唐季平，胡傳鵬，魏李，楊衛(wèi)正，吳超，薛克敏

（1. 南通福樂達(dá)汽車配件有限公司，江蘇 南通 226300；2. 合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009）

皮帶輪作為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件之一，因其具有精度高、節(jié)能、節(jié)材、動(dòng)平衡好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。皮帶輪的傳統(tǒng)制造工藝是采用鑄造或鍛造的方法制成毛坯，再經(jīng)切削加工制成。這種成形方法具有加工余量大、零件笨重、材料利用率低等缺點(diǎn)，且不適用于高速皮帶輪的制造。為了克服傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)皮帶輪輕量化，沖壓焊接成形、沖壓脹形和沖壓、拉深、旋壓成形等[1]新生產(chǎn)方法被采用。目前對(duì)皮帶輪的研究主要是通過有限元模擬軟件對(duì)其拉深成形過程進(jìn)行模擬分析[1—4]。如文獻(xiàn)[1]中李萍等人介紹了一種帶圓筒形凸臺(tái)皮帶輪的成形方法，通過有限元模擬與試驗(yàn)相結(jié)合，拉深成形出合格樣件。文獻(xiàn)[2]中張向偉等人通過多道次變薄拉深有限元模擬，分析得出深杯形件最佳工藝參數(shù)。文獻(xiàn)[3]中肖冰娥等人重點(diǎn)分析了工藝以及模具對(duì)大高徑比筒形件拉深過程影響，并優(yōu)化了工藝及模具參數(shù)。

文中將以雙筒型皮帶輪為研究對(duì)象，采用有限元模擬軟件 DEFORM，對(duì)其多道次拉深工藝進(jìn)行模擬研究，分析成形過程中金屬流動(dòng)及應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，并對(duì)該皮帶輪進(jìn)行成形試驗(yàn)，與模擬相驗(yàn)證。

1 成形工藝分析

1.1 零件分析

所用材料為厚度為2.0 mm、SPHE的冷軋鋼板，其屈服強(qiáng)度為325 MPa，密度為7.851 g/cm3，彈性模量為305 GPa，泊松比為0.29。零件要求整體壁厚大于1.75 mm，內(nèi)筒深度為22 mm，內(nèi)徑為40 mm，外筒深度為28.4 mm，外徑為60 mm。根據(jù)體積不變?cè)砜紤]零件沖孔及后續(xù)加工余量，選用直徑為109.5 mm，厚度為2 mm的圓板進(jìn)行多道次拉深成形，零件圖見圖1。零件要求最小壁厚為1.75 mm，有幾處圓角較小，需經(jīng)過多道次拉深后逐步成形。內(nèi)筒較深，采用多道次拉深后可以降低內(nèi)壁減薄情況。

圖1 零件圖Fig.1 Parts

1.2 成形方案及參數(shù)確定

雙筒形零件一般有兩種成形方法[5—8]：一種為正拉深，即先拉深內(nèi)筒，然后將凸緣多道次拉深成外筒；一種為反拉深，即先拉深外筒，然后多道次反拉深內(nèi)筒。文中采用反拉深成形此零件。

拉深凹模圓角大小也可按經(jīng)驗(yàn)公式（見式(2)）確定：式中：rd為凹模圓角半徑(mm)；d為第1次拉深后的工件直徑(mm)；t為板料厚度(mm)。

以防危險(xiǎn)斷面處嚴(yán)重變薄。除最后一次拉深工序外，其他所有各次拉深工序中，凸模的圓角半徑為凹模圓角半徑的0.6～1倍。拉深高度由式(2)確定。

各道次拉深模具相關(guān)參數(shù)具體見表1。首次拉深時(shí)，板料塑性好、材料組織均勻、凸模與板料接觸面積大，所以首次拉深深度應(yīng)大于后續(xù)拉深深度，這樣可以為后續(xù)道次更好的聚料。成形后幾道次板料發(fā)生加工硬化，拉深深度應(yīng)該逐漸減小，保證工藝的可行性。

