李衛(wèi)民，楊瀚文，張凱璇，付松松，刁家宇

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧錦州 121001）

0 前言

多楔帶輪作為一種重要傳動零件，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中。其中旋壓多楔帶輪以其高精度、節(jié)能、節(jié)材、少切削、環(huán)保等優(yōu)勢，逐步取代了傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的皮帶輪，在汽車等行業(yè)應(yīng)用前景廣闊［1］。多楔帶輪旋壓屬于特種旋壓成形技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)加工中多楔槽的成形往往是多楔帶輪制造的難點(diǎn)。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過有限元模擬、實(shí)驗(yàn)分析的方法對多楔帶輪旋壓成形過程進(jìn)行研究。夏琴香等［2］分析了多楔帶輪旋壓成形特點(diǎn)，采用MSC.Marc 軟件對多楔帶輪預(yù)成形、腰鼓成形及增厚成形3 個(gè)工步進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用工藝試驗(yàn)驗(yàn)證其結(jié)論；吳玉程等［3］針對物理實(shí)驗(yàn)中的旋壓缺陷，模擬分析了帶輪變形區(qū)域的材料流動情況、應(yīng)力分布以及缺陷的形成機(jī)制；趙立杰等［4］建立了有限元模型，分析了毛坯截面形狀和旋輪進(jìn)給量對旋壓成形的影響。唐季平等［5］基于Simufact 平臺建立了多楔帶輪旋壓增厚三維有限元模型，并分析變形區(qū)材料塑性流動規(guī)律和折疊缺陷產(chǎn)生機(jī)制，提出使變形區(qū)材料在上端局部增厚、下端有效過渡的旋輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。ESSA、HARTLEY［6］運(yùn)用ABAQUS建立了筒形件旋壓成形的三維有限元模型，結(jié)果顯示進(jìn)給率、相對間隙、旋輪圓角半徑對旋壓件成形質(zhì)量起著決定性的作用；另外研究了單道次和雙道次對旋壓過程的影響。邢美峰、郭靜［7］對筒形件旋壓進(jìn)行加工仿真，利用正交試驗(yàn)得到較好的數(shù)控旋壓加工工藝參數(shù)。國內(nèi)外對多楔帶輪旋壓的研究主要體現(xiàn)在分析變形區(qū)材料的成形機(jī)制，但針對旋壓工藝參數(shù)沒有一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)針對優(yōu)化旋壓工藝參數(shù)、提高多楔帶輪成形質(zhì)量和旋輪壽命的研究相對較少。

本文作者重點(diǎn)研究了旋壓工藝參數(shù)對汽車發(fā)動機(jī)帶輪旋壓成形質(zhì)量的影響。首先對帶輪的旋壓成形工藝進(jìn)行分析，討論了多道次旋壓帶輪的方案設(shè)計(jì)，通過數(shù)值模擬技術(shù)篩選了旋壓工藝參數(shù)，探究了單一旋壓工藝參數(shù)對旋壓質(zhì)量的影響，進(jìn)而確立了多目標(biāo)優(yōu)化問題的設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)，利用DOE 試驗(yàn)收集樣本數(shù)據(jù)，基于Design-Expert 軟件對旋壓過程進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到了旋壓工藝參數(shù)的最優(yōu)方案，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證有限元模擬的可靠性。

1 多楔帶輪旋壓成形工藝分析

文中以東安513 汽車發(fā)動機(jī)帶輪為研究對象，坯件材料選用冷軋鋼板08Al。圖1 所示為帶輪的零件圖以及齒形局部放大圖。

圖1 多楔帶輪的零件圖（a）和齒形結(jié)構(gòu)圖（b）Fig.1 Parts diagram（a）and tooth structure（b）of multi-wedge pulley

根據(jù)文獻(xiàn)［8-10］和實(shí)際加工情況，多楔帶輪旋壓工藝采用3 個(gè)旋輪依次進(jìn)給，分別完成預(yù)成形、預(yù)成齒、整形過程。在第一次預(yù)成形時(shí)，毛坯的直段部分被平輪旋壓為凹形環(huán)狀，變形后材料的厚度基本保持不變，其目的是將材料填充到所需部位。第二次預(yù)成齒形是使用齒形角度為50°～60°的預(yù)成型輪，旋壓凹形環(huán)狀部位，當(dāng)槽型填充滿后，再用齒形角度為最終角度的旋輪進(jìn)行整形旋壓，最終旋出槽型［11］。圖2—4所示為多楔帶輪旋壓成型方案。

