針對汽車多楔輪在旋壓成形過程中需要整體成形齒形區(qū)域且齒形區(qū)域難成形的特點，通過采用四道次旋壓成形工藝方案并采用基于SIMUFACT的有限元模擬和實驗相結合的方法對旋壓成形過程進行研究。針對在旋壓成形過程中齒頂部位容易出現局部欠料的現象，通過優(yōu)化二道次旋平輪結構，采取預開圓型槽逐步聚料的方式，改善旋齒過程中齒頂區(qū)域材料金屬流動。后續(xù)生產試制，在多工位旋壓機上進行試驗，結果零件成形質量良好，驗證了該旋壓成形方案的可行性。傳統多楔輪加工方式主要以采用鑄造、鍛造工藝為主。傳統加工方式生產的多楔輪缺陷多，材料利用率低，亟需開發(fā)新的成形工藝。旋壓成形屬于連續(xù)、逐點的塑性變形，能夠有效保證零件精度和性能，因而適用于多楔輪的高性能成形制造。
多楔輪旋壓成形工藝分析
零件工藝分析
多楔帶輪的結構特征如圖1所示，該零件具有典型多楔且整體壁厚分布不均的特點。在零件旋壓成形方案的制定上，旋壓成形方案中模具工藝參數設計及旋壓道次設定都影響零件整體成形質量，設計模具工藝參數不匹配將導致：上下凸筋充填不飽滿；齒形區(qū)域成形不一；上凸筋下側內圓弧處出現折疊導致微裂紋；上下端面飛邊過多材料利用率低等缺陷。
旋壓成形方案
旋壓成形該多楔輪屬于特種旋壓技術，預制坯（圖2）原始板厚為3.5mm，利用一道次預成形輪使預制坯金屬產生聚料的效果，使預制板坯材料轉移到旋輪過渡圓型槽，板坯整體成形為過渡圓弧狀。二道次成形采用平輪作用于過渡狀圓弧成形上下凸筋，三道次預成形齒形，四道次整形齒形及上下凸緣。該旋壓成形工藝其所得多楔輪金屬分布更加均勻，可以避免沖壓拉深造成的上下凸筋欠料，減少機械加工余量，降低成本。
旋壓成形中齒頂缺陷
基于現有的旋壓成形工藝對多楔輪試制生產，在針對試制的多楔帶輪進行質檢，在測量時發(fā)現齒頂部位常常出現欠料現象，如圖3所示。齒頂欠料現象產生的原因與下列因素有關：預制坯整體壁厚分布不均勻，導致零件在后續(xù)三四道次旋壓成形中成形齒頂材料金屬不足；在兩道次旋齒成形過程中齒頂區(qū)域金屬流動趨勢發(fā)生畸變，趨勢不一致產生欠料現象。
工藝優(yōu)化及有限元分析
旋輪工藝優(yōu)化
圖4所示為改進后二道次旋輪結構及成形效果示意圖，在二道次旋平輪上預先開設圓槽，采用預先成形小圓弧過渡聚料來對齒形成形區(qū)域進行逐步聚料。采用小圓弧過渡聚料的原因是因為一方面：采取小圓弧過渡聚料可以彌補預制坯整體壁厚分布不均勻；預先開設型槽可以改善齒頂區(qū)域金屬流動，使得金屬向齒頂成形區(qū)域流動。
有限元模型建立及分析
采用SIMUFACT有限元分析軟件對板坯三四道次旋齒成形過程進行數值模擬。選取牌號為AISI-1008厚度為3.5mm的預制板坯。旋輪與板坯之間設定為庫侖摩擦，摩擦系數取0.05，旋輪進給速度為2mm/s，芯模轉速為200rpm。板坯與芯模溫度20℃，芯模與工件之間設置摩擦系數0.3。設置上下芯模帶動板坯做自轉，旋輪徑向進給運動。具體有限元模型如圖5所示。
圖6所示為三道次預成形齒過程圖。在成形前期可以看出旋輪先整體作用于板坯，使二道次預先成形的小圓弧部位先隆起。可以避免由于齒形區(qū)域先與旋輪接觸的金屬流動速度較快，齒中部未與旋輪接觸金屬流動慢所導致的金屬欠料現象。在成形過程中期預旋齒輪齒形區(qū)域作用于整個板坯，此時金屬沿徑向流動發(fā)生急劇變形且成齒區(qū)流動速度較快，逐漸成形齒區(qū)。在成形后期，預旋齒輪與板坯完全貼模，此時齒形區(qū)域應力值最大。圖7為四道次終旋齒成形過程圖。該道次終旋齒過程為齒形部位整形過程，在預成形齒成形基礎上對成形金屬進行精整形，如圖所示齒形部位充填飽滿，基本達到零件尺寸要求。
