彭宇明,吳有彬,羅振

(1.先進(jìn)驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心，四川成都 610000；2.西南交通大學(xué)，四川成都 610000；3.柳州龍杰汽車(chē)配件有限公司，廣西柳州 545000)

0 引言

CVT變速器具有傳動(dòng)比連續(xù)、動(dòng)力傳動(dòng)持續(xù)順暢的特點(diǎn)，廣泛用于燃油驅(qū)動(dòng)和混動(dòng)系統(tǒng)。它的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪活塞套作為CVT變速器的主要零件，承受著腔內(nèi)油面壓與帶輪的接觸壓力，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與精度有較高的要求?，F(xiàn)在多為鑄造加機(jī)械加工的方式制造。具有適用性廣、精度較高、工藝成熟的特點(diǎn)[1]。而精密沖壓相對(duì)于鑄造，具有成本低、材料利用率高、可以滿足汽車(chē)輕量化要求等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。在汽車(chē)零部件制造工藝上，取代鑄造已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。但是在精密沖壓過(guò)程存在著許多難點(diǎn)，尤其活塞階梯類(lèi)零件沖壓成型效果受許多因素影響，控制不好極容易破損和失效，市面上成功應(yīng)用的案例較少。

本文作者以CVT從動(dòng)輪活塞套為研究對(duì)象，結(jié)合腔形工件分析階梯筒形件的結(jié)構(gòu)特征與成型難點(diǎn)，對(duì)精密沖壓所體現(xiàn)的關(guān)鍵工藝點(diǎn)進(jìn)行了提煉。研究了沖壓過(guò)程中各個(gè)主要因素對(duì)成型結(jié)果的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上通過(guò)正交優(yōu)化的方法，來(lái)得到近優(yōu)參數(shù)組合并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所用方法為同類(lèi)薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的拉深成型工藝提供參考。

1 CVT階梯筒形件的成型分析

1.1 結(jié)構(gòu)特征及成型工藝分析

零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。典型階梯深筒形結(jié)構(gòu)沖壓形狀復(fù)雜，成型難度較大。根據(jù)毛胚的受力變化成型過(guò)程通常包括兩個(gè)階段，初始階段的拉深成型和后期的膨脹成型[3]?；贑VT活塞套筒件對(duì)材料的強(qiáng)度要求較高，通常采用SAPH440、16MnCr5、40CrH。而材料16MnCr5成型較為困難，文中以此材料為研究對(duì)象。

圖1 CVT模型簡(jiǎn)圖

在沖壓工藝及設(shè)計(jì)中，一次成型的效率高。但一次成型對(duì)沖壓件的外形特征要求較高，像復(fù)雜的深筒形工件一次沖壓很容易造成拉裂失效的情況。對(duì)于階梯筒形件來(lái)說(shuō)，理論上可以根據(jù)零件的總高度與最小階梯筒部的直徑之比值(h1+h2+h3+…+hn)/dn是否小于其圓筒形件第一次拉深所允許的相對(duì)高度h/dn(限值)[4]，來(lái)決定采用的是一次成型還是多次成型。公式表示為

(1)

各尺寸如圖2所示。

圖2 階梯筒形件尺寸圖

根據(jù)CVT活塞套設(shè)計(jì)尺寸測(cè)得各數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各尺寸數(shù)據(jù)

h/dn的大小為工程限定值。計(jì)算表明需要多次沖壓成型。初步設(shè)計(jì)將成型分為兩個(gè)沖壓階段：第一階段為從毛胚到開(kāi)孔的筒形，第二階段為筒形到階梯筒形的整形。

第一階段如圖3所示，初始毛坯為圓形料片，通過(guò)模具拉深為一個(gè)碗狀筒形，然后將筒形直徑在拉深的作用下不斷縮小，最后將凸緣與筒形交界處整形為直角，并將筒的底部開(kāi)孔。

圖3 第一階段成型簡(jiǎn)圖

第二階段為鐓粗成階梯型的過(guò)程。如圖4所示，將上一階段的工件繼續(xù)墩出階梯形的形狀，然后繼續(xù)拉深出第二個(gè)階梯，最后進(jìn)行整形并減去凸緣多余的材料。

圖4 第二階段成型簡(jiǎn)圖

根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和極限拉深系數(shù)限制，設(shè)定初始沖壓參數(shù)為壓邊力為3 MPa、摩擦因數(shù)為0.12、階梯處凹凸模R分別為3、2、15 mm。通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示。

圖5 初始設(shè)計(jì)工藝仿真結(jié)果

通過(guò)成型后的FLD圖與成型圖可知，在局部圖中拉伸后工件出現(xiàn)了拉破，同時(shí)FLD圖中也超過(guò)了安全裕度的界限。工程經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)成型失敗，結(jié)果超過(guò)安全范圍，說(shuō)明初始按照通常的工程經(jīng)驗(yàn)確定工藝參數(shù)成型工藝無(wú)法滿足設(shè)計(jì)安全要求。

