文/王伶俐，嚴(yán)軍·南通江華機(jī)械有限公司

沈國(guó)章·合肥工業(yè)大學(xué)

工藝參數(shù)對(duì)鏟旋成形皮帶輪底部不平的影響

文/王伶俐，嚴(yán)軍·南通江華機(jī)械有限公司

沈國(guó)章·合肥工業(yè)大學(xué)

王伶俐,工程師，注冊(cè)質(zhì)量工程師，曾參與園林機(jī)械劈開(kāi)式旋壓帶輪新品開(kāi)發(fā)，汽車離合器、曲軸減震器用旋壓多楔帶輪、惰輪及輪轂等新品開(kāi)發(fā)及帶輪檢測(cè)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。

旋壓加工工藝是一種借助旋輪的進(jìn)給作用對(duì)坯料施加壓應(yīng)力，進(jìn)而誘使毛坯發(fā)生塑性變形的加工方法，適用領(lǐng)域廣泛。鏟旋旋壓技術(shù)是在強(qiáng)力旋壓的基礎(chǔ)上新發(fā)展起來(lái)的一種成形工藝，采用鏟旋輪作用于帶孔的圓形板材，使圓形板材在厚度方向上逐漸減小，變薄區(qū)域的材料在板材輪轂方向上逐漸聚積，形成輪轂筒壁。

鏟旋旋壓成形方法具有加工零件樣式多，生產(chǎn)制造成本低，對(duì)材料塑性要求低，環(huán)境友好等特點(diǎn)，是一種高效、精密成形板材回轉(zhuǎn)體零件的方法。許多研究人員在鏟旋成形工藝方面作出了不懈努力，通過(guò)數(shù)值模擬和生產(chǎn)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了成形過(guò)程中鏟旋輪的噸位和對(duì)成形設(shè)備噸位的要求，擴(kuò)大了鏟旋成形的加工范圍，對(duì)促進(jìn)鏟旋成形工藝的應(yīng)用作出較大的貢獻(xiàn)。本文基于客戶009068皮帶輪鏟旋成形生產(chǎn)中出現(xiàn)的帶輪底部不平整問(wèn)題，缺陷如圖1所示，借助于數(shù)值分析軟件對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行分析，研究成形工藝對(duì)該缺陷的影響，完善生產(chǎn)工藝，確保按時(shí)投產(chǎn)并滿足客戶要求。

有限元模型的建立

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元仿真計(jì)算在塑性加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，不僅可以顯著降低企業(yè)生產(chǎn)成本，而且相對(duì)以往可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)?；谝陨显颍疚闹饕捎脭?shù)值模擬計(jì)算來(lái)研究各工藝參數(shù)對(duì)鏟旋成形皮帶輪性能的影響。

圖1 鏟旋旋壓件缺陷示意圖

圖2 鏟旋工裝示意圖

在鏟旋成形過(guò)程中，芯模以角速度ω作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋輪在圓形坯料上以速度ν作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際工裝圖，如圖2所示，通過(guò)三維造型軟件，建立芯模、毛坯和旋輪三維模型，將模型以*.stl格式導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件中，建立有限元分析模型，如圖3所示。建模時(shí)，假設(shè)模具為剛性體、毛坯為塑性體，忽略旋輪和芯模在成形過(guò)程中的變形。鏟旋過(guò)程中，金屬材料流動(dòng)距離長(zhǎng)，網(wǎng)格容易發(fā)生畸變，會(huì)使計(jì)算精度降低，導(dǎo)致不收斂，甚至不能計(jì)算。所以在模擬過(guò)程中，需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分，再以新的網(wǎng)格為基礎(chǔ)，繼續(xù)計(jì)算。本文采用四面體單元對(duì)毛坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為80000個(gè)，在軟件庫(kù)中選擇與毛坯材料性能相近的AISI-1015。

鏟旋成形皮帶輪底部不平現(xiàn)象分析

可以將整個(gè)鏟旋成形變形區(qū)域劃分為三個(gè)區(qū)域：未變形區(qū)、變形區(qū)和已鏟旋區(qū)。未變形區(qū)的金屬受到變形區(qū)金屬的作用力，部分金屬開(kāi)始發(fā)生變形，構(gòu)成了未變形區(qū)和變形區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)域，已鏟旋區(qū)的金屬也會(huì)受到變形區(qū)金屬的作用，三個(gè)區(qū)域位置分布和材料應(yīng)力、流動(dòng)趨勢(shì)如圖4所示。

