申小平，黃永強(qiáng)

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VVT正時(shí)鏈輪的模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

申小平，黃永強(qiáng)

(南京理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，南京 210094)

VVT正時(shí)鏈輪是汽車發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵零件，作為汽車傳動機(jī)構(gòu)具有較高的配合精度要求。本文基于粉末連續(xù)體，運(yùn)用有限元deform軟件對VVT正時(shí)鏈輪的三種不同設(shè)計(jì)方案下的壓坯密度進(jìn)行模擬分析。通過數(shù)值模擬仿真數(shù)據(jù)對模具進(jìn)行改進(jìn)及尺寸優(yōu)化，提高壓坯密度分布的均勻性，以實(shí)現(xiàn)VVT正時(shí)鏈輪采用粉末冶金近凈成形的先進(jìn)方法制造，并滿足其對精度、密度、性能的要求。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)上一下一的模具結(jié)構(gòu)，在鎖孔對應(yīng)位置處上模沖設(shè)計(jì)漏粉穴，使得鎖孔處處于過飽和的粉末實(shí)現(xiàn)移動，防止產(chǎn)生過壓現(xiàn)象。當(dāng)漏粉穴尺寸較小時(shí)，其過壓現(xiàn)象得不到緩解，當(dāng)漏粉穴尺寸較大時(shí)，鎖孔周邊粉末流失，形成低密度區(qū)，導(dǎo)致整體密度分布不均，將漏粉穴的體積設(shè)計(jì)為鎖孔體積的2/3時(shí)，可獲得密度分布最均勻的壓坯。

粉末壓制；有限元模擬；相對密度；VVT鏈輪

發(fā)動機(jī)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)(VVT，variable valve timing)通過配備的控制及執(zhí)行系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)凸輪的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)從而使得氣門開啟、關(guān)閉的時(shí)間隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，調(diào)整進(jìn)氣(排氣)的量，和氣門開合時(shí)間與角度。使進(jìn)入的空氣量達(dá)到最佳，提高燃燒效率。正時(shí)鏈輪是可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，汽車發(fā)動機(jī)在工作過程中，在氣缸內(nèi)不斷發(fā)生進(jìn)氣、壓縮、爆炸、排氣四個(gè)過程，并且每個(gè)步驟的時(shí)機(jī)都要與活塞的運(yùn)行狀態(tài)和位置相匹配，使進(jìn)氣與排氣及活塞升降相互協(xié)調(diào)起來，正時(shí)鏈輪在發(fā)動機(jī)里面扮演了一個(gè)“橋梁”的作用，在凸輪軸的帶動下將力量傳遞給相應(yīng)機(jī)件。圖1為正時(shí)鏈輪的零件圖。近凈成形技術(shù)可直接由粉末制成最終制品或接近最終形狀的制品，而不需或只需少量機(jī)加工便可以達(dá)到制品的技術(shù)需求。與傳統(tǒng)的金屬加工方法相比，粉末冶金法制備材料利用率高、能耗低、經(jīng)濟(jì)效益好，是節(jié)能節(jié)材的先進(jìn)工藝技術(shù)[1?2]。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中被大量用于金屬零件的制備，特別是在汽車制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3]。對于生產(chǎn)油量控制套筒這種形狀復(fù)雜的零件，正由近凈成形先進(jìn)制造方法取代傳統(tǒng)的切削加工方 法[4]。運(yùn)用有限元軟件對粉末壓制成形過程模擬是一種有效的設(shè)計(jì)方法，可發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，并提出有效的改進(jìn)措施，從而做到早期評價(jià)，優(yōu)化工藝參數(shù)，快速有效地確定模具的最終理想形狀，提高生產(chǎn)效率，縮短研發(fā)周期，降低成本[5?6]。Deform有限元軟件廣泛應(yīng)用于塑性成形工藝的模擬仿真，可用于分析各種塑性成形過程中的金屬流動以及應(yīng)變應(yīng)力、溫度、密度等物理場量的分布，提供材料流動、成形載荷、模具應(yīng)力、密度分布和金屬微結(jié)構(gòu)等信息。運(yùn)用不同的材料模型可分析殘余應(yīng)力，回彈問題以及粉末冶金成形等，并為模具仿真及其他相關(guān)工藝分析提供數(shù)據(jù)[7]。本文運(yùn)用有限元deform軟件對VVT正時(shí)鏈輪的三種不同設(shè)計(jì)方案下的壓坯密度進(jìn)行模擬分析。通過模擬數(shù)據(jù)對模具進(jìn)行改進(jìn)及尺寸優(yōu)化，著重對帶有逃粉穴設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行模擬并加以分析，以此來提高壓坯密度分布的均勻性。