1.2 失效原因分析

沖壓失效主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。第一為出現(xiàn)拉裂，如圖6(a)所示，可以看到階梯處是一圈灰色的區(qū)域出現(xiàn)裂口，該區(qū)域?yàn)闃O度減薄，該工件沖壓失效。而壓邊力的大小對(duì)材料的拉深有很大的影響，調(diào)整壓邊力的大小，可以減少這種現(xiàn)象的發(fā)生。第二為出現(xiàn)減薄，按照企業(yè)沖壓通常的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，減薄率需要控制到材料厚度的20%以下。材料的壓邊力、潤(rùn)滑性能決定著拉深過(guò)程中材料的減薄與增厚，所以合適的摩擦因數(shù)和壓邊力可以避免過(guò)度減薄。第三為出現(xiàn)起皺，起皺不僅影響工件外觀，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致工件的壽命大大降低。所以需要盡可能地減少起皺的產(chǎn)生。如圖6(b)所示可以看到工件表面尤其階梯處存在著多處起皺。通過(guò)仿真得出該階梯處的凹凸模R角半徑對(duì)起皺的影響較大。

圖6 成型結(jié)果

綜上所述，影響成型效果的工藝因素很多，根據(jù)大量仿真分析整合工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的結(jié)果，總結(jié)出工藝參數(shù)中壓邊力、摩擦因數(shù)以及凹凸模的R角半徑的大小是影響CVT活塞套沖壓結(jié)果的關(guān)鍵點(diǎn)，相關(guān)參數(shù)設(shè)置的不恰當(dāng)極容易導(dǎo)致沖壓失效。

2 關(guān)鍵因素成型分析及優(yōu)化

2.1 壓邊力的成型影響

改變壓邊力大小是控制毛胚變形的主要方法之一，合適的壓邊力在一定程度可以減少起皺、壓縮、變形不充分等缺陷[5]。

初始工序的壓邊力大小為3 MPa，通過(guò)調(diào)整壓邊力設(shè)為5、10、20、30、40、50、100、110 MPa。(當(dāng)增加到125 MPa時(shí)，出現(xiàn)拉裂)。模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 最大增厚率與最大減薄率趨勢(shì)圖

結(jié)合圖7的曲線圖可以得知，隨著壓邊力的增加，拉破風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。減薄率逐漸上升。當(dāng)壓力達(dá)到110 MPa以后，模具施加的壓力不斷增大，阻礙了材料的流動(dòng)，使得階梯R角半徑處拉深加劇，最終出現(xiàn)破裂。得出的結(jié)論為對(duì)于材料為16MnCr5時(shí)CVT活塞套最合適的壓邊力為100 MPa左右。

2.2 摩擦因數(shù)的成型影響

板料的摩擦潤(rùn)滑情況是影響材料成型最重要的因素之一，同時(shí)對(duì)凹凸模的磨損分布也有重要的意義[6]。優(yōu)化模擬中摩擦因數(shù)分別選用0.05、0.08、0.11、0.14、0.15、0.17。通過(guò)有限元模擬分析不同潤(rùn)滑條件下對(duì)活塞套成型的影響規(guī)律。圖8為兩組摩擦仿真結(jié)果的FLD圖,由圖可知，隨著摩擦因數(shù)的增大，黑色區(qū)域(增厚區(qū)域)逐漸向上部移動(dòng)，成型越來(lái)越充分。摩擦因數(shù)為0.15時(shí)的相比于初始工序FLD圖較好。

圖8 FLD成型圖

如圖9所示，隨著摩擦因數(shù)的升高，減薄率不斷降低，起皺率也在降低。但當(dāng)摩擦因數(shù)到達(dá)0.17，工件出現(xiàn)破裂。由此，材料的潤(rùn)滑情況對(duì)拉深影響比較明顯。摩擦能夠影響金屬的流動(dòng)，從而影響金屬的成型性能。通過(guò)仿真分析可知，摩擦因數(shù)并非越大越好，當(dāng)摩擦因數(shù)為0.15左右時(shí)既能保證其成型性又不會(huì)使其拉裂。

圖9 最大減薄率和最大起皺率趨勢(shì)圖

2.3 凹凸模R角半徑的成型影響

對(duì)于凹凸模的R角半徑，主要考慮該工件的第二階段。兩個(gè)階梯處是成型的難點(diǎn)，成型容易拉裂,如圖10所示。

圖10 階梯處三點(diǎn)