圖3 鏟旋有限元模型

圖4 變形區(qū)域應(yīng)力和金屬流動(dòng)趨勢(shì)圖

從模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于鏟起的坯料的厚度相對(duì)初始毛坯板料厚度較大，受鏟旋輪的作用，不斷向筒壁方向流動(dòng)的金屬會(huì)對(duì)板料底部金屬產(chǎn)生一個(gè)作用力，使板料底部金屬有向筒壁方向流動(dòng)的傾向。隨著鏟旋過(guò)程的進(jìn)行，變形區(qū)域的金屬不斷發(fā)生加工硬化，變形區(qū)域?qū)σ宴P旋區(qū)和未變形區(qū)的作用力會(huì)不斷變大，從而造成板料底部材料向筒壁方向流動(dòng)的傾向不斷增強(qiáng)。由于變形區(qū)域兩側(cè)的已鏟旋區(qū)和未變形區(qū)域面積分布是不均勻的，變形區(qū)域?qū)刹糠謪^(qū)域的作用力所引起的板料底部流動(dòng)傾向也是不一致的。在鏟旋成形過(guò)程結(jié)束前，未變形區(qū)同時(shí)受到芯模的作用，已鏟旋區(qū)會(huì)受到旋輪端部的作用，板材底部材料難以發(fā)生變形。鏟旋成形結(jié)束后，芯模和旋輪對(duì)皮帶輪底部的約束作用消失，由于皮帶輪底部厚度較薄，剛度不夠，板材底部的殘余應(yīng)力誘使板材底部發(fā)生變形，使皮帶輪底部出現(xiàn)了不平整現(xiàn)象。

工藝參數(shù)對(duì)皮帶輪底部不平的影響

從數(shù)值模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在鏟旋成形過(guò)程中，坯料受旋輪和芯模的共同作用，在圓形毛坯的軸向、徑向和切向都受到較大的作用力，由于工藝參數(shù)的不同，圓形毛坯很容易出現(xiàn)未知的缺陷。本文主要從旋輪半徑大小和進(jìn)給速度方面對(duì)皮帶輪底部不平的問(wèn)題進(jìn)行了研究。

旋輪半徑對(duì)皮帶輪底部不平的影響

為了方便比較旋輪半徑變化對(duì)鏟旋成形皮帶輪底部不平現(xiàn)象的影響，作者分別模擬了80mm、90mm、100mm三種尺寸的鏟旋輪鏟旋成形過(guò)程。鏟旋結(jié)束時(shí)，三種尺寸鏟旋輪成形的皮帶輪底部等效應(yīng)變分布如圖5所示。

從圖5中可以看出在不同旋輪半徑的影響下，坯料的底部端面等效應(yīng)變分布都出現(xiàn)了不均勻的情況，有部分區(qū)域的等效應(yīng)變值較大，而有些地方則接近于零，這表明成形件底部各個(gè)區(qū)域的金屬變形程度不同，會(huì)導(dǎo)致底部出現(xiàn)不平整的缺陷。并且從圖5c中可以看出，當(dāng)旋輪半徑增加到100mm時(shí)，底部金屬的等效應(yīng)變值更大，分布更不均勻，也就是成形件的底部不平整度更高。因此，增大旋輪圓角半徑，會(huì)導(dǎo)致旋輪和毛坯的接觸區(qū)域面積增加，變形區(qū)域內(nèi)的受力不均勻，易發(fā)生底部不平的現(xiàn)象，減小旋輪半徑可以有效地減弱或者消除底部不平問(wèn)題。

圖5 皮帶輪底部等效應(yīng)變圖

圖6 皮帶輪底部等效應(yīng)變切片圖

旋輪進(jìn)給速度對(duì)皮帶輪底部不平的影響

以旋輪的進(jìn)給速度作為單一變量，分別取旋輪進(jìn)給速度為1mm/s，2mm/s，4mm/s進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖6所示。通過(guò)對(duì)比不同進(jìn)給速度下的皮帶輪底部的等效應(yīng)變值及其分布情況，來(lái)分析評(píng)論進(jìn)給速度對(duì)成形件底部不平問(wèn)題的影響規(guī)律。

從圖6中可以看出，在厚度方向等效應(yīng)變值分布存在著一定梯度，即越靠近底部，等效應(yīng)變值越低，這是由于直接與旋輪作用的金屬變形較為劇烈，而底部的金屬是在周圍金屬的間接作用下發(fā)生塑性變形的，越靠近成形件底部變形程度越低。進(jìn)給速度的為4mm/s的成形件，底部還有一定厚度等效應(yīng)變值較小金屬，即幾乎沒(méi)有發(fā)生塑性變形的金屬，可以有效防止成形件底面出現(xiàn)不平整的缺陷。因此，適當(dāng)增加進(jìn)給速度可以有效地減弱或者消除底部不平問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鏟旋旋壓在成形皮帶輪時(shí)皮帶輪底部出現(xiàn)不平整的現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬的手段，對(duì)成形過(guò)程中旋輪半徑的大小和進(jìn)給速度的快慢對(duì)皮帶輪底部不平整現(xiàn)象的影響進(jìn)行了討論。旋輪圓角半徑的增大，會(huì)導(dǎo)致旋輪和毛坯的接觸區(qū)域面積增加，變形區(qū)域內(nèi)的受力不均勻，易發(fā)生底部不平的現(xiàn)象，減小旋輪半徑可以有效地減弱或者消除底部不平問(wèn)題；提高旋輪的進(jìn)給速度，能夠降低皮帶輪底部的受力情況，改善底部不平整的現(xiàn)象。