圖2 多楔帶輪預(yù)成形階段Fig.2 Pre-forming stage of multi-wedge pulley

圖3 多楔帶輪預(yù)成齒形階段Fig.3 Multi-wedge pulley pre-forming tooth stage

圖4 多楔帶輪整形階段Fig.4 Multi-wedge pulley shaping stage

由上述多楔帶輪成形方案分析可知，多楔帶輪旋壓成形屬于金屬塑性變形，預(yù)成形以及預(yù)成齒形這兩個(gè)階段的目的是將毛坯側(cè)壁部分槽型填充滿，這兩個(gè)階段的塑性變形程度較高，其成形效果直接影響了后續(xù)整形過程，同時(shí)也關(guān)系到旋壓后齒形的質(zhì)量與精度。故針對這兩個(gè)階段進(jìn)行有限元模擬。

2 有限元模型的建立

通過三維建模軟件SolidWorks 建立各階段旋壓三維模型，導(dǎo)入到Deform 軟件中，對旋壓成形過程進(jìn)行模擬分析。建立如圖5 所示的有限元模型，坯件為塑性體，模具和旋輪為剛性體，坯件材料為08Al 冷軋鋼板，根據(jù)材料屬性定義參數(shù)。旋輪與坯料接觸為剪切摩擦且有潤滑液，摩擦因子為0.12。上下芯模與坯料間的摩擦因子為1，坯料、模具和旋輪的溫度為20 ℃。坯件網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，同時(shí)采用局部網(wǎng)格細(xì)化側(cè)壁待加工部分，提高求解精度［12］。

圖5 兩道次旋壓有限元模型Fig.5 Two-pass sub-rotation finite element model

在多楔帶輪旋壓過程中，各機(jī)構(gòu)的動作合模機(jī)構(gòu)軸向移動毛坯夾緊在上下芯模中，毛坯和芯模隨主軸一起進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋輪徑向進(jìn)給，當(dāng)旋輪接觸坯料后進(jìn)行被動旋壓，坯料發(fā)生連續(xù)塑性變形完成旋壓過程。用Deform-3D 對多楔帶輪旋壓過程進(jìn)行模擬仿真時(shí)，由于旋壓實(shí)際過程中各模具運(yùn)動十分復(fù)雜，根據(jù)相對運(yùn)動原理，對旋壓過程進(jìn)行簡化，采用上下芯模和坯料固定，旋輪繞坯件中心公轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行進(jìn)給［13］。圖5 所示為此次發(fā)動機(jī)多楔帶輪前兩道次旋壓有限元模型。

基于上述有限元模型，針對多楔帶輪預(yù)成形階段和預(yù)成齒形階段，根據(jù)工藝分析，設(shè)定多楔帶輪旋壓參數(shù)如表1 所示。

表1 多楔帶輪旋壓成形參數(shù)Tab.1 Parameters of multi-wedge pulley spinning and forming

3 旋壓工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 篩選工藝參數(shù)

在多楔帶輪旋壓成形過程中，材料的力學(xué)性能、旋輪半徑、主軸轉(zhuǎn)速、旋輪進(jìn)給速度、摩擦、溫度等因素都會對帶輪零件的質(zhì)量產(chǎn)生影響。對于實(shí)際生產(chǎn)加工，坯料材料、潤滑方式以及旋壓溫度確定之后，影響旋輪載荷的因素主要是主軸轉(zhuǎn)速、旋輪進(jìn)給速度以及旋輪半徑。本文作者將對主軸轉(zhuǎn)速、旋輪進(jìn)給速度以及旋輪半徑這3 項(xiàng)參數(shù)對旋壓成形的影響進(jìn)行分析，以坯件變形區(qū)域表面的等效應(yīng)力以及旋輪成形載荷為指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，分別探究單一因素對旋壓質(zhì)量的影響，最后進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

