“绿色发展”概念下, 汽车制造业确立汽车结构优化设计和零部件减重设计作为车身轻量化研究方向, 对提高新能源汽车的续航能力尤为重要[1]。用于汽车发动机前端驱动系统中, 具有稳定转速、输出扭矩和减振等综合功能的扭转减振器壳体带轮。在汽车工业对具有回转体特征的壳体零件的需求不断增加, 且由于这类零件的结构复杂性和功能集成化, 传统铸造、冲锻和机加工成形工艺等[2]并不适合这类零件的批量成形。在普通旋压工艺的基础上, 开发了金属板材零件产生局部增厚特征的新型旋压成形工艺, 旨在成形这类壳体带轮的特定功能区域。
Merklein等[3]研究表明, 通过新型板材体积成形工艺控制局部材料流动, 使预分配的材料在成形作用力下朝向特征结构处填充, 确保零件尺寸精度和成形程度。Mori等[4-5]开发了一种多步冲锻的方法实现板坯的局部增厚, 解决了零件过渡区材料减薄破裂的问题, 提高盒形件的拉深成形极限; 夏琴香等[6]采用腰鼓聚料的方法成形折叠式带轮的多楔齿, 旋轮弧面使筒形件在轴压作用下按照预定趋势发生胀形, 确保增厚后的壳体带轮的特征区域达到最小厚度值。万里翔[7]研究了旋平轮的相关工艺参数对“鼓形”成形的影响, 并改进了壳体带轮成齿区的成形质量; 王甲子[8]通过带槽旋轮的进给作用使板坯外缘发生双侧增厚成形, 并对成形工艺参数进行正交优化, 得到腹板双侧对称式带轮的最优成形质量。具有自重轻、动平衡性好、配合精度高等优点的壳体带轮旋压成形过程由旋弯成形阶段和齿成形阶段两部分组成, 旋弯成形阶段对后续多楔齿成形质量和精度影响较大[9]。目前研究着重于单个零件的成形, 该工艺实现了零件特征区域的增厚, 解决了多楔齿成形缺料问题。而关于汽车壳体带轮这类轴对称零件特征结构成形的定量分析和变形区材料流动的控制仍缺少相应研究, 文章提出适用于壳体带轮特征结构成形的旋弯成形工艺, 通过有限元模拟对成形过程中变形区等效应力和金属流动的分析, 总结旋轮结构设计准则, 对具体壳体带轮的旋轮设计和旋弯成形模拟, 结合物理试验, 将模拟结果与试验进行对比验证。
1 板材旋弯成形工艺分析 1.1 板材旋弯成形原理板材旋弯成形是一种应用型板体积成形新工艺, 通过立式旋压机芯模将带弧型外缘的板材冲压坯料夹紧固定, 沿主轴方向的芯模旋转, 旋弯轮沿单坐标方向进给, 受径向力和轴向力的作用, 板坯外缘沿轴向弯曲, 旋平轮的二次进给, 通过渐进塑性变形过程实现这类回转体零件特征结构增厚的方法。
1.2 旋弯成形工艺分析板坯外缘在旋弯轮径向进给作用下发生压缩增厚, 并沿轴向弯曲实现聚料的过程, 聚料区“鼓形”结构在旋平轮二次进给下发生二次增厚, 该工艺对板坯的2次增厚成形, 较于腰鼓增厚工艺, 稳定性高、增厚率范围大和增厚可控性高, 在一定程度上满足壳体带轮特征结构的成形, 研究旋弯成形机理对指导壳体带轮成形具有重要意义, 如图 1旋弯成形示意图。
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| 1.上芯模 2.下芯模 3.坯料 4.旋弯轮 5.旋平轮 图 1 两道次旋弯成形示意图 |
同一弧形外缘的冲压预制坯在不同参数组合旋弯轮的作用下, 该工艺通过控制变形区材料流动板坯实现聚料增厚, 当进给结束, 旋弯轮弧面与模具构成聚料模腔, 变形区外弧长度L计算公式见(1)式, 旋轮弧面长度l计算公式见(2)式, 基于变形区材料的旋轮弧面参数关系式(3), 板坯变形区弧长变化率k的取值范围1.11~1.20[10-11]。
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(1) |
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(2) |
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(3) |
如图 1示板坯和旋弯轮结构参数, 其中板坯外弧半径R, 对应圆心角θ, 厚度t, r为旋轮弧面半径, α分别为旋轮弧面开口圆心角。
2 板材旋弯成形数值模拟研究 2.1 旋弯成形有限元模型建立基于SIMUFACT软件的板材成形的有限元数值模拟, 旋弯轮参数不同对变形区材料流动约束作用存在差异, 根据模拟结果分析变形区材料流动情况以及板材增厚程度与旋轮结构设计关系。不考虑环境因素和设备因素, 将弧长变化率k值和板坯结构参数θ=30°, R=50 mm, t=3 mm带入公式(3), 计算得旋轮结构参数中旋轮弧面半径r, 旋弯轮弧面对应圆心角α见表 1, 分别选择表中各组结构参数进行有限元数值模拟, 从而确定旋弯轮结构参数与板坯增厚率关系。
| 参数 | 旋轮结构参数组合 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 圆心角α/° | 180 | 180 | 180 | 160 | 150 | 160 |
| 弧面半径r/mm | 8 | 8.5 | 9 | 10 | 10.8 | 10.8 |
