（材料加工工程专业论文）直壁双筒类零件特种旋压成形工艺研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥j i = 业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 乒万次 砩岛 委员：诱免职俅穆只豸参招了孚寺 越故俞舍妞营f 豇南易捱 新：峦苹 o i 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弦壶复签字日期：矽- f 年明嘭日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆王业太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：狄妥唤 签字日期：z d i1 年华月y 占日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 3 名雷军 签字日期：功1 1 年“月诺日 电话： 邮编： 直壁双筒类零件特种旋压成形工艺研究 摘要 直壁双筒类零件是工业生产中一种重要的动力传送零件。其应用范围很广， 如各种农业机械、矿山机械、纺织机械的动力的传动与输出，离合器带轮，车 用、船用传动皮带轮等均属于直壁双筒类零件。旋压技术作为一种先进的成形 工艺，近年来逐渐应用于直壁双筒类零件的成形研究中，并以其重量轻、强度 高、材料利用率高等优点越来越受到人们的重视。 本文以汽车空调电磁离合器皮带轮的为对象，研究一种特种旋压工艺一一 铲旋。采用边铲边旋边堆聚的方法成形出内外直筒壁。最后运用劈开式旋压工 艺成形出皮带轮槽。根据成形零件特点，建立成形各个阶段的数值分析模型。 利用d e f o r m 软件对皮带轮成形的各个阶段进行数值模拟，研究了成形过程 中的金属流动规律、应力应变分布、成形缺陷的产生及预防。对铲旋工艺的成 形机理进行了分析和研究，为合理制定工艺参数匹配奠定了基础。 研究了不同工艺参数对皮带轮成形过程的影响，得到了进给比、主轴转速、 旋轮圆角半径和摩擦系数等对内外直筒壁和外围皮带轮槽成形时的应力应变分 布情况的影响规律，以及材料流动对内外直筒壁高度、厚度和皮带轮槽、轮齿 精度的影响。最后对出现的材料隆起、壁高壁厚不均匀、旋压飞边、波纹等缺 陷的成因进行了分析，并提出了改进措施。 针对本次成形的重点和难点，以内外直筒的外形精度为评判标准，通过正 交表对各因素进行分配，对各个参数进行优化，通过正交试验得到了不同参数 对直筒壁外形精度的影响关系，获得最佳的工艺参数组合。 关键词：皮带轮；特种旋压；劈开式旋压；数值模拟；正交试验 4 a b s t r a ct v e r t i c a lw a l la n dd o u b l ec y l i n d e rp a r t sa sa ni m p o r t a n tp o w e rc o n v e c t i o np a r t i ni n d u s t r yp r o d u c t i o n i tu s u a l l yu s e di nv a r i o u sm e c h a n i z a t i o no ff a r m i n g 、 s p i n n i n g ，m i n em e c h a n i s m ，c l u t c hp u l l e y ，c o n v e c t i o np u l l e yo fa u t o m o b i l ea n d s t e a m b o a t t h e s ep a r t sa r ea l lp a r to fv e r t i c a lw a l la n dd o u b l ec y l i n d e rp a r t s a sa n a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , s p i n n i n gi sg r a d u a l l yu s e di nt h es t u d yo ft h i s k i n do fp a r t si nr e c e n ty e a r s i ti sg a i nm o r ea n dm o r er e c o g n i t i o ni nt h ef u t u r ed u e t oi t sp r e d o m i n a n c eo fg e n t l yw e i g h t 、h i g hi n t e n s i o na n dh i g hm a t e r i a lu s i n gr a t i o t h i sp a p e rt a k ep u l l e yo fa u t o m o b i l ea i r c o n d i t i o nc l u t c ha st h es t u d yo b jc o t e m p o l d e ras o r to fs p e c i a lt y p es p i n n i n gw h i c hc a l l e d s h o v e ls p i n n i n g u s i n g s h o v e l i n ga n ds p i n n i n ga tt h es a m et i m et om a k et h em a t e r i a ls t a c k ，a n df o r m i n g t h ei n s i d ea n do u t s i d ev e r t i c a lw a l l a tt h el a s tu s i n gt h es p l i t t i n gs p i n n i n gt o f o r m i n gt h eo u t s i d ea n n u l a rg r o o v e b a s e dt h ef i g u r eo ft h ep a r t ，f o u n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo fe a c hp h a s ef o r m i n gp r o c e s s u s i n gt h es o f t w a r eo f d e f o r mt os i m u l a t i n gt h ef o r m i n gp r o c e s s ，a n ds t u d y i n gt h e f l o w i n gr u l eo f m a t e r i a l 、d is t r i b u t i o no fs t r e s sa n ds t r a i n 、t h ec a u s a t i o na n dp r e v e n tm e a s u r eo f f o r m i n gd i s f i g u r e m e n t a n a l y z e dt h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fs h o v e ls p i n n i n g ，a n d s e t t l e dt h ef o u n d a t i o no fc h o o s i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r s s