李貝貝，嚴軍，劉雨生，賀鵬，薛克敏

(1.合肥工業(yè)大學，合肥 230009;2.南通福樂達汽車配件有限公司，江蘇 南通 226000)

以凈成形或近凈成形為目標的精密塑性成形技術，是21世紀先進制造技術的發(fā)展趨勢[1—2]。作為一種先進制造技術，精密塑性成形技術在制造業(yè)特別是機械制造業(yè)的發(fā)展中，發(fā)揮了重要的作用，大量優(yōu)質、高效、少無切削的新型成形技術得到了發(fā)展[3—4]。近年來，輪轂成形以板材為坯料，采用旋壓工藝成形，大大提高了產(chǎn)品精度，金相組織致密、機械性能良好，而且重量輕、表面光潔，機械加工余量大大減少[5—7]。

文中所研究的曲軸輪轂，在凸臺中間有一部分齒形，齒深相對坯料厚度較小，齒形和精度具有嚴格要求。曲軸輪轂一般采用劈開式旋壓[6]工藝，將拉深的毛坯旋壓成形得到，在劈旋之前，需先精壓出曲軸輪轂中間的齒形。實際生產(chǎn)中，由于是局部變形，大量未變形金屬影響變形金屬的流動，導致齒形難以充滿，而過大的壓下量雖然可以壓出齒形，但是會導致輪轂變形嚴重，形狀尺寸無法滿足要求，因此在保證輪轂形狀尺寸的前提下，如何精壓出輪轂花齒部分是十分關鍵的因素?，F(xiàn)有研究多集中在研究曲軸輪轂的旋壓成形工藝[5，8—9]，為了解決齒形充填困難的問題，并了解齒形充填過程中金屬的流動狀況，文中利用有限元仿真軟件DEFORM－3D進行數(shù)值模擬，分析不同工藝參數(shù)對成形過程中金屬流動的影響，為工藝方案的制定提供指導。

1 工藝方案的確定

1.1 零件分析

文中所研究對象為汽車用曲軸輪轂，其零件如圖1所示。中間凸臺部分的外徑為64 mm，側壁壁厚為4 mm，端面壁厚為4.5 mm。凸臺部分有放射狀齒形分布，齒形的外徑為42 mm，中間孔的直徑為19 mm。

圖1 零件Fig.1 Part diagram of wheel

1.2 輪轂中間齒形工藝方案確定

該曲軸輪轂以板材為毛坯，經(jīng)拉深后采用劈開式旋壓成形。由于齒深較淺，齒形要求高，在劈開式旋壓之前精壓出花齒部分。為了提高鍛件精度、降低成形載荷，在毛坯中間預先壓出減壓孔，通過擠壓減壓孔產(chǎn)生的向心收縮力來實現(xiàn)分流[3，10]。如圖2所示，在成形過程中，上沖頭下行，與凹模接觸的坯料產(chǎn)生塑性變形，金屬向凹模型腔及減壓孔方向流動，完成齒形的成形。

圖2 成形過程示意Fig.2 Principle diagram of forming

2 工藝過程有限元模擬

運用DEFORM－3D有限元軟件，采用剛塑性有限元法，對輪轂中間齒精壓成行進行計算機仿真模擬。模擬過程的坯料是經(jīng)拉深及沖孔后的毛坯，整個模型中除坯料設為塑性體外，其他部分均設為剛體。坯料材料選擇AISI1008，成形溫度為20℃，沖壓速度為20 mm/s，劃分網(wǎng)格時，對主要變形區(qū)齒形部分進行了局部細劃，細化比例因子為0.2，網(wǎng)格總數(shù)為180000，減壓孔直徑取0～17mm，摩擦因數(shù)取0.1 ～0.5，有限元模型如圖3 所示。

圖3 模具與工件的有限元模型Fig.3 The finite element model of the die and workpiece

3 模擬結果分析

在成形過程中，選取不同的工藝參數(shù)會對成形結果產(chǎn)生影響。結合實際生產(chǎn)，選取摩擦因數(shù)和坯料減壓孔直徑作為變量，研究工藝參數(shù)對輪轂齒形成形的影響規(guī)律。

3.1 摩擦因數(shù)對成形的影響

塑性成形過程中，當模具與變形體間的接觸面上有相對運動或運動趨勢時，接觸面間必然產(chǎn)生摩擦[3]。塑性成形中的摩擦會增大變形抗力、產(chǎn)生不均勻變形、降低模具壽命等，但是塑性成形中也常應用摩擦的有益作用幫助成形[12]。通過數(shù)值模擬，分析不同摩擦因數(shù)條件的影響效果。

3.1.1 摩擦因數(shù)的選擇依據(jù)

對于變形量較小的冷成形工序，采用庫倫摩擦條件，即:τ=μσN，τ是摩擦切應力(MPa)，σN是接觸面上的正應力，μ是摩擦因數(shù)。實際上摩擦切應力不能隨σN的增大而無限增大，當τ=τmax=K時，接觸面將會產(chǎn)生塑性流動，此時σN的極限值為材料真實應力－應變曲線上的屈服應力Y。根據(jù)Mises屈服準則，K=Y，故可確定摩擦因數(shù) μ 的極限值為 μ =0.5 ～0.577[3]。所以為了分析摩擦因數(shù)對成形過程的影響，選取 μ 為0.1，0.3，0.5，分別進行數(shù)值模擬。