板坯材料选用AISI-1008[12], 采用弹塑性材料本构模型和硬化模量1 000 MPa, 各向同性的Mises准则, 杨氏模量2.1×105 MPa; 屈服强度260.7 MPa; 泊松比0.283, 密度7.85 g/cm3, 弹性模量210 GPa。网格划分类型为环状六面体网格, 总网格数为13 104, 且网格具有自适应细化, 旋轮及芯模为刚体无需网格划分, 旋轮与工件之间为滚动摩擦且有润滑液, 设置摩擦因子为0.05, 芯模与工件之间摩擦因子为0.3, 板坯和模具温度20℃, 设置模具运动关系为上下芯模带动板坯自转, 各旋轮主动进给且被动旋转[14], 有限元模型见图 2, 具体工艺参数见表 2。
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| 1.上芯模 2.下芯模 3.坯料 4.旋弯轮 5.旋平轮 图 2 两道次旋弯成形有限元模型 |
| 轮型 | 进给速度/ (mm·s-1) |
芯轴转速/ (r·min-1) |
进给速率/ (mm·r-1) |
位移/ mm |
| 旋弯轮 | 2.0 | 300 | 0.4 | 16 |
| 旋平轮 | 1.0 | 300 | 0.2 | 6 |
成形过程中, 板坯外缘发生压缩增厚, 同时沿着旋轮弧面贴合流动进行弯曲聚料, 当板坯变形区完全贴弧面时, 一道次旋弯成形结束, 图 3a)为一道次旋弯成形过程图; 在一道次旋弯成形的基础上进行后续成形过程, 将得到的聚料区在旋平轮进给作用下实现变形区整体增厚, 图 3b)为二道次旋弯成形过程图。采用标记点法分析表 1中第一组旋弯轮参数组合下的成形过程中变形区材料流动, 在截面的中性层按等弧长间隔取7个标记点, 图 4a)、4b)分别为初期及末期记点的序号及相对位置, 旋弯结束时, 点1和7近似重合, 最外端材料已贴合下芯模, 各点与基准线近乎重合, 成形过程中变形区材料仅在径向和轴向发生流动, 沿周向近乎不发生材料流动, 如图 4c)标记点沿轴向投影位置。变形区材料在旋轮接触部位为三向压应力状态, 发生一次增厚, 由于弧面的特殊性起到为二次增厚聚料功能。
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| 图 3 两道次旋弯成形 |
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| 图 4 各标记点位置 |
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| 图 5 旋弯成形各阶段成形载荷分布 |
已变形区材料在旋轮进给过程中逐渐增加, 一道次旋弯成形过程中的变形抗力也相应增加, 当板坯外缘与旋弯轮弧面完全贴合时, 当前载荷最大值为55 kN, 一道次旋弯成形载荷曲线如图 5a)所示; 由于后续成形过程中变形区材料与旋平轮整体接触, 材料的变形抗力明显增加, 最大成形载荷值为220 kN, 图 5b)为二道次旋弯成形载荷曲线。
2.3 增厚机理分析旋弯轮的径向进给过程中, 板坯外缘部分最先接触并向内弯曲贴合弧面, 已变形区材料与旋弯轮接触区域逐渐增加, 对应的旋轮弧面圆心角从0°到180°增加。选择表 1中第三组旋弯轮结构参数组合下的一道次旋弯成形过程, 按照旋弯轮的径向进给位移将成形过程等分, 分别测量已变形区板坯的瞬时厚度, 各阶段测量值已变形区板坯厚度曲线如图 6所示。由此可得, 同一旋轮弧面圆心角度越大, 材料的整体增厚率越大, 公式(4)为旋轮弧面接触与圆心角的几何关系式
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(4) |
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(5) |
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| 图 6 已变形区板坯厚度曲线 |
由各阶段旋弯轮开口垂直高度h, 根据图 7旋弯轮与板坯变形示意图, 结合公式(5)可得, 对应旋弯轮弧面圆心角α的变化曲线如图 8示, 针对目标零件的增厚程度要求, 可根据上述测量值范围, 选择合适的旋弯轮弧面圆心角。
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| 图 7 旋弯轮与板坯变形示意图 |
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| 图 8 旋弯轮已接触区圆心角曲线 |
由于对6组模拟结果的变形区材料厚度进行测量, 多组取均值, 厚度值均为在3.6 mm左右, 故增厚率λ1分别为1.224, 1.217, 1.213, 1.209, 1.206, 1.205;二次增厚率λ2分别为1.795, 1.693, 1.602, 1.468, 1.364, 1.338, 增厚率分布如图 9所示。
