帶輪作為一種重要的傳動(dòng)零件， 廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、農(nóng)機(jī)、水泵以及機(jī)床等機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)中。帶輪傳統(tǒng)加工方法是采用鑄、鍛毛坯經(jīng)切削加工而成，特點(diǎn)是浪費(fèi)材料、生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品具有精度低、笨重、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大等缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，鍛壓及旋壓技術(shù)以其節(jié)能節(jié)材、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品性能好、合格率高等優(yōu)點(diǎn)，逐步推廣應(yīng)用到帶輪的實(shí)際生產(chǎn)中。
帶有凸臺(tái)的多楔帶輪的成形采取鍛壓與旋壓相結(jié)合的成形工藝，而關(guān)于影響復(fù)雜結(jié)構(gòu)多楔帶輪成形質(zhì)量的工藝參數(shù)，并沒(méi)有明確的研究結(jié)果可以參考，故零件生產(chǎn)多結(jié)合有限元模擬和試驗(yàn)分析得到較為合適的參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步的優(yōu)化。根據(jù)材料的拉伸系數(shù)計(jì)算拉伸道次，結(jié)合沖壓與鍛造技術(shù)并采用有限元模擬軟件DEFORM-3D進(jìn)行數(shù)值模擬，分析成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布，為鍛壓成形多楔帶輪的實(shí)際生產(chǎn)提供參考。
零件結(jié)構(gòu)分析
帶有凸臺(tái)的多楔帶輪結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，在旋壓成形多楔齒之前需經(jīng)過(guò)鍛壓成形內(nèi)筒及凸臺(tái)，其中凸臺(tái)的成形難度較大。多楔帶輪材料為DD13鋼，基本力學(xué)性能如下：屈服強(qiáng)度為325MPa，密度為7.851g/cm3，彈性模量為205GPa，泊松比為0.29。
鍛壓成形工藝分析
根據(jù)體積不變?cè)恚肞ro/Engineer對(duì)多楔帶輪體積進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮預(yù)留加工余量，確定選用厚度為3mm，直徑為206mm的板坯進(jìn)行制坯。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定其鍛壓成形工藝路線：多道次拉深成形內(nèi)筒→冷鍛內(nèi)筒→成形凸臺(tái)→成形外圓弧。
內(nèi)筒的多道次拉深成形工藝參數(shù)可查詢沖壓手冊(cè)，為盡可能降低板坯減薄程度，設(shè)計(jì)三道次拉深成形內(nèi)筒。通過(guò)查閱帶凸緣拉深系數(shù)表并且結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)第一次拉深系數(shù)m1=0.52。由拉深系數(shù)計(jì)算公式：
其中，m為拉深系數(shù)，d為筒壁直徑(mm），D為毛坯直徑(mm）。計(jì)算得首次拉深直徑為d1=107mm。后兩道次拉深系數(shù)通過(guò)查詢沖壓手冊(cè)并結(jié)合實(shí)際取m2=0.75，m3=0.77。故拉深直徑分別為d2=80mm，d3=61.3mm。凹模圓角半徑的計(jì)算公式如公式2所示：
其中，t 為坯料厚度(mm），D 為毛坯直徑(mm），d為第一次拉深后筒壁直徑(mm）。計(jì)算出第1次拉深中凹模圓角半徑r1為14mm。由此可確定出后續(xù)拉深的凹模圓角半徑為：r2=10mm，r3=7mm。由于內(nèi)筒的成形屬于變薄拉深，在經(jīng)過(guò)三道次的拉深成形之后需經(jīng)過(guò)冷鐓工步對(duì)內(nèi)筒筒壁增厚，故前三道次的拉深高度需大于零件內(nèi)筒的圖紙尺寸，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)前三道次拉深高度為h=24mm。
有限元模型建立
利用Pro/Engineer建立工件和各道次模具的三維模型，基于Deform-3D軟件對(duì)多道次成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析，模擬采用“SI”公制單位，實(shí)際生產(chǎn)中材料為DD13，模擬選擇材料庫(kù)中與之相近的AISI-1008，坯料設(shè)置為塑性體，模具為剛性體，網(wǎng)格數(shù)量劃分為150000個(gè)，并運(yùn)用局部網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)對(duì)坯料中間部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化分。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際將摩擦因數(shù)設(shè)置為0.12，沖壓速度為10mm/s，溫度為20℃。圖3所示為第一道次模具結(jié)構(gòu)。
模擬結(jié)果分析
第一道次至第三道次有限元模擬的等效應(yīng)變分布如圖4所示。由圖4(a）可見(jiàn)應(yīng)變值較大處出現(xiàn)在內(nèi)筒上下圓角處，即內(nèi)筒上下圓角處變形程度較大。由于第二道次和第三道次的拉深高度不再變化，只在筒徑上發(fā)生變化，故內(nèi)筒的上側(cè)圓角處應(yīng)力較為集中，如圖4(b）和圖4(c）所示。第三道次筒徑縮小到61.3mm，已近似于零件內(nèi)筒直徑61mm，此時(shí)內(nèi)筒圓角及筒壁處壁厚發(fā)生了減薄。有限元模擬過(guò)程中未出現(xiàn)刮料、折疊缺陷，成形質(zhì)量較好。
第四道次冷鐓成形內(nèi)筒。由于前三道次的拉深使內(nèi)筒筒壁及圓角處有所減薄，所以冷鐓內(nèi)筒的目的是增厚內(nèi)筒筒壁及內(nèi)筒上側(cè)圓角以保證后續(xù)零件的成形質(zhì)量。冷鐓工藝是一種精密塑性成形技術(shù)，具有制品的機(jī)械性能好、生產(chǎn)率高和材料利用率高，特別適合于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。由圖5等效應(yīng)變分布圖可知，坯料內(nèi)筒上圓角處應(yīng)變值較大，因上圓角處圓角半徑較大，在上模下壓時(shí)坯料上圓角處與下模發(fā)生刮蹭，故出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。從成形結(jié)果上看內(nèi)筒筒壁及上側(cè)圓角處金屬充填飽滿，滿足后續(xù)加工要求。鍛壓成形過(guò)程中最大載荷出現(xiàn)在該道次，第四道次載荷圖如圖6所示，最大載荷為184噸。