3.1.2 摩擦因數(shù)對齒形充填及載荷的影響

圖4 為摩擦因數(shù) μ 為0.1，0.3，0.5 時的載荷 －時間曲線，當μ=0.1時，成形載荷最小，但充填時間最長，即上沖頭壓下量最大，導致底部材料減薄嚴重，這是因為摩擦因數(shù)小，金屬易向徑向流動，軸向流動受阻，因此需要大的壓下量才能充滿齒形;μ=0.5 時，成形載荷最大，充填時間最短;μ =0.3 時，充填時間、成形載荷均介于摩擦因數(shù)為0.1和0.5之間。不同摩擦因數(shù)下齒形填充及減薄情況見表1，深色部分表示成形后坯料與模具的貼合情況。摩擦因數(shù)μ=0.1時，坯料底端減薄最嚴重，但在齒端的凹槽部分仍未完全貼合，摩擦因數(shù)μ=0.5時，齒形輪廓與模具完全貼合，且坯料底端減薄最少。這是因為摩擦因數(shù)越小，金屬向外流動的阻力越小，根據(jù)體積不變條件及最小阻力定律[3，11—13]，大量金屬朝拐角及直壁處流動，成形齒形需要更長時間，底部減薄嚴重，因此中間齒形部分難以充填。

圖4 不同摩擦因數(shù)下的成形載荷Fig.4 Forming load curves with different frictional coefficient

表1 不同摩擦因數(shù)下齒形的充填及減薄情況Table1 Tooth filling and thinning with different frictional coefficient

3.1.3 摩擦因數(shù)對等效應變的影響

齒形充填結束時，不同摩擦因數(shù)條件下的等效應變分布如圖5所示，為了方便觀察，截取坯料的1/4剖面。從圖5可以看出，等效應變主要集中在齒形部分，且在齒端凹槽及減壓孔附近的應變較大。摩擦因數(shù)為0.1時，等效應變的分布區(qū)域最大，在齒形部分的整個坯料厚度上都存在明顯應變分布，且齒底部分等效應變很大，這是由于摩擦因數(shù)很小時，金屬更容易沿徑向流動，不利于軸向流動成形齒形，齒形充填困難，應變增大;摩擦因數(shù)為0.5時，在減壓孔附近的等效應變較大，這是由于摩擦因數(shù)很大時，金屬向外流動的阻力變大，內(nèi)部金屬更易朝減壓孔方向流動;摩擦因數(shù)為0.3時，等效應變分布整體上較均勻，這是由于摩擦因數(shù)適中時，金屬朝內(nèi)和朝外流動出現(xiàn)一定程度的平衡，使得整體上齒形處的等效應變分布較為均勻。

圖5 不同摩擦因數(shù)下的等效應變分布Fig.5 Effective strain distribution with different frictional coefficient

由于板料與模具之間的摩擦對成形有著雙重作用，一方面較大的摩擦力會增加成形載荷，另一方面，正是因為摩擦的作用，底部材料才能順利流向型腔[12]，因此實際中要合理控制坯料與模具間的摩擦情況。

3.2 減壓孔尺寸對金屬流動的影響

選取減壓孔直徑為7，13，17 mm，以及無減壓孔的情況，分別對坯料的精壓過程進行討論，分析減壓孔對齒形成形的影響。各情況下的流動速度分布如圖6所示，在成形過程中，金屬流動出現(xiàn)分流面，這是由于摩擦力的作用，改變了金屬質點的流動方向，當接觸面上的摩擦很小或無摩擦時，根據(jù)體積不變條件，金屬質點將作輻射狀向外流動。當接觸面上摩擦增大，則向外流動的阻力增大，靠近內(nèi)部的質點向外流動的阻力大于向內(nèi)流動的阻力，此處金屬向內(nèi)流動，從而出現(xiàn)一個分流面。由圖6可以看出，分流面處金屬流動緩慢，不同減壓孔下的金屬流動分布也存在差異，減壓孔越大，大直徑處齒形部分的金屬流動速度越小。

圖6 不同減壓孔直徑的金屬的流動分布Fig.6 Material flow velocity with different hole size

圖7為分流半徑、成形載荷與減壓孔直徑的關系，分流半徑隨著減壓孔直徑的增大而增大，成形載荷隨減壓孔直徑的增大而降低。由最小阻力定律可知，中間的變形金屬更易朝阻力小的減壓孔方向流動，為了保持整體的完整性和連續(xù)性，這部分金屬會對大直徑處金屬的流動產(chǎn)生影響，阻礙其流動，導致分流面隨減壓孔增大而向外偏移[10，14]，分流半徑越大，金屬流動緩慢的部分越靠近大直徑處的齒形部分，從而會導致這部分成形更為困難。

圖7 不同減壓孔下金屬的分流半徑及成形載荷Fig.7 Split－ flow radius and forming load with different hole size

