曲轴轮毂中间齿精压成形工艺研究

李贝贝，严军，刘雨生，贺鹏，薛克敏

(1.合肥工业大学，合肥 230009;2.南通福乐达汽车配件有限公司，江苏 南通 226000)

以净成形或近净成形为目标的精密塑性成形技术，是21世纪先进制造技术的发展趋势[1—2]。作为一种先进制造技术，精密塑性成形技术在制造业特别是机械制造业的发展中，发挥了重要的作用，大量优质、高效、少无切削的新型成形技术得到了发展[3—4]。近年来，轮毂成形以板材为坯料，采用旋压工艺成形，大大提高了产品精度，金相组织致密、机械性能良好，而且重量轻、表面光洁，机械加工余量大大减少[5—7]。

文中所研究的曲轴轮毂，在凸台中间有一部分齿形，齿深相对坯料厚度较小，齿形和精度具有严格要求。曲轴轮毂一般采用劈开式旋压[6]工艺，将拉深的毛坯旋压成形得到，在劈旋之前，需先精压出曲轴轮毂中间的齿形。实际生产中，由于是局部变形，大量未变形金属影响变形金属的流动，导致齿形难以充满，而过大的压下量虽然可以压出齿形，但是会导致轮毂变形严重，形状尺寸无法满足要求，因此在保证轮毂形状尺寸的前提下，如何精压出轮毂花齿部分是十分关键的因素。现有研究多集中在研究曲轴轮毂的旋压成形工艺[5，8—9]，为了解决齿形充填困难的问题，并了解齿形充填过程中金属的流动状况，文中利用有限元仿真软件DEFORM－3D进行数值模拟，分析不同工艺参数对成形过程中金属流动的影响，为工艺方案的制定提供指导。

1 工艺方案的确定

1.1 零件分析

文中所研究对象为汽车用曲轴轮毂，其零件如图1所示。中间凸台部分的外径为64 mm，侧壁壁厚为4 mm，端面壁厚为4.5 mm。凸台部分有放射状齿形分布，齿形的外径为42 mm，中间孔的直径为19 mm。

图1 零件Fig.1 Part diagram of wheel

1.2 轮毂中间齿形工艺方案确定

该曲轴轮毂以板材为毛坯，经拉深后采用劈开式旋压成形。由于齿深较浅，齿形要求高，在劈开式旋压之前精压出花齿部分。为了提高锻件精度、降低成形载荷，在毛坯中间预先压出减压孔，通过挤压减压孔产生的向心收缩力来实现分流[3，10]。如图2所示，在成形过程中，上冲头下行，与凹模接触的坯料产生塑性变形，金属向凹模型腔及减压孔方向流动，完成齿形的成形。

图2 成形过程示意Fig.2 Principle diagram of forming

2 工艺过程有限元模拟

运用DEFORM－3D有限元软件，采用刚塑性有限元法，对轮毂中间齿精压成行进行计算机仿真模拟。模拟过程的坯料是经拉深及冲孔后的毛坯，整个模型中除坯料设为塑性体外，其他部分均设为刚体。坯料材料选择AISI1008，成形温度为20℃，冲压速度为20 mm/s，划分网格时，对主要变形区齿形部分进行了局部细划，细化比例因子为0.2，网格总数为180000，减压孔直径取0～17mm，摩擦因数取0.1 ～0.5，有限元模型如图3 所示。

图3 模具与工件的有限元模型Fig.3 The finite element model of the die and workpiece

3 模拟结果分析

在成形过程中，选取不同的工艺参数会对成形结果产生影响。结合实际生产，选取摩擦因数和坯料减压孔直径作为变量，研究工艺参数对轮毂齿形成形的影响规律。

3.1 摩擦因数对成形的影响

塑性成形过程中，当模具与变形体间的接触面上有相对运动或运动趋势时，接触面间必然产生摩擦[3]。塑性成形中的摩擦会增大变形抗力、产生不均匀变形、降低模具寿命等，但是塑性成形中也常应用摩擦的有益作用帮助成形[12]。通过数值模拟，分析不同摩擦因数条件的影响效果。

3.1.1 摩擦因数的选择依据

对于变形量较小的冷成形工序，采用库伦摩擦条件，即:τ=μσN，τ是摩擦切应力(MPa)，σN是接触面上的正应力，μ是摩擦因数。实际上摩擦切应力不能随σN的增大而无限增大，当τ=τmax=K时，接触面将会产生塑性流动，此时σN的极限值为材料真实应力－应变曲线上的屈服应力Y。根据Mises屈服准则，K=Y，故可确定摩擦因数 μ 的极限值为 μ =0.5 ～0.577[3]。所以为了分析摩擦因数对成形过程的影响，选取 μ 为0.1，0.3，0.5，分别进行数值模拟。

