王新云夏巨谌：汽车飞轮盘冲锻成形工艺研究081113

第3届全国精密锻造学术研讨会论文集（2008年12月·盐城）66汽车飞轮盘冲锻成形工艺研究*华中科技大学王新云罗文涛夏巨谌胡国安摘要飞轮盘为大尺寸且壁厚有变化的零件，采用传统切削加工方式，材料利用率极低。采用冲锻成形新工艺成形该零件，并借助有限元模拟软件DEFORM-2D，对成形过程和模具参数进行了优化。为成形零件R5内圆角，设计了两阶段成形工艺路线，即预成形时采用大半径圆角凸模拉深并利用镦粗凸模镦粗侧壁，终成形时将拉深凸模换为R5圆角的凸模并将零件镦粗到要求尺寸。模拟结果显示成形良好，为实际生产提供了理论依据。关键词：冲锻成形；飞轮盘；增厚；数值模拟Aninvestigationofstamping-forgingprocessforcarflywheelpanelAbstractFlywheelpanelisapartwithlargesizeandthickness-difference.Theutilizationratioofmaterialsisratherlowwhenapplyingthetraditionalcuttingmethods.Thispaperproposedanewstamping-forgingprocess.TheformingprocessandmoldparameterswereoptimizedutilizingDEFORM-2D.InordertoshapetheinnerfilletofR5,aformingprocesswithtwo-stepwasdesigned.Adrawing-punchwithbiggerfilletdrewthebilletandanupsetting-punchcompressedthewallfirst,andthenthedrawing-punchwasreplacedwithanotheronewhichhadafilletofR5andthewallwascompresseduntilreachingthesizerequirements.Theresultsarewellshownthatitcouldprovideatheoreticalbasistothepracticalindustrialproduction.Keywords:stamping-forgingprocess;flywheelpanel;thickeningnumericalsimulation1引言随着制造技术的日益进步，在塑性成形领域，为节约材料和能源，减少加工难度和加工工序，提高零件的加工精度，要求少、无余量成形（即近/净成形）的呼声日益高涨。在当代工业特别是在汽车工业中，出现了大量的尺寸较大且壁厚有变化的零件。这些零件采用传统的冲压或者锻造方法都很难成形；而采用切削加工方式，则材料利用率极低。基于冲压和锻造的特点，研究人员提出了采用冲锻成形新工艺的方法。冲锻成形工艺是以板材（或者管材）为坯料，通过冲压工艺成形出中空形状，并在该工序中储备足够的金属，再采用锻造工艺，对特定部位压缩增厚，以达到要求厚度。采用该工艺成形的零件不仅能满足尺寸要求，而且力学性能良好，材料利用率高，成形速度较快，避免了采用各种传统方法加工所产生的一系列问题[1]。图1为冲锻成形与焊接成形过程的比较示意图。近年出现了一些利用板坯料进行锻造的研究[2~5]，但均只是采用了板坯料来进行锻造，与本文提出的先拉深空间形状后增厚局部的冲锻成形工艺有所不同。本文结合冲锻成形新技术的研究，借助有限元模拟软件DEFORM-2D，对飞轮盘成形工艺过程进行了模拟，分析了坯料的金属流动特征，对模具工艺参数进行了优化，为实际生产提供了理论依据。2工艺分析汽车飞轮盘锻件图如图2所示，其材料为45钢，主要特点是侧壁厚度大于底部厚度。