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(jié)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(xiàn)局部欠料的現(xiàn)象，通過優(yōu)化二道次旋平輪結(jié)構(gòu)，采取預(yù)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(chǎn)試制，在多工位旋壓機上進行試驗，結(jié)果零件成形質(zhì)量良好，驗證了該旋壓成形方案的可行性。傳統(tǒng)多楔輪加工方式主要以采用鑄造、鍛造工藝為主。傳統(tǒng)加工方式生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)計及旋壓道次設(shè)定都影響零件整體成形質(zhì)量，設(shè)計模具工藝參數(shù)不匹配將導(dǎo)致：上下凸筋充填不飽滿；齒形區(qū)域成形不一；上凸筋下側(cè)內(nèi)圓弧處出現(xiàn)折疊導(dǎo)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(shù)，預(yù)制坯（圖2）原始板厚為3.5mm，利用一道次預(yù)成形輪使預(yù)制坯金屬產(chǎn)生聚料的效果，使預(yù)制板坯材料轉(zhuǎn)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(yù)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(xiàn)有的旋壓成形工藝對多楔輪試制生產(chǎn)，在針對試制的多楔帶輪進行質(zhì)檢，在測量時發(fā)現(xiàn)齒頂部位常常出現(xiàn)欠料現(xiàn)象，如圖3所示。齒頂欠料現(xiàn)象產(chǎn)生的原因與下列因素有關(guān)：預(yù)制坯整體壁厚分布不均勻，導(dǎo)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(chǎn)生欠料現(xiàn)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(jié)構(gòu)及成形效果示意圖，在二道次旋平輪上預(yù)先開設(shè)圓槽，采用預(yù)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(yù)制坯整體壁厚分布不均勻；預(yù)先開設(shè)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(shù)值模擬。選取牌號為AISI-1008厚度為3.5mm的預(yù)制板坯。旋輪與板坯之間設(shè)定為庫侖摩擦，摩擦系數(shù)取0.05，旋輪進給速度為2mm/s，芯模轉(zhuǎn)速為200rpm。板坯與芯模溫度20℃，芯模與工件之間設(shè)置摩擦系數(shù)0.3。設(shè)置上下芯模帶動板坯做自轉(zhuǎn)，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(yù)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(yù)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(dǎo)致的金屬欠料現(xiàn)象。在成形過程中期預(yù)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(yù)旋齒輪與板坯完全貼模，此時齒形區(qū)域應(yīng)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(yù)成形齒成形基礎(chǔ)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。
