汽车信号轮旋压增厚工艺研究及旋轮设计

信号轮作为汽车发动机里面重要的传动部件，信号轮外齿端厚度是板料厚度的2～3倍，对于其综合性能有着很高的要求。传统工艺主要是通过冲压、拼焊或者锻造后多次机加工获得。采用传统工艺获得的信号轮存在着焊接影响区化学成分不均匀、精度较低、零件寿命短、材料利用率低等问题。而采用旋压工艺成形信号轮有诸多优点，比如产品精度高、零件性能优良、材料利用率高等。本文将设计一套信号轮旋压成形模具，通过有限元分析软件SIMUFACT对信号轮多道次旋压增厚成形的过程进行有限元模拟分析，分析成形过程中板坯变形情况、金属流动规律及旋压增厚过程中载荷分布情况，验证所设计旋轮的合理性。

多楔轮旋压成形工艺分析
 

信号轮的结构特征如图1所示，通过多道次旋压增厚可使原始厚度为2.5mm的板料局部增厚到6mm。板料增厚部位并非两边对称增厚，上半部板料厚度为0.75mm，下半部厚度为1.75mm，考虑后续加工余量两边各加0.5mm，总增厚厚度为6mm，增厚外径加0.5mm，最终上半部板料厚度为1.25mm，下半部厚度为2.25mm。所以在旋轮定位时，应保证板料距旋槽上平面距离和下平面距离比值为5∶9。

图2所示为增厚旋轮局部示意图，旋轮侧面有一个深度为n的旋轮槽，轮槽底端为一个半径为r的圆底，圆底的设计有利于增厚过程中金属的流动，轮槽宽度为m。

图1 信号轮结构特征示意图

图2 增厚旋轮局部示意图

表1 旋压增厚轮具体参数

根据旋压手册以及工业生产经验，从减少生产道次以及提高材料利用率和零件成品率的角度考虑，信号轮的旋压增厚成形工艺采用三个增厚旋轮依次进给成形，每道次进给旋轮的具体参数如表1所示。

有限元模型建立

采用SIMUFACT有限元分析软件建立如图3所示的板材旋压增厚模型，板材为厚度2.5mm、直径191mm、DD13材料的圆形板材。模拟中定义板材和模具温度为20℃，旋轮与板材之间的摩擦系数为0.05，芯模与板材之间的摩擦系数为0.3，上下芯轴转速为300 r/min，旋轮的进给速度为2mm/s。

图3 信号轮旋压增厚模型

模拟过程分析

图4 所示为一道次旋压增厚成形过程，可以看出在旋轮与板材接触处的应力最大，应力沿着径向逐渐递减，随着旋轮的进给，板材中的高应力区范围也越来越大。根据成形过程中板材在旋轮进给作用下的变形情况，可以将一道次旋压增厚工艺分为三个阶段：第一阶段是成形初期，板材与旋轮刚接触时发生变形，如图4(a）所示，这时板材的外缘发生塑性变形，板材外缘增厚程度明显，同时板材发生微小的弹性变形；第二阶段是成形中期，此时板材外缘已经完全增厚，随着旋轮的进给，板材主要发生轴向变形，金属逐渐充满整个轮槽，如图4(b）所示。等效应力值随着旋轮的进给呈现增大的趋势，等效应变随着变形程度的增大逐渐累积；第三阶段是成形末期，增厚旋轮达到预定位置，板坯完整成形，如图4(c）所示，且没有产生飞边、卷边等缺陷，整体成形效果良好。

图4 一道次旋压增厚成形过程

图5 二道次旋压增厚成形过程

图6 三道次旋压增厚成形过程

图7 各道次旋压成形过程径向载荷变化

图5所示为二道次旋压增厚成形过程。一道次成形后，旋压增厚轮轮槽相比一道次旋压增厚轮宽度增大但深度减小，旋轮径向进给使板坯金属进一步变形增厚。金属的流动情况与一道次大致相同，板材外缘与旋轮接触先发生增厚，随着旋轮进给，金属主要向轴向流动，发生轴向增厚，并且金属的变形抗力和等效应力值随之变大。从图5(c）可以看出在成形末期时板材的成形效果良好，轮槽内部几乎完全被填充，没有产生飞边、卷边等缺陷。
 

图6所示为三道次旋压增厚成形过程。整个变形过程与前两个道次类似，图6(c）中板材的成形效果良好，金属填充满旋轮槽，并且没有明显缺陷产生。

通过比较三道次旋压增厚过程中的载荷变化（图7），可以看出前两道次的模具载荷大小几乎一样且明显小于第三道次。0～2.25s为第一道次载荷变化，载荷整体变化趋势均匀平缓，这是因为第一道次成形过程中金属变形程度较小，因此变形抗力较小，所以载荷均匀增大；2.25～3.6s为第二道次载荷变化，当板材外缘完全增厚时，旋轮继续进给且载荷急剧增大，这是因为变形量累积导致金属的变形抗力增大；3.6～4.2s为第三道次载荷变化趋势，由于前两道次的应变累积，此时变形抗力更大，所以在旋轮进给过程中，载荷急剧增加，最大载荷达到50.1kN。
 

试验验证

信号轮旋压增厚试验是在CDC-4S80多工位旋压机上进行的，所用圆形板坯尺寸为191mm×2.5 mm、旋轮进给速度为1mm/s、摩擦系数0.05、主轴转速300 r/min，旋轮尺寸与表1完全一致。成形后的试验样品成形效果良好，外缘端从2.5mm增厚到了6mm，再经过表面精车外缘端，厚度变成了5mm，达到了模拟预期效果，试验与有限元模拟结果基本一致。
 

——本文节选自《锻造与冲压》2018年第22期。