圖10為工件模型圖，而主要起皺在A、B、C 3處。分析發(fā)現(xiàn)A處凹模、B和C處的凸模對(duì)起皺的影響不大。主要討論凹模B與凹模C。采用單因素法，假定其他R角半徑不變的情況下，分別考慮各個(gè)R角半徑對(duì)成型的影響。以減薄率和起皺率為評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。B、C兩處仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 B、C兩處減薄率和起皺率趨勢(shì)圖

由圖11(a)可知,B處的R角半徑變化對(duì)其影響較大，當(dāng)R>5 mm以后，工件B處已經(jīng)出現(xiàn)了拉裂;由圖11(b)可知，C處當(dāng)R=15 mm時(shí)，減薄率和起皺率最大。

2.4 正交優(yōu)化試驗(yàn)

由于沖壓參數(shù)對(duì)沖壓結(jié)果的影響不一，相互之間也存在著耦合性，光考慮單因素對(duì)沖壓結(jié)果的影響無(wú)法得到合理的參數(shù)取值，故采用正交試驗(yàn)的方法得出近優(yōu)解。對(duì)壓邊力、摩擦因數(shù)、凹模的RB角半徑與RC角半徑這4個(gè)因素進(jìn)行分析優(yōu)化。壓邊力取水平95、100、105 MPa；摩擦因數(shù)取0.1、0.13、0.15；取RB角半徑1、2、3 mm；RC角半徑為13、15和16 mm；以滿足成型完成的前提下起皺率、減薄率為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差分析。起皺率影響如表3所示,按照極差的大小對(duì)起皺率的影響程度由大到小依次為摩擦因數(shù)、凹模RB、凹模RC、壓邊力。

表3 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果 %

根據(jù)分析的結(jié)果可知：壓邊力中均值3最?。荒Σ烈驍?shù)中均值3最??；凹模RB均值2最??；凹模RC中均值2最小。所以最優(yōu)的方案組合為壓邊力105 MPa、摩擦因數(shù)0.15、凹模RB角半徑2 mm、RC角半徑15 mm。

3 結(jié)果驗(yàn)證分析

由上述對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的討論得出，對(duì)于CVT從動(dòng)輪活塞套最適宜的關(guān)鍵沖壓參數(shù)分別為壓邊力105 MPa、摩擦因數(shù)0.15、凹模最適宜的R角半徑為2、15 mm。將得出的參數(shù)導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行分析對(duì)比。

3.1 成型圖對(duì)比

如圖12所示，優(yōu)化前工件FLD圖超過(guò)了安全許可線，成型失敗。優(yōu)化后，成型圖較為集中同時(shí)處于拉深合理范圍內(nèi)，同時(shí)離安全破裂曲線還有一定距離。優(yōu)化后的模型只是在孔處出現(xiàn)了4.37%的變薄，能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命要求?？傮w來(lái)說(shuō)通過(guò)優(yōu)化后的沖壓工件在成型上遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于未優(yōu)化的，成型不足區(qū)域減少，成型充分區(qū)域增大。

圖12 優(yōu)化前后的FLD圖

3.2 最大減薄率和起皺率

將優(yōu)化前后的最大減薄率和起皺率進(jìn)行對(duì)比。由表4所示，優(yōu)化后的沖壓工件能夠成功拉深，同時(shí)在減薄率得到了很大的改善，起皺率上也有很大的改進(jìn)，這樣強(qiáng)度得到了提升。綜上所述，正交優(yōu)化試驗(yàn)后的結(jié)果比較理想，滿足CVT活塞套的沖壓要求。

表4 成型參數(shù)對(duì)比

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述的正交仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果調(diào)整實(shí)際沖壓的工藝參數(shù)設(shè)置，沖壓試模成功，成型良好。如圖13所示，這也驗(yàn)證了通過(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)化是能夠?qū)崿F(xiàn)CVT活塞套的精密沖壓成型。

圖13 CVT活塞套沖壓實(shí)件

4 結(jié)論

(1)文中對(duì)CVT從動(dòng)輪活塞套沖壓過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。對(duì)因素壓邊力、摩擦因數(shù)、模具的R角半徑分別展開(kāi)了仿真分析。并得出主要參數(shù)對(duì)沖壓結(jié)果的影響規(guī)律。

(2)設(shè)計(jì)4因素3水平的正交試驗(yàn)。選擇壓邊力、摩擦因數(shù)、凹模RB、凹模RC作為因素，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。得出16MnCr5材料CVT活塞套最優(yōu)的參數(shù)組合。最后進(jìn)行沖壓試模，工件成型良好，與優(yōu)化模擬相近。驗(yàn)證了正交優(yōu)化方法的正確性。

(3)通過(guò)對(duì)沖壓中關(guān)鍵因素提煉并正交優(yōu)化的方法為分析其他同類(lèi)階梯件沖壓的實(shí)現(xiàn)提供了思路。