3.1.2 摩擦因数对齿形充填及载荷的影响

图4 为摩擦因数 μ 为0.1，0.3，0.5 时的载荷 －时间曲线，当μ=0.1时，成形载荷最小，但充填时间最长，即上冲头压下量最大，导致底部材料减薄严重，这是因为摩擦因数小，金属易向径向流动，轴向流动受阻，因此需要大的压下量才能充满齿形;μ=0.5 时，成形载荷最大，充填时间最短;μ =0.3 时，充填时间、成形载荷均介于摩擦因数为0.1和0.5之间。不同摩擦因数下齿形填充及减薄情况见表1，深色部分表示成形后坯料与模具的贴合情况。摩擦因数μ=0.1时，坯料底端减薄最严重，但在齿端的凹槽部分仍未完全贴合，摩擦因数μ=0.5时，齿形轮廓与模具完全贴合，且坯料底端减薄最少。这是因为摩擦因数越小，金属向外流动的阻力越小，根据体积不变条件及最小阻力定律[3，11—13]，大量金属朝拐角及直壁处流动，成形齿形需要更长时间，底部减薄严重，因此中间齿形部分难以充填。

图4 不同摩擦因数下的成形载荷Fig.4 Forming load curves with different frictional coefficient

表1 不同摩擦因数下齿形的充填及减薄情况Table1 Tooth filling and thinning with different frictional coefficient

3.1.3 摩擦因数对等效应变的影响

齿形充填结束时，不同摩擦因数条件下的等效应变分布如图5所示，为了方便观察，截取坯料的1/4剖面。从图5可以看出，等效应变主要集中在齿形部分，且在齿端凹槽及减压孔附近的应变较大。摩擦因数为0.1时，等效应变的分布区域最大，在齿形部分的整个坯料厚度上都存在明显应变分布，且齿底部分等效应变很大，这是由于摩擦因数很小时，金属更容易沿径向流动，不利于轴向流动成形齿形，齿形充填困难，应变增大;摩擦因数为0.5时，在减压孔附近的等效应变较大，这是由于摩擦因数很大时，金属向外流动的阻力变大，内部金属更易朝减压孔方向流动;摩擦因数为0.3时，等效应变分布整体上较均匀，这是由于摩擦因数适中时，金属朝内和朝外流动出现一定程度的平衡，使得整体上齿形处的等效应变分布较为均匀。

图5 不同摩擦因数下的等效应变分布Fig.5 Effective strain distribution with different frictional coefficient

由于板料与模具之间的摩擦对成形有着双重作用，一方面较大的摩擦力会增加成形载荷，另一方面，正是因为摩擦的作用，底部材料才能顺利流向型腔[12]，因此实际中要合理控制坯料与模具间的摩擦情况。

3.2 减压孔尺寸对金属流动的影响

选取减压孔直径为7，13，17 mm，以及无减压孔的情况，分别对坯料的精压过程进行讨论，分析减压孔对齿形成形的影响。各情况下的流动速度分布如图6所示，在成形过程中，金属流动出现分流面，这是由于摩擦力的作用，改变了金属质点的流动方向，当接触面上的摩擦很小或无摩擦时，根据体积不变条件，金属质点将作辐射状向外流动。当接触面上摩擦增大，则向外流动的阻力增大，靠近内部的质点向外流动的阻力大于向内流动的阻力，此处金属向内流动，从而出现一个分流面。由图6可以看出，分流面处金属流动缓慢，不同减压孔下的金属流动分布也存在差异，减压孔越大，大直径处齿形部分的金属流动速度越小。

图6 不同减压孔直径的金属的流动分布Fig.6 Material flow velocity with different hole size

图7为分流半径、成形载荷与减压孔直径的关系，分流半径随着减压孔直径的增大而增大，成形载荷随减压孔直径的增大而降低。由最小阻力定律可知，中间的变形金属更易朝阻力小的减压孔方向流动，为了保持整体的完整性和连续性，这部分金属会对大直径处金属的流动产生影响，阻碍其流动，导致分流面随减压孔增大而向外偏移[10，14]，分流半径越大，金属流动缓慢的部分越靠近大直径处的齿形部分，从而会导致这部分成形更为困难。

图7 不同减压孔下金属的分流半径及成形载荷Fig.7 Split－ flow radius and forming load with different hole size

大尺寸的减压孔虽然有利于降低成形载荷，但分流半径的增大阻碍了大直径齿形处的金属流动，因此减压孔尺寸的选择十分关键，在成形力允许范围内，减压孔尺寸要尽可能小。

4 工艺验证

保持其他工艺参数不变，采用φ10 mm的减压孔坯料，在不加润滑条件下进行齿形成形的物理试验，齿形成形效果良好，如图8所示。

图8 试验结果Fig.8 Results of the experiment

5 结语

针对生产中遇到的问题，采用有限元软件DEFORM－3D进行数值模拟，分析了摩擦因数及坯料减压孔尺寸对齿形充填的影响，经过分析得出以下结论。

1)摩擦因数过小，径向流动阻力减小，不利于金属轴向流动充填齿形，较大的摩擦因数有利于齿形充填，但是摩擦因数过大会导致成形载荷过大，应变分布更加不均。

2)随着减压孔直径增大，金属的分流面外移，对大直径处齿形充填不利。

3)以模拟结果为指导，进行了物理试验，挤压得到了完整齿形，模拟结果得到了验证。数值模拟分析为制定合理的工艺提供了参考，对指导生产实践，降低生产成本，具有重要意义。

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