陸瓊曄，嚴(yán) 軍

(1.南通職業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226001；2.南通福樂(lè)達(dá)汽車配件有限公司，江蘇 南通 226001)

基于DEFORM的DMFW主飛輪旋壓成形數(shù)值模擬*

陸瓊曄1，嚴(yán) 軍2

(1.南通職業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226001；2.南通福樂(lè)達(dá)汽車配件有限公司，江蘇 南通 226001)

針對(duì)汽車雙質(zhì)量飛輪中主飛輪的成形采用鑄造毛坯切削加工，加工成本高，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，應(yīng)用DEFORM-3D軟件對(duì)飛輪旋壓的整個(gè)成形過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，得到了不同旋轉(zhuǎn)進(jìn)給比的旋壓加工后的應(yīng)力、應(yīng)變分布效果圖，以及X、Y、Z等3個(gè)方向的旋壓力圖，分析了變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，為飛輪進(jìn)行旋壓加工進(jìn)行了工藝研究，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供了方法和依據(jù)，降低了研制費(fèi)用。

DEFORM；雙質(zhì)量飛輪；旋壓成形；數(shù)值模擬

旋壓技術(shù)作為一種先進(jìn)的塑性成形工藝，是將金屬平板毛坯或預(yù)制毛坯卡緊在旋壓機(jī)的芯模上，由主軸帶動(dòng)芯模和坯料旋轉(zhuǎn)，依靠芯模和成形刀具使毛坯材料產(chǎn)生連續(xù)的、逐點(diǎn)的塑性變形，從而獲得各種母線形狀的空心旋轉(zhuǎn)體零件[1-5]。其成形原理示意圖如圖1所示，圖1中1′～9′為坯料的連續(xù)位置。

圖1 旋壓成形原理示意圖

DEFORM系列軟件是由位于美國(guó)Ohio Columbus的科學(xué)成形技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的。DEFORM-3D[6]不僅能夠分析金屬成形過(guò)程中多個(gè)關(guān)聯(lián)對(duì)象耦合作用下的變形和熱特性，而且能夠在考慮變形熱效應(yīng)以及工件與模具和周圍介質(zhì)熱交換的情況下，確定變形的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布，從而給金屬旋壓工藝優(yōu)化和模具設(shè)計(jì)提供了明確的指導(dǎo)，為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論支持。

1 雙質(zhì)量飛輪

雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。雙質(zhì)量飛輪(DMFW)是將原來(lái)的1個(gè)飛輪分成2個(gè)部分，一部分保留在原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)的位置上，起到原來(lái)飛輪的作用，用于起動(dòng)和傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這一部分稱為初級(jí)質(zhì)量；另一部分放置在傳動(dòng)系變速器一側(cè)，用于提高變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這一部分稱為次級(jí)質(zhì)量。兩部分飛輪之間有1個(gè)環(huán)型的油腔，在腔內(nèi)裝有彈簧減振器，通過(guò)彈簧減振器將兩部分飛輪連接為一個(gè)整體。雙質(zhì)量飛輪是當(dāng)前汽車上隔振減振效果最好的裝置[7]。

圖2 雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的飛輪加工方法都是采用鑄件毛坯，進(jìn)行切削加工，這種方法不僅加工工藝復(fù)雜，而且制造成本高。本文采用DEFORM-3D軟件來(lái)模擬旋壓成形過(guò)程，根據(jù)模擬分析后的應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律，探討并確定合適的工藝參數(shù)，為采用旋壓技術(shù)加工飛輪的可行性提供依據(jù)。飛輪的零件圖如圖3所示。

圖3 某主飛輪零件圖

2 模型的建立

2.1 三維模型的建立

首先，在三維造型軟件Pro/E中建模，其三維圖如圖4所示；然后，導(dǎo)入DEFORM-3D軟件，采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元對(duì)毛坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為50 000，其網(wǎng)格圖如圖5所示。其中，毛坯定義為彈塑性體，芯模、旋輪等定義為剛性體，不需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分和定義[8]。

