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汽车多楔轮旋压成形研究及齿顶缺陷分析

针对汽车多楔轮在旋压成形过程中需要整体成形齿形区域且齿形区域难成形的特点，通过采用四道次旋压成形工艺方案并采用基于SIMUFACT的有限元模拟和实验相结合的方法对旋压成形过程进行研究。针对在旋压成形过程中齿顶部位容易出现局部欠料的现象，通过优化二道次旋平轮结构，采取预开圆型槽逐步聚料的方式，改善旋齿过程中齿顶区域材料金属流动。后续生产试制，在多工位旋压机上进行试验，结果零件成形质量良好，验证了该旋压成形方案的可行性。

传统多楔轮加工方式主要以采用铸造、锻造工艺为主。传统加工方式生产的多楔轮缺陷多，材料利用率低，亟需开发新的成形工艺。旋压成形属于连续、逐点的塑性变形，能够有效保证零件精度和性能，因而适用于多楔轮的高性能成形制造。

多楔轮旋压成形工艺分析

零件工艺分析

多楔带轮的结构特征如图1所示，该零件具有典型多楔且整体壁厚分布不均的特点。在零件旋压成形方案的制定上，旋压成形方案中模具工艺参数设计及旋压道次设定都影响零件整体成形质量，设计模具工艺参数不匹配将导致：上下凸筋充填不饱满；齿形区域成形不一；上凸筋下侧内圆弧处出现折叠导致微裂纹；上下端面飞边过多材料利用率低等缺陷。

旋压成形方案

旋压成形该多楔轮属于特种旋压技术，预制坯（图2）原始板厚为3.5mm，利用一道次预成形轮使预制坯金属产生聚料的效果，使预制板坯材料转移到旋轮过渡圆型槽，板坯整体成形为过渡圆弧状。二道次成形采用平轮作用于过渡状圆弧成形上下凸筋，三道次预成形齿形，四道次整形齿形及上下凸缘。该旋压成形工艺其所得多楔轮金属分布更加均匀，可以避免冲压拉深造成的上下凸筋欠料，减少机械加工余量，降低成本。

旋压成形中齿顶缺陷

基于现有的旋压成形工艺对多楔轮试制生产，在针对试制的多楔带轮进行质检，在测量时发现齿顶部位常常出现欠料现象，如图3所示。齿顶欠料现象产生的原因与下列因素有关：预制坯整体壁厚分布不均匀，导致零件在后续三四道次旋压成形中成形齿顶材料金属不足；在两道次旋齿成形过程中齿顶区域金属流动趋势发生畸变，趋势不一致产生欠料现象。

工艺优化及有限元分析

旋轮工艺优化

图4所示为改进后二道次旋轮结构及成形效果示意图，在二道次旋平轮上预先开设圆槽，采用预先成形小圆弧过渡聚料来对齿形成形区域进行逐步聚料。采用小圆弧过渡聚料的原因是因为一方面：采取小圆弧过渡聚料可以弥补预制坯整体壁厚分布不均匀；预先开设型槽可以改善齿顶区域金属流动，使得金属向齿顶成形区域流动。

有限元模型建立及分析

采用SIMUFACT有限元分析软件对板坯三四道次旋齿成形过程进行数值模拟。选取牌号为AISI-1008厚度为3.5mm的预制板坯。旋轮与板坯之间设定为库仑摩擦，摩擦系数取0.05，旋轮进给速度为2mm/s，芯模转速为200rpm。板坯与芯模温度20℃，芯模与工件之间设置摩擦系数0.3。设置上下芯模带动板坯做自转，旋轮径向进给运动。具体有限元模型如图5所示。

图6所示为三道次预成形齿过程图。在成形前期可以看出旋轮先整体作用于板坯，使二道次预先成形的小圆弧部位先隆起。可以避免由于齿形区域先与旋轮接触的金属流动速度较快，齿中部未与旋轮接触金属流动慢所导致的金属欠料现象。在成形过程中期预旋齿轮齿形区域作用于整个板坯，此时金属沿径向流动发生急剧变形且成齿区流动速度较快，逐渐成形齿区。在成形后期，预旋齿轮与板坯完全贴模，此时齿形区域应力值最大。图7为四道次终旋齿成形过程图。该道次终旋齿过程为齿形部位整形过程，在预成形齿成形基础上对成形金属进行精整形，如图所示齿形部位充填饱满，基本达到零件尺寸要求。

试模验证

在图8所示的多工位旋压机上进行多楔轮多道次旋压成形试验；图9是经过四道次旋压成形的多楔轮，从图9中可以看出零件整体端面成形质量良好，齿形充填饱满，无明显缺陷，试验与优化模拟结果基本一致。

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