3.2 旋壓工藝參數(shù)對旋壓質(zhì)量的影響

3.2.1 主軸轉(zhuǎn)速

主軸轉(zhuǎn)速在實(shí)際多楔帶輪旋壓過程中是指芯模帶動毛坯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的速度。為了盡可能簡化模擬過程，文中所采用的旋壓模擬中，施加的運(yùn)動方式為旋輪繞毛坯中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動同時(shí)徑向進(jìn)給，毛坯與模具都保持靜止?fàn)顟B(tài)，所以主軸轉(zhuǎn)速即為旋輪做圓周運(yùn)動的轉(zhuǎn)速。在此次模擬過程中，進(jìn)給速度和旋輪半徑分別取1.2 mm／s 和150 mm，只改變主軸轉(zhuǎn)速。圖6 為主軸轉(zhuǎn)速與旋壓質(zhì)量的關(guān)系曲線，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，坯件的等效應(yīng)力和旋輪所受成形載荷也在逐漸增加，但是主軸轉(zhuǎn)速不易太高，過快的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致成形后的旋壓件發(fā)生各種缺陷問題。

圖6 等效應(yīng)力、旋輪成形載荷與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.6 Relationship between equivalent force，spinning wheel forming load and spindle speed

3.2.2 進(jìn)給速度

在旋壓預(yù)成形過程中，進(jìn)給速度主要是指旋輪徑向的進(jìn)給速度。該參數(shù)主要影響相同時(shí)間內(nèi)旋輪與材料接觸的程度，較大的進(jìn)給速度有助于加快毛坯旋壓過程，提高生產(chǎn)效率，但是進(jìn)給速度過大會導(dǎo)致成品帶輪表面質(zhì)量下降，同時(shí)工件更容易破損；進(jìn)給速度過小時(shí)雖然工件表面質(zhì)量會提高，但是又會使生產(chǎn)效率較低。在此次模擬過程中，固定主軸轉(zhuǎn)速和旋輪半徑，只改變進(jìn)給速度，所得到的數(shù)據(jù)如圖7 所示，旋輪成形載荷和等效應(yīng)力隨著進(jìn)給速度增加而增長。

圖7 等效應(yīng)力、旋輪成形載荷與進(jìn)給速度的關(guān)系Fig.7 Relationship between equivalent force，spinning wheel forming load and feed rate

3.2.3 旋輪半徑

在旋壓過程中，使坯件發(fā)生塑性變形的力主要來自于旋輪與毛坯直接的接觸摩擦力，因此旋輪的尺寸對多楔帶輪成形過程也起著至關(guān)重要的作用。旋輪在與毛坯接觸時(shí)，會產(chǎn)生一定的徑向力，根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，要想改善毛坯的表面質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，可以適當(dāng)增加旋輪半徑，所以選擇合適的旋輪半徑也是關(guān)鍵因素。不過不能一味增加旋輪半徑，過大的半徑會造成毛坯的損壞。在此次模擬過程中，固定主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，只改變旋輪半徑，所得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。可知：旋輪成形載荷和旋輪半徑呈正比關(guān)系，等效應(yīng)力整體變化趨勢是隨旋輪半徑增加而減小。

圖8 等效應(yīng)力、旋輪成形載荷與旋輪半徑的關(guān)系Fig.8 Relationship between equivalent force，spinning wheel forming load and spinning wheel radius

3.3 多目標(biāo)優(yōu)化

3.3.1 取值范圍與約束條件

綜上所述，在多楔帶輪旋壓過程中，毛坯所受的等效應(yīng)力越大，毛坯在旋壓過程中變形抗力就越大，毛坯件成形能力越低；同時(shí)旋輪的成形載荷越大，旋輪越容易損壞，降低旋輪成形載荷延長旋輪壽命，降低成本。所以此次優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)選取毛坯的等效應(yīng)力和旋輪成形載荷為目標(biāo)函數(shù)，以其極小值為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化旋壓工藝參數(shù)來完成多目標(biāo)優(yōu)化［14］。

根據(jù)之前的多楔帶輪旋壓過程分析和企業(yè)提供的經(jīng)驗(yàn)判斷，最終選取主軸轉(zhuǎn)速、旋輪進(jìn)給速度、旋輪半徑這3 個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。為方便后續(xù)近似模型的表示，其參數(shù)值分別用T、v和R來表示?？紤]到旋壓工藝參數(shù)對成形毛坯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和表面質(zhì)量的影響，確定出各設(shè)計(jì)變量的取值范圍如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)變量取值范圍Tab.2 Design variables value ranges

建立多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型如下：

式中：σvon為等效應(yīng)力；F為旋輪成形載荷；、、xi分別為設(shè)計(jì)變量下限、設(shè)計(jì)變量上限和設(shè)計(jì)變量。