1 現(xiàn)有粉末冶金制造工藝方案、存在問題及改進(jìn)方案

1.1 制造工藝方案

對于正時(shí)鏈輪的粉末冶金制造工藝方案：考慮到該款正時(shí)鏈輪的厚度較薄(總厚為6.5 mm)，在后道工序中需要對齒部和鎖孔處進(jìn)行局部高頻淬火處理，會產(chǎn)生較大的變形，難以保證產(chǎn)品的平行度和平面度，因此在壓制工藝時(shí)需對毛坯的密度進(jìn)行精確地控制，盡量保證各部位密度均勻性，避免在熱處理過程中由于密度不均而產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。本研究中采用上一下一的模具結(jié)構(gòu)，上模沖開鑿漏粉穴，保證壓坯在鎖孔處密度均勻，另外采用機(jī)加工的方法車出鎖孔背面凸臺及臺階。該方案模具零件包括陰模、上模沖(帶逃粉穴)、下模沖、芯棒。其壓形毛坯如圖2所示。

圖1 正時(shí)鏈輪的零件圖

圖2 正時(shí)鏈輪的壓坯圖

1.2 存在問題及實(shí)驗(yàn)方案

上述工藝方案得到的壓坯存在以下問題：(1) 密度均勻性較差。從外觀看，有亮有暗，色澤不均勻。通過分段密度測試可知，暗處和亮處密度相差達(dá)0.8 g/cm3。圖3所示的陰影區(qū)域?yàn)楦呙芏葏^(qū)。(2) 存在裂紋。部分壓坯有裂紋，裂紋出現(xiàn)的位置通常在密度差大的區(qū)域。

圖3 壓坯不良現(xiàn)象：密度不均勻及壓坯裂紋分布

試驗(yàn)方案：(1) 方案一，直接采取上一下一的模具結(jié)構(gòu)，上模沖不加逃粉穴。(2) 方案二，采取上一下二的模具結(jié)構(gòu)，鎖孔位置成形單獨(dú)分沖。(3) 方案三，采用上一下一的模具結(jié)構(gòu)，在鎖孔對應(yīng)位置的上模沖設(shè)計(jì)漏粉穴[4]，使得此處多余粉料實(shí)現(xiàn)排除以防止鎖孔區(qū)域過壓。

2 模具改進(jìn)方案的有限元分析

粉末體具有流動性，在一定程度上具有流體的特性，但粉末體在受壓下又可變形具有固體的特性。本文針對粉末特有的性質(zhì)，介于流體和固體之間，將粉末體選為Deform軟件中的粘塑性porous模型，模具為剛性rigid模型，采用更新的拉格朗日方法對粉末壓制過程進(jìn)行模擬分析[7?8]，基于模具不同改進(jìn)方案下得到密度分布均勻的壓坯為目的。材料參數(shù)如圖4所示：粉末的松裝相對密度為0.438，楊氏模量與其密度存在一定的關(guān)系，如圖4(a)所示；泊松比用概率密度的正態(tài)分布函數(shù)表示[9]，如圖4(b)所示；流動應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4(c)所示；熱膨脹系數(shù)為1.35×10?5。按裝粉系數(shù)為=2建立有限元模型[10]。模擬過程：在三維作圖軟件中建立的坯料及模具組裝模型轉(zhuǎn)化為STL格式導(dǎo)入3D-Deform中，將粉坯模型進(jìn)行屬性定義及網(wǎng)格劃分，定義模具屬性以及各沖頭的壓制速度，采用殘差或位移收斂，收斂精度為10×10?6。摩擦條件定義：采用修正的庫倫摩擦模型，摩擦因數(shù)為0.2。

