文／劉國(guó)凱，李萍·合肥工業(yè)大學(xué)

唐季平，瞿方，周敏·南通福樂(lè)達(dá)汽車配件有限公司

減振器帶輪內(nèi)筒鏟旋成形模擬及實(shí)驗(yàn)

文／劉國(guó)凱，李萍·合肥工業(yè)大學(xué)

唐季平，瞿方，周敏·南通福樂(lè)達(dá)汽車配件有限公司

針對(duì)減振器內(nèi)筒成形，提出對(duì)稱式鏟旋工藝方案，利用有限元軟件建模并進(jìn)行模擬。對(duì)模擬過(guò)程中存在的增厚效應(yīng)、欠肉及塌角缺陷，進(jìn)行機(jī)理闡述。提出通過(guò)增大成形金屬體積、改變坯料形狀等方式使型腔充填飽滿，改善外緣變形狀況。基于模擬結(jié)果，開展內(nèi)筒鏟旋實(shí)驗(yàn)，得到成形良好的內(nèi)筒工件，驗(yàn)證鏟旋工藝的可行性。

內(nèi)燃機(jī)作為主要的動(dòng)力輸出源，已被廣泛應(yīng)用到汽車、船舶及航天航空等領(lǐng)域，其活塞-連桿-曲軸之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中存在機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)各部件工作干涉、產(chǎn)生噪聲，甚至出現(xiàn)軸系斷裂使發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。為避免這種軸系振動(dòng)的產(chǎn)生，需在發(fā)動(dòng)機(jī)上配置相應(yīng)減振器，減振器主要由減振器外殼、硅油、慣性圓盤和起軸承作用的減磨襯套組成。

傳統(tǒng)減振器外殼主要應(yīng)用焊接工藝，將內(nèi)筒與底邊焊接，易形成焊縫焊接夾渣、組織粗大等焊接缺陷，這些缺陷會(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)，造成焊縫破裂，從而導(dǎo)致漏油。為避免上述成形缺陷，采用整體式鏟旋工藝，可有效改善工件成形質(zhì)量，提高筒壁與底邊的連接強(qiáng)度。

有限元模型建立

減振器內(nèi)筒壁厚要求5.2mm，底邊厚度要求保留5.5mm，如圖1所示，為提高材料利用率，擬定采用8mm厚板，起旋厚度設(shè)定2.5mm，利用鏟旋聚料效果，得到內(nèi)筒壁。

鏟旋是將坯料邊鏟邊聚的特種旋壓工藝。鏟旋過(guò)程中坯料為局部加載成形，單側(cè)受力易造成坯料失穩(wěn)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生晃動(dòng)，從而降低表面質(zhì)量及成形強(qiáng)度。本文采用雙旋輪對(duì)稱式鏟旋（圖2），可有效提高坯料的穩(wěn)定性。

本次模擬過(guò)程為上下芯模旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)坯料旋轉(zhuǎn)，旋輪做徑向進(jìn)給，各工藝參數(shù)選擇如表1所示，為工廠常用參數(shù)。本文選用起旋厚度為2.5mm，最終需獲內(nèi)筒壁厚5.2mm，其厚度的變化主要在于鏟旋工藝本身的增厚效應(yīng)。

圖1 減振器帶輪內(nèi)筒簡(jiǎn)圖

圖2 鏟旋有限元模型

表1 鏟旋模擬參數(shù)

鏟旋成形過(guò)程分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

鏟旋增厚效應(yīng)分析

鏟旋過(guò)程中，坯料主要變形區(qū)集中在旋輪與坯料接觸區(qū)，其他區(qū)域?yàn)榉亲冃螀^(qū)。非變形區(qū)金屬對(duì)變形區(qū)金屬有徑向及切向壓應(yīng)力作用，旋輪在徑向進(jìn)給時(shí)也提供壓應(yīng)力，金屬受擠壓，從而發(fā)生軸向位移。非變形區(qū)金屬提供的壓應(yīng)力隨進(jìn)給的進(jìn)行而逐漸減小，旋輪徑向載荷在不斷增大，其復(fù)合作用造成的坯料變形區(qū)金屬應(yīng)力云圖分布如圖3所示。

圖3 鏟旋應(yīng)力分布圖

如圖3(a)(b)所示，變形金屬應(yīng)力區(qū)徑向長(zhǎng)度及受力區(qū)域面積增加，徑向變形劇烈，表明變形區(qū)金屬在兩側(cè)壓應(yīng)力的作用下，受擠壓變形坯料增多，參與變形的徑向形變金屬也增加，從而造成內(nèi)筒壁增厚。隨徑向進(jìn)給的繼續(xù)，受壓應(yīng)力作用的金屬減少，徑向擠壓區(qū)減小，增厚程度減弱，此時(shí)軸向位移增加，內(nèi)筒最大壁厚呈減小趨勢(shì)，如圖4所示。