其整体尺寸较大，而角部内外圆角尺寸较小，分别为R5和R2.5。采用冲锻成形工艺成形该零件，可选用圆形坯料，先拉深成为浅圆桶形，然后镦粗其侧壁，最终得到所需盘形锻件。成形模具示意图如图3所示。*国家自然科学基金资助项目(50705034)王新云罗文涛夏巨谌胡国安：汽车飞轮盘冲锻成形工艺研究67板坯拉深冲孔焊接增厚板坯拉深冲孔镦锻增厚a管坯液压冲孔法兰焊接管坯液压冲孔法兰镦锻cd图1冲锻成形与焊接成形的比较a)与c)为冲压后焊接成形；b)与d)为冲压锻造整体成形图2锻件剖面图第3届全国精密锻造学术研讨会论文集（2008年12月·盐城）68图3冲锻成形模具示意图根据锻件尺寸，选取10mm厚的钢板作为坯料。为减小成形力，可在坯料成形之前先将中心孔冲出，用以分流降压。周向3个工艺孔则在后续工序中冲出。由于中心孔在拉深成形过程中会有所增大，但在随后的镦粗过程中，侧壁金属向底部流动，中心孔又会有一定程度的缩小，其最终尺寸会较初始尺寸小，所以预冲中心孔尺寸可稍微放大。根据体积相等原则，选取毛坯直径为Φ338mm，预制中心孔直径为Φ43.6mm，则首次拉深系数为0.81。根据文献[6]可知，可以一次拉深成形。3飞轮盘冲锻成形工艺研究及其数值模拟3.1有限元模拟模型考虑工件的轴对称性和工艺的特点，为了提高模拟的效率，采用数值模拟软件DEFORM-2D进行模拟。图3为有限元模拟模型，相关参数为：坯料材料为1045钢，模具材料为H13热作模具钢。初始温度：坯料为800℃，模具为200℃。考虑到坯料与模具间的热力耦合，选择变形与热传导模块，模具与坯料间热传导系数为11W/(m2K），模具与环境间的热传导系数为0.02W/(m2K）。取常剪切摩擦因子为0.25。模具运动速度为20mm/s，步长0.25mm。坯料网格数为8000，拉深凸模与凹模网格数为5000，挤压凸模网格数为2000。3.2拉深凸模圆角半径对成形结果的影响由于在镦粗过程中拉深凸模固定不动，其作用类似型腔，而零件内圆角半径为R5，故拉深凸模直接用圆角半径为R5的凸模进行拉深。拉深成形图如图4（a）所示。由于拉深凸模圆角较小，导致该区域坯料减薄比较厉害（最薄处约8.7mm）。在随后的镦粗过程中，圆角处坯料脱离拉深凸模，向凹模圆角处流动，由于凸模圆角和凹模之间形成了一个较大的空腔，需要大量的金属来补充，但镦粗时侧壁金属对圆角处的补充不足，导致在镦粗过程进行不久，圆角处产生折叠（见图4（b））。所以，必须增大拉深凸模圆角半径。而零件所要求的内圆角半径为R5，为避免在该处的切削加工，这就要求在拉深结束，镦粗过程中更换拉深凸模，作为型腔，以成形内圆角。因此，该工艺过程分为两个阶段：预成形采用大圆角半径拉深凸模进行拉深成形，并利用镦粗凸模镦粗侧壁。当镦粗成形到一定程度时，预成形结束，更换拉深凸模，进入终成形，继续镦粗零件侧壁至要求尺寸。在拉深过程中，凸模圆角越小，坯料圆角处的减薄越明显。适当增大拉深凸模圆角，不仅可以避免坯料圆角处因过度减薄而导致在随后的镦粗工序中产生折叠，同时也可以增大圆角处金属储料，为后续成形成形圆角区域做准备。镦粗时，圆角处坯料脱离拉深凸模，向凹模圆角处流动。由于所使用的拉深凸模圆角较大，坯料圆角处靠近底部和侧壁的区域也会出现一个相对较大的自由变形的区域。在镦粗过程中，角部金属在不断聚集的同时，靠近底部和侧壁的区域也有一定程度的自由镦粗，以补偿在拉深时的减薄。王新云罗文涛夏巨谌胡国安：汽车飞轮盘冲锻成形工艺研究69a）拉深成形图b）镦粗折叠图4拉深凸模圆角半径为R5时的成形情况3.3确定更换拉深凸模的时间确定更换拉深凸模的时间，即确定预成形终了时的成形程度，对最终的成形结果也有十分重要的影响。