎輪完全貼模，從而使板坯達到整體增厚效果。

圖4所示為第二道次旋平成形過程應力分布圖。在第一道次旋彎成形基礎上，采用旋平輪徑向進給擠壓板坯實現貼模，從而成形上下法蘭結構。在成形初期，板坯外緣在旋平輪的擠壓力的作用下，截面由過渡圓弧狀變形為平直狀，當變形量達到40%時，由于板坯過渡圓弧較小，在旋平輪的擠壓作用下，金屬開始產生明顯的分流，金屬軸向流動填充型腔以及徑向流動逐漸貼模，在分流的起始處開始逐漸出現了內折疊，而內折疊裂紋的深度隨著變形量的增加而逐漸增大，當變形量達到80%時，可以看出不僅僅板坯內壁圓角處產生了明顯的內折疊缺陷，同時板坯上端法蘭金屬已經“溢出”。

旋壓成形工藝優化

基于上述模擬分析結果，在第二道次旋平過程中，板坯上端金屬不僅向上流動填充型腔，而且在旋輪擠壓作用下發生徑向增厚，這兩股不同流向的金屬對流匯合導致內折疊；根據內折疊產生的原因，我們優化了第一道次旋彎輪的結構，將旋輪的圓弧半徑調整為16mm，圓弧與下端面的圓角半徑調整為7mm，旋輪下端面高度調整為5mm，通過優化旋輪的結構，使得第一道次旋壓成形后的板坯形狀更為合理，從而在第二道次旋平過程中消除內折疊。

圖4 第二道次旋平成形過程應力分布圖

圖5 優化后旋輪結構

圖6為優化旋輪結構后兩道次旋壓成形板坯應力分布圖，從圖6(a)中可以看出在板坯經過第一道次旋彎成形后，由于增大了旋輪的圓弧過渡，板坯上端的局部增厚程度減小，對應板坯上端聚料量減少；此外，減小了旋輪下端面的尺寸，使得板坯金屬產生較為明顯的向下流動趨勢，總體板坯的圓弧過渡得到明顯改善。圖6(b)為第二道次旋壓成形板坯應力圖，由于變形量的不斷積累，板坯的變形抗力也增大，因此板坯的應力分布相對較大，但仍在合理范圍內，而通過減少板坯上端的聚料量，改善板坯下端的過渡形狀的方法，不僅使板坯上下端金屬的分配更加合理均勻，而且板坯內壁圓角處的內折疊缺陷也徹底消除。

圖6 優化后兩道次旋壓成形板坯應力分布圖

試驗驗證

圖7所示為該多楔輪的試驗設備及模具工裝，其旋壓成形過程是在CDC-4S80多工位旋壓機上進行，并將上下芯模、四個旋輪及定位銷安裝在旋壓機上，將經過翻孔成形后的板坯放置在旋壓機芯模的上模和下模之間，并通過定位銷固定；在旋壓機上，調整好旋輪輪槽與初始板坯的位置；在成形過程中不斷向旋輪與板坯之間注入冷卻潤滑液用以降低旋輪與板坯之間的摩擦并冷卻模具。

圖7 試驗設備及模具工裝

圖8是經過四道次旋壓最終成形的上下非對稱法蘭多楔輪剖面件，從圖8中可以看出零件整體端面成形質量良好，無明顯毛刺、折疊、飛邊等缺陷，其中上下法蘭均成形飽滿，外緣形狀達到了設計要求。

圖8 多楔輪剖面件

結論

⑴在第一道次旋彎成形過程中，隨著旋彎輪的不斷進給，板坯和旋輪的接觸面積逐漸增加，板坯金屬發生軸向、徑向和周向流動，板坯的直徑逐漸減小，最終形成過渡圓弧的結構，從而實現了旋壓增厚。

⑵為了成形多楔輪的上法蘭，上芯模和板坯之間有一定型腔，在第二道次旋平過程中，板坯上端金屬不僅向上流動填充型腔，而且在旋輪擠壓作用下發生徑向增厚，這兩股不同流向的金屬對流匯合導致內折疊。

⑶通過有限元模擬對前兩道次旋壓成形進行分析，優化旋輪的結構，將旋輪圓弧半徑增大，下端面高度減小，從而減少板坯上端的聚料量，改善板坯下端的過渡形狀，在使板坯上下端金屬的分配更加合理均勻的同時，板坯內壁圓角處的內折疊缺陷徹底消除，并進行試驗得到了合格的樣件。

——本文節選自《鍛造與沖壓》2019年第12期