2.1 上一下一的模具結(jié)構(gòu)，上模沖不加逃粉穴

采用上一下一的模具結(jié)構(gòu)，上模沖不加逃粉穴設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用deform軟件對粉末壓制過程進(jìn)行模擬研究，得到壓坯的密度分布，如圖5所示。由圖可知，壓坯P3處最大的相對密度值為0.97(密度為7.6 g/cm3，致密體密度為7.85 g/cm3)，即鎖孔區(qū)明顯存在過壓現(xiàn)象，這是由于下模沖為一個(gè)整體的沖頭，不能對鎖孔處粉末充填量進(jìn)行調(diào)整，以充填系數(shù)為2計(jì)算，鎖孔處理論的充填量為5 mm，但采用不加逃粉穴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí)，鎖孔處的實(shí)際充填量為9 mm，因此在壓制過程中會產(chǎn)生過壓現(xiàn)象，導(dǎo)致壓坯產(chǎn)生裂紋，甚至下模沖鎖孔凸臺崩斷。通過密度分布圖像可看出P4、P5處密度較其他區(qū)域較大，這是充填不可調(diào)造成的。另外，從圖5對壓坯密度縱向數(shù)據(jù)進(jìn)行對比P1(0.946)＞P2(0.837)，P4(0.926)＞P5(0.876)，這是因?yàn)殒i孔在壓制過程中會發(fā)生粉末橫向移動，相應(yīng)地增加了P1和P4區(qū)域的充填量。

圖4 材料參數(shù)的關(guān)系曲線

(a) Relationship between elasticity modulus and relative density; (b) Relationship between Poisson’s ratio and relative density; (c) Flow Stress

圖5 壓坯密度分布

2.2 上一下二的模具結(jié)構(gòu)，鎖孔處單獨(dú)分沖

基于方案一鎖孔處產(chǎn)生過壓現(xiàn)象為鎖孔處不能自由充填造成，對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用方案二(上一下二的模具結(jié)構(gòu)，鎖孔處單獨(dú)分沖)。圖6為方案二得到的壓坯密度分布圖，圖6顯示，P3處密度得到極大改善，相對密度值為0.93(密度為7.2 g/cm3)，這是由于將下模沖分沖，鎖孔處單獨(dú)成沖[12]，可以調(diào)整其充填量，因而P3處密度可以調(diào)整，不會產(chǎn)生過壓現(xiàn)象。但采用該方案存在一個(gè)問題：由于鎖孔處的模沖存在一個(gè)段差(鎖頭與鎖尾段差為3 mm)，從圖6可知，P3與P5處的密度差值較大，相對密度差值達(dá)到0.2(密度差值為1.5g/cm3)。所以存在一個(gè)矛盾，當(dāng)P3處達(dá)到合適密度值，P5處不能成形，當(dāng)P5處達(dá)到合適密度值時(shí)，P3處會出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。同時(shí)考慮后續(xù)存在鎖孔高頻熱處理工藝，由于相鄰區(qū)域存在較大的密度差，會導(dǎo)致工件變形過大或工件開裂問題，因而方案二存在很大的局限性。

2.3 上一下一的模具結(jié)構(gòu)，在鎖孔對應(yīng)位置處上模沖設(shè)計(jì)漏粉穴，并優(yōu)化漏粉穴的尺寸

通過對方案一及方案二進(jìn)行分析，為解決鎖孔處的密度分布不均問題，從而考慮在壓制過程中增加鎖孔處的排粉量，避免出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，以此提高零件的整體密度，改善密度分布的均勻性。在此，采用上模沖開鑿漏粉穴的設(shè)計(jì)方案，并且對比在不同尺寸的漏粉穴下采用有限元模擬分析得到壓坯相對密度的分布情況，從而達(dá)到優(yōu)化壓坯密度的效果。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對于上模沖開鑿漏粉穴時(shí)，為便于產(chǎn)品脫模，漏粉穴需要設(shè)計(jì)脫模斜度，一般為20°~45°。在本方案中脫模斜度設(shè)計(jì)為30°，另外漏粉穴的斜面與凸臺平面設(shè)計(jì)圓角過渡為R2。