大尺寸的減壓孔雖然有利于降低成形載荷，但分流半徑的增大阻礙了大直徑齒形處的金屬流動，因此減壓孔尺寸的選擇十分關鍵，在成形力允許范圍內(nèi)，減壓孔尺寸要盡可能小。

4 工藝驗證

保持其他工藝參數(shù)不變，采用φ10 mm的減壓孔坯料，在不加潤滑條件下進行齒形成形的物理試驗，齒形成形效果良好，如圖8所示。

圖8 試驗結果Fig.8 Results of the experiment

5 結語

針對生產(chǎn)中遇到的問題，采用有限元軟件DEFORM－3D進行數(shù)值模擬，分析了摩擦因數(shù)及坯料減壓孔尺寸對齒形充填的影響，經(jīng)過分析得出以下結論。

1)摩擦因數(shù)過小，徑向流動阻力減小，不利于金屬軸向流動充填齒形，較大的摩擦因數(shù)有利于齒形充填，但是摩擦因數(shù)過大會導致成形載荷過大，應變分布更加不均。

2)隨著減壓孔直徑增大，金屬的分流面外移，對大直徑處齒形充填不利。

3)以模擬結果為指導，進行了物理試驗，擠壓得到了完整齒形，模擬結果得到了驗證。數(shù)值模擬分析為制定合理的工藝提供了參考，對指導生產(chǎn)實踐，降低生產(chǎn)成本，具有重要意義。

[1]呂炎.精密塑性體積成形技術[M].北京:國防工業(yè)出版社，2003.LYU Yan.Technology of Precision Plastic Forming[M].Beijing:National Defence Industry Press，2003.

[2]王忠雷，趙國群.精密鍛造技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].精密成形工程，2009，1(1):32—38.WANG Zhong － lei，ZHAO Guo － qun.Recent Condition and Developing Trends of Precise Forging Technology[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2009，1(1):32—38.

[3]劉全坤，祖方遒，李萌盛，等.材料成形基本原理[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.LIU Quan － kun，ZU Fang － qiu，LI Meng － sheng，et al.Principles of Material Forming[M].Beijing:China Machine Press，2010.

[4]KUDO H.Towards Net－ shape Forming[J].Journal of Materials Processing Technology，1990(22):307—342.

[5]滕煥波，馮再新，張治民.輕合金汽車輪轂的生產(chǎn)方法[J].輕合金加工技術，2006，34(10):16—19.TENG Huan － bo，F(xiàn)ENG Zai－ xin，ZHANG Zhi－ min.Methods of Light Alloy Wheels Production[J].Light Alloy Fabrication Technology，2006，34(10):16—19.

[6]劉金年.汽車發(fā)動機V型皮帶輪的旋壓工藝[J].科技與經(jīng)濟，2006，36(4):56—58.LIU Jin－ nian.The Spinning Technology of the Automobile Engine V Belt Pulley[J].Technology and Economy，2006，36(4):56—58.

[7]楊明輝，梁佰祥，夏琴香，等.旋壓技術分類及應用[J].機電工程技術，2004，33(11):14—16.YANG Ming － hui，LIANG Bai－ xiang，XIA Qin － xiang，et al.Classification and Application of Spinning Technology[J].Mechanical and Electrical Engineering Technology，2004，33(11):14—16.

[8]MUSIC O，ALLWOOD J M，KAWAI K.A Review of the Mechanics of Metal Spinning[J].Journal of Materials Processing Technology，2010，210(1):3—23.

[9]KATHRYN J，JULIAN A.The Mechanics of Incremental Sheet Forming[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209(3):1158—1174.

[10]李峰，初冠南，劉曉晶.鋁合金圓環(huán)壓縮過程中的分流行為[J].中國有色金屬學報，2009，19(11):1923—1927.LI Feng，CHU Guan － nan，LIU Xiao － jing.The Shunt Behavior in the Process of Aluminum Alloy Ring Compression[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2009，19(11):1923—1927.

[11]趙振鐸，邵明志，張召鐸，等.金屬塑性成形中的摩擦與潤滑[M].北京:化學工業(yè)出版社，2004.ZHAO ZHEN － duo，SHAO Ming － zhi，ZHANG Zhao －duo，et al.The Friction and Lubrication of Metal Plastic Forming[M].Beijing:Chemical Industry Press，2004.

[12]許光明，崔建忠.金屬成型過程中摩擦成因的分析[J].塑性工程學報，2000，7(4):29—32.XU Guang－ ming，CUI Jian － zhong.The Analysis of the Friction Causes in the Process of Metal Forming[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2000，7(4):29—32.

[13]LEE B H，KEUM Y T，WAGONER R H.Modeling of the Friction Caused by Lubrication and Surface Roughness in Sheet Metal Forming[J].Journal of Materials Processing Technology，2002，130:60—63.

[14]MORI K，ABE Y，OSAKADA K，et al.Plate Forging of Tailored Blanks Having Local Thickening for Deep Drawing of Square Cups[J].Journal of Materials Processing Technology，2011，211:1569—1574.