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| 图 9 旋弯成形增厚率分布 |
弧面结构的旋弯轮聚料和增厚效果较好, 由于整体增厚并不满足定制化壳体带轮的“轻-精-净”成形标准。聚料区贴模过程的位移较大且材料流动较复杂, 在上端内侧过渡位置易萌生折叠裂纹。在旋弯轮整体增厚基础上提出组合式旋轮结构参数化设计准则, 外缘材料通过旋弯轮的“过渡弯曲”, 弯曲压缩产生一次增厚, 由于旋弯轮弧型聚料区轴向移动, 材料差异性增厚, 由此满足不同特征结构的回转体壳体零件旋压成形。
3 目标零件的成形 3.1 零件结构分析该壳体带轮带有腹板双侧结构, 在旋压成形过程存在以下难点, 其一、预制坯上表面的上端凸筋成形缺料; 其二、板坯初始厚度低于成齿厚度要求, 零件结构示意图如图 10所示。基于旋弯成形理论和旋轮设计准则计算组合式旋弯轮相关参数, 使特征区域增厚到成齿前最小厚度值, 为凸筋的成形合理聚料, 有效解决旋弯成形过程中缺料问题且避免上端内侧过渡位置的折叠裂纹缺陷。
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| 图 10 零件结构示意图 |
经验公式(6)给出了预制坯外筒壁厚与旋齿成形后齿形参数之间的定量关系。
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(6) |
式中，d是预制坯外筒最小壁厚，D与d2分别是旋齿成形后工件齿顶与齿根处对应厚度，Δ为机加工余量，本文中取0.2 mm。通过两道次板材旋弯成形模拟结果可得d=3.35 mm，故可确定d=3.40 mm。
3.2 组合式旋轮结构设计由于该壳体带轮采用厚度为3 mm的弧形外缘冲锻预制坯, 一道次旋弯成形过程需要将其增厚到成齿最小厚度值3.4 mm, 即增厚率λ1要求不小于1.13。由于表 1中各组旋弯轮结构参数组合下的一次增厚率均达到1.20, 根据图 6所示已变形区板坯厚度曲线和图 8所示旋弯轮已接触区圆心角曲线, 且由于弧面半径r越小, 增厚率相对越大, 故确定旋轮弧面半径r=8 mm, 开口圆心角度数109°~112°, 取整α为110°, 旋弯轮过渡结构结合具体零件结构合理设计。合理选择组合式旋弯轮的结构参数是保证成齿预制坯最小厚度值和凸筋成形聚料的关键, 旋弯轮结构尺寸如图 11所示。
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| 图 11 旋弯轮结构尺寸及实物图 |
该带轮的成形试验是在CDC-4S80多工位旋压机上进行, 进给速度为2.0 mm/s、摩擦因数0.05、主轴转速300 r/min, 并采用相同工艺参数及成形模具建立该带轮前两工步成形的有限元模型。得到第一工步与第二工步预制坯的试验件与模拟件如图 12所示。
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| 图 12 零件厚度误差率曲线 |
分别对第一工步的试验与模拟件6个截面轮廓尺寸和第二工步的试验与模拟件7个截面轮廓尺寸进行测量, 得到零件厚度误差率曲线如图 12所示, 由图可知物理试验与模拟结果的零件各位置误差率均低于10%, 故两者一致, 凸筋及多楔齿成形饱满, 零件成形质量满足要求, 由于增厚过程中变形区材料贴模位移小, 该情况下内侧过渡位置无材料折叠裂纹, 旋弯成形得到的零件质量较好, 带有溢料飞边的最终零件镶块见图 13。旋弯过程结束后, 平均厚度为3.45 mm一次增厚率为1.15, 增厚过程结束后, 预成形得到凸筋饱满, 且变形区材料达到特征区域的最小厚度值为3.40 mm, 实物零件内侧无裂纹。
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| 图 13 壳体带轮截面 |
1) 针对壳体带轮板材成形的增厚成形阶段, 旋弯成形工艺通过变形区材料2次增厚实现成齿预制坯的成形, 该工艺相较于传统单向增厚工艺, 成形过程稳定性高、增厚率范围大和增厚可控性高, 且最终增厚率最大值达到1.795。
2) 通过对弧面半径r和开口圆心角度数α等旋轮参数的设计, 使板坯外缘材料在不同旋轮作用下发生不同程度增厚, 板坯外缘半径一定范围内的缩径, 弧面半径参数对材料厚度的一次增厚影响较小, 一次增厚率约1.200, 当旋弯轮弧面半径相同的情况下, 其开口圆心角与已变形区的材料增厚率呈正相关。
3) 旋弯轮成形过程能有效控制金属的流动, 结合成形有限元模拟和零件实际试验, 对模拟结果进行旋轮结构的设计优化, 实现带轮成齿预制坯的增厚成形, 能有效提高带轮零件的合格率和缩短同类新品的开发周期, 进一步验证了旋弯成形工艺对实际生产具有指导意义。
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