表1 各道次拉深模具相關(guān)參數(shù)Tab.1 Relative parameters of drawing in each step mm

2 有限元建模及模擬結(jié)果分析

2.1 有限元模型建立

采用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)多道次成形過程進(jìn)行模擬分析[9—13]，所用材料的材料庫(kù)為AISI-1008，摩擦因數(shù)設(shè)為0.12，拉深速度為90 mm/s，溫度為20 ℃。圖2所示為拉深過程中兩組模具。

圖2 拉深模具Fig.2 Drawing die

2.2 模擬結(jié)果分析

第1道次主要是將板料全部拉深進(jìn)凹模，使圓筒的直徑達(dá)到外筒所需的要求。由于圓筒圓角處一直跟凸模接觸為減薄最嚴(yán)重處，其最小厚度約為1.75 mm，筒壁最大厚度約為2.3 mm。見圖3。

第2道次至第7道次等效應(yīng)變分布見圖4，可以看出，第2至4道次主要是用多道次反拉深成形內(nèi)筒，從而達(dá)到內(nèi)筒所需直徑要求。通過第2道次盡可能多地在圓筒底部聚料，3, 4道次逐漸將內(nèi)筒直徑縮小至44 mm，通過減小內(nèi)筒、外筒筒壁的高度使壁厚分布更加均勻。

第5至7道次主要是通過多道次拉深減小內(nèi)筒及外筒的高度，使內(nèi)筒、外筒壁厚分布更加均勻。從圖4可以看出，塑性變形區(qū)主要集中在內(nèi)筒筒底圓角處及外筒圓角，這兩處由于一直是零件減薄比較嚴(yán)重的地方，所以變形比較劇烈。同時(shí)在拉深過程中并未出現(xiàn)零件的拉裂及圓角處的折疊等缺陷[14—15]。第 7道次拉深結(jié)束后零件成形情況見圖4，可以看出在外筒圓角和內(nèi)筒圓角處有稍微的欠料，可以通過一道次整形使圓角處更為飽滿。

第8道次主要是通過整形，使內(nèi)筒、外筒圓角處充填飽滿，各處尺寸達(dá)到零件所需要求。第8道次零件成形情況見圖5，可以看出，內(nèi)外筒圓角成形飽滿無明顯的欠料，各處壁厚達(dá)到了零件所需的要求，8道次拉深總體成形質(zhì)量較好。由于前7道次屬于普通拉深成形載荷不大（小于 1000 kN），最大成形載荷出現(xiàn)在第 8道次整形過程中，最大成形載荷如約為2100 kN。

圖3 第1道次壁厚分布Fig.3 Wall thickness distribution of the 1st step

圖4 第2道次至第7道次等效應(yīng)變分布Fig.4 Equivalent strain distribution of the 2nd～7th steps

圖5 第8道次零件成形情況Fig.5 Parts forming of the 8th steps

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合模擬結(jié)果，在JH21-1608高速?zèng)_床上進(jìn)行試驗(yàn)，所得零件見圖6，零件成形質(zhì)量良好壁厚達(dá)到所需要求，無缺陷產(chǎn)生。

圖6 試驗(yàn)所得零件Fig.6 Parts obtained from experiment

4 結(jié)論

1)通過分析雙筒形皮帶輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)的理論計(jì)算采用多道次拉深的方法，可有效降低成形過程中壁厚減薄嚴(yán)重和厚度不均的問題。

2)采用有限元軟件模擬多道次拉深成形過程，分析成形過程中金屬的變形情況及流動(dòng)特點(diǎn)，可以得出，隨著拉深道次的增加，各圓角處應(yīng)力應(yīng)變值都會(huì)相應(yīng)的增大，導(dǎo)致圓角持續(xù)的減薄。

3)通過第 1至 4道次較大的凸模圓角半徑及內(nèi)筒較大的深度，可以有效地為后續(xù)道次聚料并降低零件減薄。

4)通過有限元模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，試制出了滿足要求的零件。

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