由圖4可知，內(nèi)筒壁最大壁厚先增加后減小，在成形50%左右達(dá)到最大值。內(nèi)筒壁最厚區(qū)域分布在筒壁圓角處，此處受擠壓作用劇烈，筒壁最大厚度減小主要由以下兩方面因素引起：⑴內(nèi)筒壁成形開始時(shí)厚度分布不均，隨變形的進(jìn)行，軸向位移量增加，內(nèi)筒厚度趨于均一化；⑵在成形后期，內(nèi)筒壁與上芯模接觸，在旋輪與芯模的擠壓下發(fā)生減薄。

筒壁上端面欠肉

圖4 成形各階段內(nèi)筒壁厚

圖5 鏟旋應(yīng)變?cè)茍D

筒壁剛開始成形時(shí)，坯料緊貼旋輪，坯料應(yīng)變分布如圖5(a)所示，應(yīng)變集中在旋輪與坯料接觸區(qū)，此時(shí)坯料徑向和切向受未變形區(qū)“剛端”約束，金屬貼緊旋輪沿軸向流動(dòng)。隨旋輪徑向進(jìn)給，筒壁上端部成尖角狀，中間部位隆起，下端部收縮，如圖5(b)(c)所示，這種形狀主要由于坯料軸向力、徑向力、切向力隨進(jìn)給過(guò)程不同，其比重不斷發(fā)生變化而形成的。金屬上端，軸向約束最小，金屬緊貼旋輪生長(zhǎng)，形成尖角區(qū)；中部金屬軸向受上端金屬約束，徑向約束比重減小，形成隆起；底部金屬受非變形區(qū)金屬壓應(yīng)力作用，在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下金屬僅發(fā)生軸向位移，徑向變形區(qū)很小，這種變形狀態(tài)隨變形的繼續(xù)更加明顯。當(dāng)內(nèi)筒壁與上芯模接觸，隆起區(qū)金屬受模具擠壓，在徑向截面上流動(dòng)的金屬開始不斷充滿上芯模和旋輪之間的形腔，如圖5(d)所示。輪轂筒壁與芯模接觸后金屬自下而上逐漸將旋輪與芯模形成的型腔充滿，輪轂筒壁上端在鏟旋旋壓結(jié)束時(shí)沒(méi)有充滿，并出現(xiàn)飛邊，從而造成筒壁上端欠肉現(xiàn)象。

上述端面欠肉為鏟旋工藝本身造成的，可將旋輪與芯模加工為閉式型腔加以避免，但這種成形方式對(duì)旋輪軸向負(fù)荷要求過(guò)大，機(jī)床難以滿足。另外，也可在飛邊允許的前提下，盡量增加金屬余量，使欠肉部位有足夠金屬填充。

坯料外緣塌角

變形區(qū)金屬在成形過(guò)程中，對(duì)外緣金屬有拉應(yīng)力作用，在此拉應(yīng)力作用下，坯料外緣金屬會(huì)有部分沿徑向流動(dòng)，在變形區(qū)金屬帶動(dòng)下參與變形，從而形成塌角，如圖6所示，塌角隨變形的繼續(xù)有增大趨勢(shì)。本文所選坯料厚度較厚，塌角現(xiàn)象并不嚴(yán)重，但為避免實(shí)驗(yàn)中坯料出現(xiàn)塌角，將坯料開設(shè)溝槽，增加起旋未變形區(qū)金屬體積，設(shè)計(jì)圖如圖7所示，改進(jìn)后的坯料形狀可有效改善因變形區(qū)帶料而引起的塌角，對(duì)其進(jìn)行模擬得載荷圖如圖8所示，徑向載荷最大為23t，軸向載荷為8t，滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝配要求。載荷圖中末端載荷驟增主要由于此時(shí)坯料與芯模接觸，在模具擠壓下填充型腔及形成飛邊而造成的。

鏟旋實(shí)驗(yàn)

采用表1中工藝參數(shù)，改用帶槽坯料，將起旋厚度加大，在CDC-60旋壓機(jī)床進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到工件如圖9所示，工件帶有一定飛邊，成形質(zhì)量良好，表面光潔，無(wú)塌角，上端面僅以小圓角過(guò)渡，欠肉現(xiàn)象得到改善，所得零件符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 鏟旋成形坯料塌角

圖7 板料改進(jìn)方案圖

圖8 鏟旋載荷圖

圖9 零件圖

結(jié)論

⑴采用雙旋輪對(duì)稱鏟旋，可提高坯料成形的穩(wěn)定性，提高工件質(zhì)量。

⑵鏟旋在旋輪進(jìn)給壓力及未變形區(qū)壓應(yīng)力作用下成形筒壁，并有一定增厚效應(yīng)，其增厚效果隨應(yīng)力的改變而改變，呈先增大后減小的趨勢(shì)，合理調(diào)整未變形區(qū)金屬體積可保證壁厚增厚1倍以上。

⑶由于鏟旋自身工藝原因，上端面欠肉不可避免，在機(jī)床允許范圍下，增加成形金屬體積，使多余金屬充填難成形圓角，可有效改善欠肉情況。

⑷為防止塌角的發(fā)生，對(duì)坯料進(jìn)行優(yōu)化，使用帶槽坯料，增大外緣未變形區(qū)金屬體積可有效避免塌角的產(chǎn)生。