某曲轴多楔轮旋压成形工艺研究

文／李俊辉，梅笑寒，戎子键，刘少枫，纪小虎，王雪·合肥工业大学

基金项目：大学生创新创业训练计划项目(S202110359039)中央高校基本科研业务费专项资金资助(JZ2021HGQB0273)

多楔轮具有抗扭矩性强、耐高油和高温、使用寿命长等特点，广泛应用于机械传动系统，尤其在汽车发动机传动系统中，多楔轮传动是主要传动形式。多楔轮良好的机械性能是机械传动系统的整体性能及使用寿命的保证，故对其成形制造工艺提出了较高的要求。

当前国内大多数汽车零部件制造商多采用铸造、锻造等工艺生产多楔轮的毛坯，再将毛坯放置在车床上进行切削成齿。采用传统制造工艺成形多楔轮存在诸多不足：产品精度低、机械性能差、材料利用率低、生产成本高等。随着塑性成形技术的不断发展，国内部分企业逐渐将旋压技术应用于多楔轮的制造成形，利用该技术成形多楔轮有着成形精度高、生产效率高、节能节材以及零件平衡性好等优点，因此旋压技术正逐渐代替传统工艺而广泛应用于多楔轮的生产制造。

曲轴多楔轮旋压成形工艺分析

零件结构特征及成形工艺

曲轴多楔轮零件结构如图1 所示，零件整体壁厚分布不均匀：上筒直径较小、高度较低，但厚度较大；下筒直径较大、高度较大，但厚度较小。下筒轮缘中部带有高度为7.57mm的法兰，齿顶距内侧壁4.7mm。旋压成形方案中模具工艺参数设计以及坯料尺寸计算是影响零件整体成形质量的关键因素，设计模具工艺参数不匹配将导致法兰处充填不饱满，成形高度不满足要求，法兰下侧出现折叠导致微裂纹，上下端面产生过多飞边，材料利用率低等缺陷。

图1 曲轴多楔轮零件结构图

由于曲轴多楔轮整体结构较为复杂，且齿形区壁厚不均，成形较为困难，因此，通过对零件结构的分析以及查阅文献，本次曲轴多楔轮旋压成形采用4 道次成形工艺：第1 道次旋弯工步中，工件外缘在旋轮径向进给运动下发生变形，完成聚料增厚；第2 道次旋平工步中，工件与下模贴合形成下筒内壁，同时在旋轮凹槽处实现进一步聚料；第3 道次预旋齿工步时，初步成形法兰以及下筒齿形区；最后，第4 道次终旋齿工步完成法兰的完整成形并精整齿形。

坯料尺寸的计算

多楔轮旋压预制坯是板料先铲旋内筒，随后冲压外缘得到的。根据塑性变形体积不变原则，可通过式(1)计算得到板料的尺寸大小，板料经剪裁、落料制得，厚度为8mm。

式中，V为零件体积，t为板料厚度，D为板料外径，d 为板料内径。

通过三维造型软件Inventor 的体积工具测出曲轴多楔轮零件的体积V=202442.8mm3，t=8mm，d=74.5mm，代入式(1)中得D=194.34mm。

旋压增厚有限元模拟分析

建立有限元模型

利用Inventor 建立工件和各道次模具的三维模型，基于有限元软件Simufact 对旋压成形过程进行模拟分析，第1 道次有限元模型如图2 所示。

图2 第1 道次有限元模型图

预制坯的材料为DD13，结合实际生产，设置工件与旋轮之间为库伦摩擦，摩擦系数为0.05，工件与芯模和上下模之间也是库伦摩擦，摩擦系数为0.3。模拟中，工件与模具的温度均设置为20℃；设置模具和旋轮都为不带传热的刚体模具；预制坯采用环状六面体网格划分，网格尺寸为2.5mm×2.5mm×5mm，划分的网格总数约为26000，设置一级网格自适应细化等级；芯模及上、下模夹住工件自转，旋轮在驱动压力机下沿X 轴径向进给，在与工件接触时发生被动自转。旋压模拟的运动参数见表1。