圖7所示為設(shè)計(jì)不同尺寸(占壓坯鎖孔體積的比例)的漏粉穴得到的生坯相對密度分布圖。從圖中可知，隨漏粉穴尺寸增大，鎖孔區(qū)域處的密度均有所降低，這是由于在壓制過程中鎖孔處的粉末移向漏粉穴的粉末增多[15]，排粉量加大，充填系數(shù)降低?；谠O(shè)計(jì)目的，主要對高密度區(qū)P3處的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨漏粉穴尺寸增大，P3處的相對密度值減少，當(dāng)漏粉穴的尺寸由1/3增加到1時(shí)，P3處的相對密度值由0.929降低至0.861。由于漏粉穴尺寸的增大，壓制過程中有限的粉末(充填量一定)需成形更大的空間，因此P3處的密度減小。此處，漏粉穴P6處的密度也隨著漏粉穴尺寸的增大而降低，相對密度值由0.924降至0.772。從壓坯密度分布圖中可知，P2及P5處密度相對于其他區(qū)域較低，這是由于上模沖的漏粉穴徑向尺寸與鎖孔的徑向尺寸一致，在壓制時(shí)，鎖孔處由于帶有漏粉穴與其他區(qū)域存在壓制速度不一致，即粉末受壓時(shí)P2及P5處先受壓，該處粉末產(chǎn)生橫向流動和縱向移動進(jìn)入到漏粉穴空間中。當(dāng)漏粉穴處粉末成形時(shí)，P2及P5處已先成形具有一定密度的坯料，粉末不能從P3處流回到P2和P5處。

圖6 壓坯密度分布圖

圖7 基于不同尺寸漏粉穴(占壓坯鎖孔體積的比例)的壓坯相對密度分布

(a) 1/3; (b) 1/2; (c) 2/3; (d) 1

為分析漏粉穴尺寸對其壓坯總體密度分布均勻性的影響，在圖7有限元模擬中的4個(gè)點(diǎn)的相對密度中，引入一目標(biāo)函數(shù)=max?min，即以相對密度極差表示壓坯密度分布的均勻性。數(shù)值化的獲得了最佳寬度尺寸的漏粉穴設(shè)計(jì)方案。

由表1可知，隨漏粉穴尺寸(占壓坯鎖孔體積的比例)增大，相對密度極差的數(shù)值先減小后增大，當(dāng)上模沖的漏粉穴設(shè)計(jì)成一定尺寸時(shí)，壓坯具有較均勻的密度。壓坯相對密度極差與漏粉穴尺寸并不呈線性關(guān)系，當(dāng)開鑿漏粉穴的體積較小時(shí)，受壓處(P3)過多的粉末不能完全逃逸，在壓制過程中該處依然存在受壓現(xiàn)象。當(dāng)開鑿漏粉穴的體積較大時(shí)，受壓處(P3區(qū))及鎖孔周圍處(P1，P2，P4和P5)粉末逃逸過多，造成鎖孔周圍處密度較低，甚至不能成形。漏粉穴的尺寸變化對壓坯的相對密度極差影響顯著，漏粉穴尺寸由1/3增至1/2，值變化極大，由0.114降為0.078。隨著開鑿的漏粉穴的尺寸持續(xù)增大，其影響效果漸弱甚至無效，漏粉穴尺寸由1/2增至2/3，值基本處于同一水平線上，變化不大，由0.078變?yōu)?.079。這是由于鎖孔受壓處(P3)粉末相對處于過飽和狀態(tài)，在壓制過程時(shí)，鎖孔及其周圍粉末可以通過橫向和縱向流動的方式來調(diào)整裝粉系數(shù)，從而使該區(qū)域密度均勻，所以設(shè)計(jì)在該范圍內(nèi)的漏粉穴可保證壓坯具有極好的密度分布。當(dāng)漏粉穴尺寸繼續(xù)增大時(shí)，漏粉穴的空間足以保證過壓的粉末完全溢出，并需要鎖孔周圍處的粉末來彌補(bǔ)，降低了該區(qū)域的粉末充填量，進(jìn)而影響壓坯的密度分布均勻性。所以當(dāng)漏粉穴尺寸由2/3變?yōu)?時(shí)，值變化極大，由0.079增至0.203。結(jié)合分析優(yōu)化漏粉穴的尺寸范圍為1/2到2/3。

表1 漏粉穴尺寸與相對密度極差的關(guān)系

表2 密度測量數(shù)據(jù)