圖4 三維集合模型 圖5 網(wǎng)格劃分圖

2.2 模擬方案的確定

在實(shí)際加工中，芯模、旋輪和毛坯三者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜。一方面，毛坯和芯模在主軸的帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；另一方面，旋輪沿著軸向進(jìn)給，并且由于摩擦力的作用而繞自身軸心旋轉(zhuǎn)[9]。為了便于旋壓過(guò)程的模擬計(jì)算且保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在建立有限元模型時(shí)采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式，假定毛坯和芯模、尾頂塊固定不動(dòng)，旋輪繞著X軸(旋轉(zhuǎn)中心軸)沿毛坯表面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)[10]。模擬進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用基于剪應(yīng)力的摩擦模型，其表達(dá)式為：

影響金屬材料旋壓成形的工藝參數(shù)主要有旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡、壁厚減薄率、旋輪進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速和旋壓溫度等?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中采用冷旋工藝，所以旋壓溫度設(shè)定為室溫20 ℃ 。主軸轉(zhuǎn)速對(duì)旋壓成形的影響較小，但是適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速可以改善零件表面的粗糙度并提高生產(chǎn)效率，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速高時(shí)，相當(dāng)于單位時(shí)間內(nèi)變形區(qū)的面積增加，有效限制了變形時(shí)材料的周向流動(dòng)，工件變形條件得以改善，保證了工件有較高的尺寸精度和表面質(zhì)量；但是過(guò)高的轉(zhuǎn)速會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)，因此主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 r/min。具體的工藝參數(shù)數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 飛輪旋壓數(shù)值模擬工藝參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的要求，平板毛坯普通旋壓一般有3種軌跡曲線，分別為斜直線、凹曲線和凸曲線。由于凹曲線是生產(chǎn)中最常用的普旋軌跡，因此采用凹曲線來(lái)模擬坯料的成形。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 進(jìn)給比對(duì)模擬結(jié)果的影響分析

進(jìn)給比分別為0.5、0.75和1的3種旋壓過(guò)程的模擬結(jié)果如圖6所示。對(duì)3種進(jìn)給比的旋壓模擬結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)給比為0.5和0.75時(shí)，零件尺寸基本符合要求；進(jìn)給比為0.5時(shí)，零件出現(xiàn)略微厚度不均；進(jìn)給比為1時(shí)，零件出現(xiàn)成形不完整的情況。

圖6 不同進(jìn)給比的模擬結(jié)果圖

3.2 應(yīng)變場(chǎng)分析

3種進(jìn)給比的旋壓過(guò)程應(yīng)變場(chǎng)分布云圖如圖7所示。從圖7中可以看出，進(jìn)給比為0.5和0.75時(shí)，應(yīng)變值分布在0.2以下，而進(jìn)給比為1時(shí)，應(yīng)變值分布在0.3左右。

圖7 不同進(jìn)給比的應(yīng)變場(chǎng)分布云圖

3.3 應(yīng)力場(chǎng)分析

不同進(jìn)給比的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖如圖8所示。從圖8中可以看出，對(duì)于3種進(jìn)給比，最大主應(yīng)力的區(qū)域都分布在毛坯斜面與平面相接的位置，進(jìn)給比為0.5時(shí)，主應(yīng)力最大值為104 MPa；進(jìn)給比0.75時(shí)，主應(yīng)力最大值為140 MPa；進(jìn)給比為1時(shí)，主應(yīng)力最大值為332 MPa。

圖8 不同進(jìn)給比的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

不同進(jìn)給比的等效應(yīng)力場(chǎng)分布云圖如圖9所示。從圖9中可以看出，對(duì)于3種進(jìn)給比，等效應(yīng)力分布一致，最大的應(yīng)力值都分布在旋輪的位置，分別為947、974和948 MPa。