表1 旋压模拟运动参数表

旋压增厚有限元模拟分析

旋压增厚成形过程中，首先进行的是第1 道次旋弯工步，此阶段不同成形程度下的等效应力分布如图3 所示。成形初期，预制板坯外缘紧贴旋轮弯曲外缘处，工件在旋轮刚度及径向压力的作用下发生轻微变形。成形中期，工件外缘部分在旋轮径向压力下逐渐发生弯曲，金属发生轴向和切向的流动，形成圆弧状外缘。成形末期，等效应力值逐渐增大，主要变形区扩大，坯料在旋轮圆弧处聚集，达到了使轮缘在法兰处聚料增厚的效果。

图3 第1 道次等效应力分布图

第2 道次旋平工步中不同成形程度下的等效应力分布如图4 所示。金属在旋轮径向进给作用下主要发生径向及轴向流动，工件变形区持续扩大，随着增厚程度增加，工件将与下模完成贴模，成形出下筒内壁，部分金属在旋轮的挤压作用下有明显地向凹槽中流动的趋势以完成法兰处聚料，聚料越充分后续法兰成形效果越好。因此，第2 道次旋平工步中最优参数的确定对曲轴多楔轮整体成形质量有着非常重要的影响。

图4 第2 道次等效应力分布图

正交试验设计与结果分析

根据正交试验的基本步骤，先确定试验目的及试验指标，再确定试验因素和水平来完成正交试验的设计。在多楔轮旋压成形过程中，工件与旋轮接触面积较大时，旋轮在进给过程中会承受较大的径向载荷，过大的载荷会增加旋轮的磨损以及设备的耗能，同时在第2 道次旋平过程中，在旋轮的径向进给下完成对法兰的初步聚料，对后续法兰完整成形有重要影响，因此本次正交试验选择最大径向载荷以及法兰填充程度为试验指标。

在曲轴多楔轮旋压成形过程中，影响多楔轮旋压成形质量的因素有很多，例如芯模转速影响工件表面质量，若芯模转速过大可能导致设备振动剧烈而影响成形质量。旋轮进给速度影响工件等效应力分布及成形完整度，合理的旋轮进给速度能改善工件等效应力分布同时保证法兰充填程度。此外，摩擦系数也对金属流动和法兰充填程度有着重要影响。

根据以上分析，结合旋压技术手册并基于实际生产经验，选择芯模转速、旋轮进给速度和摩擦系数为多楔轮旋压成形中的主要研究参数，其中，旋轮进给速度为2 ～6mm/s，芯模转速为200 ～400r/min，摩擦系数为0.05 ～0.2。以第2 道次旋压成形过程中旋轮径向进给速度、摩擦系数、芯模转速为自变量，以最大径向载荷和法兰填充程度为目标函数，制定3因素3 水平正交试验表。

根据正交试验方案对第2 道次旋压成形进行9 次有限元模拟，获得正交试验因素和试验指标——最大径向载荷以及法兰填充程度的结果见表2。

表2 正交试验结果表

采用极差法来进行正交试验分析，由于本次正交试验有两个试验指标：最大径向载荷和法兰填充程度，因此属于多指标正交试验极差分析，其分析结果如表3 所示。

表3 极差分析结果表

表中，Ki 代表的是对单个因素，其水平数i=1，2，3 时分别所对应的试验结果之和；ki=Ki/s，ki 表示对单个因素当其水平数i=1，2，3 时所对应的试验结果的算术平均值；s 表示每个因素对应的水平个数，本试验中s=3；R 表示任意一个因素的极差，即在该列因素下各水平下的指标值的最大值与最小值之差，见式(2)。

极差值越大，所对应的因素越重要。因此对最大径向载荷进行分析，三个影响因素从大到小分别为：B，A，C。对法兰填充程度进行分析时，则为B，C，A。分析表中ki 值的大小可以得到每个因素的优化方案：对于最大径向载荷，各个因素下载荷最小的是A1B1C1；对于法兰填充程度，各个因素下填充程度最好的是A1B1C1。因此，可以判断方案A1B1C1 为本次正交试验的最优方案。具体参数为：芯模转速200r/min，旋轮进给速度2mm/s，摩擦系数0.05。

最优方案模拟验证

经过上述对正交试验结果的分析，确定了曲轴多楔轮第2 道次的最优工艺参数，之后继续完成多楔轮齿形部分的成形来验证最优参数设计的合理性。图5为第4 道次终旋齿的等效应力分布图，成形后的齿形充填完整，其模拟结果与实际生产结果相一致。

图5 第4 道次等效应力分布图