2.4 優(yōu)化模具結(jié)果

通過上述分析可知，采用上一下一的模具結(jié)構(gòu)，在鎖孔對應(yīng)位置處上模沖設(shè)計(jì)漏粉穴，上模沖漏粉穴體積設(shè)計(jì)為鎖孔體積的2/3，漏粉穴的拔模斜度設(shè)計(jì)為30°，過渡圓角為R2，漏粉穴的徑向尺寸比鎖孔的徑向尺寸單邊小0.5 mm，采用改進(jìn)后模具得到的粉坯密度分布如圖8所示。

圖9為在優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后得到的實(shí)體壓坯圖，采用阿基米德比重法測量壓坯的鎖孔及面部密度，測量結(jié)果如表2所示。通過數(shù)據(jù)分析，鎖孔處的平均密度為6.90 g/cm3，面部的平均密度為7.06 g/cm3，鎖孔處密度低于面部密度。在圖7(c)中的密度分布圖中，齒部密度可由P3和P6的平均值表示，而面部密度可由P1和P4的平均值表示。通過對比數(shù)據(jù)(P3+ P6)/2＜(P1+P4)/2，發(fā)現(xiàn)壓坯的實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)是相吻合的。

圖8 基于改進(jìn)模具下的壓坯密度分布

圖9 優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)后得到的壓坯

3 結(jié)論

1) 基于上一下一的模具結(jié)構(gòu)，上模沖不加逃粉穴設(shè)計(jì)方案：方案模具結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)品后續(xù)加工量少(不需要車凸臺)，但由于不能自由調(diào)整鎖孔處的裝粉量，在鎖孔處易出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，導(dǎo)致壓坯密度不均而產(chǎn)生裂紋。

2) 基于上一下二的模具結(jié)構(gòu)，鎖孔處單獨(dú)分沖設(shè)計(jì)方案：方案增加一個(gè)下模沖，在充填時(shí)能調(diào)整鎖孔處的粉末充填量，可有效控制密度，避免過壓。但由于模沖存在一個(gè)段差(鎖頭與鎖尾段差為3 mm)，因而不能兼顧該模沖各部位的適宜充填量，導(dǎo)致該區(qū)域密度分布不均，會影響后續(xù)的高頻熱處理工藝，導(dǎo)致變形量大甚至裂紋產(chǎn)生。

3) 基于上一下一的模具結(jié)構(gòu)，在鎖孔對應(yīng)位置處上模沖設(shè)計(jì)漏粉穴方案：方案使得鎖孔處處于過飽和的粉末移動，防止產(chǎn)生過壓現(xiàn)象。當(dāng)漏粉穴尺寸較小時(shí)，過壓現(xiàn)象得不到緩解；當(dāng)漏粉穴尺寸較大時(shí)，鎖孔周邊粉末流失，形成低密度區(qū)，導(dǎo)致整體密度分布不均，將漏粉穴的體積設(shè)計(jì)為鎖孔體積的2/3時(shí)，可獲得密度分布均勻的壓坯。

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Optimization design of the VVT-Cam sprocket

SHEN Xiaoping, HUANG Yongqiang

(School of Material Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

VVT-Cam sprocket is a key part of automobile engine, which consequently require a relatively high matching precision as an automobile transmission mechanism. In this paper, based on the continuum powder material model, a simulation analysis of the density distribution of the green compact under three schematic designs was carried out using the finite element software- DEFORM. The structural and dimensional optimization of the mold and the improvement of the uniformity of density distribution were realized through the numerical simulation analysis. The results prove that the optimal design can satisfy the accuracy, density and performance requirements for the sprocket manufactured by the advanced net forming method of powder metallurgy. Aupper and a bottom die structure with a powder leaking hole at the corresponding position of the keyhole is designed, so that the supersaturated powder at the keyhole can be moved and the phenomenon of overpressure can be prevented. When the size of leaking hole is small, the overpressure phenomenon can not be alleviated. When the size of leaking hole is large, the powder around the keyhole loses, forming a low density area, resulting in uneven overall density distribution. When the volume of the powder leakage hole is designed as 2/3 of the keyhole volume, the blank with the most uniform density distribution can be obtained.

powder compaction; finite element simulation; relative density; VVT sprocket

TG38

A

1673-0224(2018)06-600-07

2018?05?23；

2018?06?12

申小平，高級工程師。電話：025-84315396；E-mail: xpshen171@163.com

(編輯 高海燕)