3.3.2 DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過Box-Behnken 正交試驗(yàn)確定合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)，以較少的試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得高質(zhì)量的響應(yīng)面模型。部分正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)如表3 所示。

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Orthogonal experimental data

3.3.3 仿真結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)樣本點(diǎn)與響應(yīng)值，建立各響應(yīng)面近似模型，部分因素相互效應(yīng)的3D 響應(yīng)面如圖9 所示。

圖9 等效應(yīng)力（a）、旋輪成形載荷（b）的三維響應(yīng)面圖Fig.9 3D response surface diagrams of equivalent force（a）and rotating wheel forming load（b）

對響應(yīng)面模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示，可以看出響應(yīng)面近似模型對試驗(yàn)樣本具有很高的擬合度［15］。

表4 響應(yīng)面近似模型決定系數(shù)Tab.4 Response surface approximation model decision coefficients

3.3.4 最優(yōu)方案確定及模擬驗(yàn)證

對旋壓工藝參數(shù)與等效應(yīng)力和成形載荷這兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的二階響應(yīng)面近似模型，運(yùn)用Design-Expert中Optimization 模塊基于遺傳優(yōu)化算法，以等效應(yīng)力和成形載荷極小值為目標(biāo)得到優(yōu)化后的旋壓工藝參數(shù)與初始參數(shù)對比如表5 所示。

表5 優(yōu)化前后旋壓工藝參數(shù)Tab.5 Spinning process parameters before and after optimization

利用優(yōu)化得到的預(yù)成齒旋壓工藝參數(shù)，繼續(xù)通過Deform 軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果。有限元驗(yàn)證結(jié)果與初始設(shè)計(jì)結(jié)果對比如表6 所示。

表6 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證Tab.6 Validation of optimization results

經(jīng)過優(yōu)化后，成形后的毛坯等效應(yīng)力減少了39 MPa，成形載荷減小了10.64%。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上文對多楔帶輪旋壓過程的數(shù)值模擬及優(yōu)化仿真從理論上分析多道次旋壓過程。為了驗(yàn)證汽車發(fā)動機(jī)多楔輪多道次旋壓成形的可行性和優(yōu)化結(jié)果的可靠性，利用CDC-S40 旋壓多工位試驗(yàn)機(jī)（見圖10）將優(yōu)化后的旋壓工藝參數(shù)方案進(jìn)行多道次旋壓加工，首先觀察加工好后的成品宏觀形貌，看成品表面是否有凹坑、起皺、壓痕等缺陷；若成品表面質(zhì)量良好，則繼續(xù)利用測量工具測量成品的關(guān)鍵參數(shù)，尤其是各部位具體尺寸、齒形高度、過渡圓角是否有重疊［16］。為了便于測量，此次試驗(yàn)將成品進(jìn)行線切割抽條處理，切割后如圖11 所示。經(jīng)檢驗(yàn)，齒形部位無明顯裂紋，各過渡圓角處無折疊，滿足設(shè)計(jì)的質(zhì)量及尺寸要求。圖12 為旋壓后的帶輪成品。

圖10 CDC-S40 旋壓多工位試驗(yàn)機(jī)Fig.10 CDC-S40 spinning multi-station tester

圖11 成品剖視圖Fig.11 Cutaway view of finished product

圖12 汽車發(fā)動機(jī)多楔帶輪成品Fig.12 Finished product of automobile engine multi-wedge belt wheel

5 結(jié)論

本文作者首先根據(jù)多楔帶輪旋壓成形工藝分析，設(shè)計(jì)一種多次旋壓的多楔帶輪成形方案，并通過數(shù)值模擬技術(shù)分析主軸轉(zhuǎn)速、旋輪進(jìn)給速度以及旋輪半徑這3 項(xiàng)參數(shù)對旋壓質(zhì)量的影響；選取主軸轉(zhuǎn)速、旋輪進(jìn)給速度、旋輪半徑這3 個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，以零件的等效應(yīng)力和旋輪成形載荷的極小值為優(yōu)化目標(biāo)，對汽車發(fā)動機(jī)多楔帶輪的旋壓質(zhì)量進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化后的零件的等效應(yīng)力減少了39 MPa，成形載荷減小了10.64%。最后利用優(yōu)化后的旋壓工藝參數(shù)進(jìn)行多楔帶輪旋壓加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與數(shù)值模擬的可靠性。