圖9 不同進(jìn)給比的等效應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

3.4 旋壓力分析

不同進(jìn)給比X向旋壓力曲線圖如圖10所示。從圖10中可以看出，進(jìn)給比為0.5時(shí)，X向旋壓力最大，最大值為5.87 t；進(jìn)給比為1時(shí)，平均旋壓力值最小。

圖10 X向旋壓力曲線圖

不同進(jìn)給比Y向旋壓力曲線圖如圖11所示。從圖11中可以看出，進(jìn)給比為0.5時(shí)，Y向壓旋力最大，最大值為2.15 t；進(jìn)給比為1時(shí)，平均旋壓力值最小。

圖11 Y向旋壓力曲線圖

不同進(jìn)給比Z向旋壓力曲線圖如圖12所示。從圖12中可以看出，進(jìn)給比為0.75時(shí)，Z向旋壓力最大，最大值為8.44 t；進(jìn)給比為1時(shí)，平均旋壓力值最小。

圖12 Z向旋壓力曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3種進(jìn)給比的旋壓過(guò)程進(jìn)行分析可得：1)進(jìn)給比為0.5和0.75時(shí)，應(yīng)變值分布在0.2以下，進(jìn)給比為1時(shí)，應(yīng)變值分布在0.3左右；2)進(jìn)給比為0.5時(shí)，主應(yīng)力最大值為104 MPa，進(jìn)給比為0.75時(shí)，主應(yīng)力最大值為140 MPa，進(jìn)給比為1時(shí)，主應(yīng)力最大值為332 MPa；3)3種進(jìn)給比的等效應(yīng)力分布一致，最大的應(yīng)力值都分布在旋輪的位置，分別為947、974和948 MPa；4)進(jìn)給比為1時(shí)，3個(gè)方向的旋壓力值與其他2種情況相比，旋壓力最??；5)由于發(fā)生較小的塑性變形，3種進(jìn)給比的應(yīng)力、應(yīng)變及旋壓力相差不大，從尺寸精度方面比，進(jìn)給比為0.75時(shí)符合要求，因此建議進(jìn)給比設(shè)定為0.75。

[1] 胡建軍，李小平. DEFORM-3D 塑性成形CAE應(yīng)用教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[2] 日本塑性加工學(xué)會(huì).旋壓成形技術(shù)[M].陳敬之，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[3] 王成和，劉克璋.旋壓技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

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[9] 劉振崗，葉廣寧，張玎，等. 某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流環(huán)旋壓成形工藝研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2016(2)：16-18.

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[11] Hayma M, Kudo H，Shinokura T. Study of the pass schedule in conventinal simple spinning[J]. Bulletin of JSME, 1970,13(6): 1358-1366.

* 江蘇省科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(BM2015292) 江蘇省高職院校教師2015年度高級(jí)訪問(wèn)工程師研訓(xùn)項(xiàng)目(2015FG033) 2014AA瞪羚企業(yè)培育計(jì)劃項(xiàng)目(AA2014015)

責(zé)任編輯 馬彤

Numerical Simulation of Spinning Forming Process of Major Flywheel on DMFW based on DEFORM

LU Qiongye1, YAN Jun2

(1.Department of Automobile and Transportation, Nantong Vocational University, Nantong 226001, China；2.Nantong Fuleda Auto Parts Co., Ltd., Nantong 226001, China)

The major flywheels of DMFW in the automobile are produced by casting blank on the forming process of the traditional machining with the disadvantage of high cost and severe waste material. The forming process of flywheel is simulated numerically by the software DEFORM-3D. The curves of forming by different revolving feed ratio are presented, and the distribution regularity of stress and strain in the forming zone is analyzed. The results are useful to the study of the flywheel spinning and optimization of the technological parameters. Furthermore, the cost of the development is lowed.

DEFORM, DMFW, spin-forming, numerical simulation

TG 386.3+2

A

陸瓊曄(1978-)，女，講師，碩士，主要從事汽車材料等方面的研究。

2016-08-24