如果拉深成形结束后立即更换拉深凸模，对坯料圆角处进行二次拉深，这样坯料圆角处的减薄会较直接采用拉深凸模圆角半径为R5时情况有所好转，但侧壁和底部靠近圆角的区域还是会有一定程度的减薄，且由于换模后拉深凸模圆角过小，侧壁金属很难经过圆角流入底部，底部靠近圆角区域金属得不到补充，最终也会导致角部产生折叠。同样，换模时间过早也会出现类似的情况。换模时间过晚也不行。由于侧壁和底部靠近圆角区域金属有一个相对较大的自由变形区，在镦粗侧壁过程中，这两个区域也会随着角部区域一起增厚。如果换模时间过晚，当侧壁靠近角部区域金属厚度增大到超过侧壁所需镦粗厚度（11mm）时再换拉深凸模，拉深凸模在合模过程中迫使该处金属发生塑性变形，将直接导致折叠产生。根据在不同预成形拉深凸模圆角半径条件下、不同时间更换拉深凸模的最终成形结果可知，在浅筒形件侧壁高度为46.5～50mm时更换拉深凸模比较合适。3.4成形结果分析如前所述，更换拉深凸模时间选择在镦粗成形中段，故在该工艺过程中，终成形拉深凸模主要作用是作为型腔，成形内圆角；侧壁的镦粗过程被分为两段。用不同预成形拉深凸模进行拉深成形，最终成形结果也不同。表1显示了在不同拉深凸模圆角半径情况下的成形结果及成形力。表1不同拉深凸模圆角半径下的成形情况拉深凸模圆角半径/（mm）成形结果成形力/（MN）预成形终成形105内圆角处折叠/155良好18.6205良好15.7255良好15.7305良好15.7由表1及图5可以看出，预成形拉深凸模的的圆角半径为R10时，角部区域金属储料还是不够而最终导致折叠（图5（a））；r≥15mm时成形效果良好（图5（b）～（e））。理论上来说，不管预成形拉深凸模圆角大小如何，在终成形时都是在相同型腔内镦粗成形，其成形力应该大致相同。然而，由表1可以看出并非如此。这是因为预成形拉深凸模圆角半径为R15时角部储料相对还是较少，终成形镦粗时外圆角处先成形，内圆角在随后通过圆角处金属的第3届全国精密锻造学术研讨会论文集（2008年12月·盐城）70反向流动成形（图6（a）），故成形力较大；圆角半径r≥20mm时，拉深时角部储料充足，终成形时先成形内圆角，最后成形外圆角（图6（b）～（d））。所以，在实际生产时，预成形拉深凸模圆角半径应不小于20mm。a）r＝10mmb）r＝15mmc）r＝20mmd）r＝25mme）r＝30mm图5不同预成形拉深凸模圆角半径时的最后成形图a）r＝15mmb）r＝20mm王新云罗文涛夏巨谌胡国安：汽车飞轮盘冲锻成形工艺研究71c）r＝25mmd）r＝30mm图6不同预成形拉深凸模圆角半径时的终成形前的成形情况4结论（1）根据飞轮盘的结构、尺寸特点，提出了采用冲锻成形工艺，分两阶段成形的工艺方案。（2）借助有限元模拟软件DEFORM-2D，分析探讨了金属流动规律，讨论了拉深凸模圆角半径大小及换模时间对成形结果的影响。（3）模拟结果显示成形良好，为实际生产提供了理论依据。参考文献[1]蒋鹏.板料冲压冷锻复合成形技术及其应用.汽车工艺与材料[J]，2000（9）：8～11[2]李建平，车路长.罩体类零件冲压冷锻成形工艺有限元模拟及试验分析[J].重庆职业技术学院学报,2007(5)：132～135[3]李雪松等.汽车离合器衬套冲锻复合工艺研究及其数值模拟[J].锻压装备及制造技术，2000（1）：49～51[4]ShengZQ,ShivpuriR.Ahybridprocessforformingthin-walledmagnesiumparts[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2006,428:180-187[5]徐萍.复合塑性成形技术在万向节叉加工中的应用[J].十堰职业技术学院学报，2004（3）：67～69[6]肖祥芷，王孝培主编.中国模具设计大典：第三卷冲压模具设计[M].江西：江西科学技术出版社，2002