t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r sf o rf o r m i n gp r o c e s s ，g a i n e dt h e f e e dr a t i o 、r a d i u so f r o l l e r sr o u n d 、r o t a t i o n a ls p e e do f m o u l d 、r u bc o e f f i c i e n to n t h i c k n e s sa n dh e i g h tp r e c i s i o n 、s t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o no fi n s i d ea n do u t s i d e v e r t i c a lw a l l 、o u t s i d ea n n u l a rg r o o v e t h e nt a k et h es t u d yo ff o r m i n gd i s f i g u r e m e n t s u c ha sm a t e r i a la p o p h y s i s ，a s y m m e t r yo ft h i c k n e s sa n dh e i g h t ，s p i n n i n gc o m e r ， s p i n n i n gr i p p l ea n ds oo n a n dp u tf o r w a r dr e l e v a n ta m e l i o r a t em e a s u r e a i m e da tt h ei m p o r t a n ta n dd i f f i c u l to ft h i ss t u d y u s i n gt h es h a p ep r e c i s i o na s j u d g es t a n d a r d b yu s i n go r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o di nt h ed i s t r i b u t i o no ff o r m i n g t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h ep a p e rh a sc a r r i e do u to p t i m i z i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r i n v i r t u eo fd e g r e eo fw a l lh e i g h ta n dt h i c k n e s sp r e c i s i o n ，t h ei n f l u e n c eo fs p i n n i n g f o r m i n gq u a l i t yw h i c hw a sb o u g h ta b o u tb yf o r m i n gp a r a m e t e r sh a v eb e e ns t u d i e d w i t ht h em e t h o do fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h eb e s ta p p r o p r i a t em a t c h i n gp r o c e s s p a r a m e t e r sh a v eb e e na c h i e v e di nt h ef i e l do ft h ee l e c t i v ep a r a m e t e r s k e y w o r d s ：p u l l e y ；s p e c i a lt y p es p i n n i n g ；s p l i t t i n gs p i n n i n g ：n u m e r i c a ls i m u l a t e d ； o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 5 目标。研究当中，她给予我的鼓励使我有勇气去面对任何困难，给予我的指导 使我受益终身。她和蔼可亲、平易近人的为人值得我永远尊敬，她无私奉献、 教书育人的敬业精神是我追随的榜样，能做李老师的学生是我一生的荣幸。 特别感谢薛克敏老师! 薛老师在课题理论研究及论文写作当中对我的悉心 指导和在生活上给予的帮助，在此深深谢过。 真诚感谢同课题组的许锋博士、王晓溪博士、国宁博士在论文的选题及数 值模拟等方面提出了十分宝贵和实用的建议。 在这里还要感谢我的师兄贾建磊、唐勇、李琦、吴战立等对我的课题研究 及软件学习中的指导与帮助；感谢我的同窗王刚、李晓、章凯、王成、曹婷婷、 张倩倩、王岗超、朱广余以及实验室的钱陈豪、徐寅强、郭福林等师弟师妹所 给予的帮助和支持。同时，感谢0 8 级0 9 班全体同学在生活上给予我的关心、 帮助以及学业上的指点。 最后感谢我的父母和家人，感谢他们对我生活无微不至的关怀，对我工作 不断的鼓励和无条件的支持，是他们关怀，促使我不断努力前行。 感谢所有关心和帮助我的老师、朋友和家人1 6 作者：张宾宾 2 0 1 1 年3 月2 0 日 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 皮带轮的成形工艺1 1 2 1 常规加工工艺_ 一2 1 2 2 旋压法2 1 3 皮带轮成形工艺的比较3 1 4 旋压技术概况一4 1 4 1 旋压技术简介4 1 4 2 特种旋压成形技术一一“铲旋 的概况5 1 5 课题研究的背景、意义及主要内容7 1 5 1 课题研究的背景和意义7 1 5 2 课题研究的主要内容7 第二章弹塑性有限元法的基本原理9 2 1 引言9 2 2 弹塑性有限元理论l o 2 2 1 弹塑性有限元数学理论1 0 2 2 2 弹塑性有限元的求解方法1 1 2 3 本章小结13 第三章皮带轮旋压成形工艺分析及数值模拟1 4 3 1 引言1 4 3 2 皮带轮旋压成形工艺分析及参数选择1 5 3 2 1 成形工艺分析。1 5 3 2 2 过程工艺参数的选择1 6 3 。2 2 1 主轴转速1 3 1 6 3 2 2 2 进给量f 1 6 3 2 2 3 旋轮几何形状16 3 2 2 4 摩擦系数的影响1 8 3 3 有限元模型的建立19 3 3 1 离散化模型1 9 3 3 2 边界条件的确定2 0 3 3 3 摩擦条件的设定2 1 3 4 内直筒壁成形模拟结果及分析2 l 3 4 1 材料流动分析21 3 4 2 应力应变分析：2 2 7 3 8 本章小结3 1 第四章工艺参数对皮带轮成形过程的影响3 2 4 1 引言3 2 4 2 工艺参数对直筒壁成形的影响3 2 4 2 1 进给比对内外直筒壁成形的影响3 2 4 2 1 1 对外形精度的影响3 3 4 2 1 2 对成形旋压力的影响3 5 4 2 2 旋轮圆角半径对成形过程的影响：3 5 4 2 2 1 对外形精度的影响3 6 4 2 2 2 对成形旋压力的影响3 7 4 2 3 主轴转速对成形过程的影响。3 7 4 2 3 1 对外形精度的影响3 8 4 2 3 2 对成形旋压力的影响3 9 4 2 4 摩擦系数对成形过程的影响3 9 4 2 4 1 对外形精度的影响4 0 4 2 4 2 对成形旋压力的影响4 1 4 3 工艺参数对皮带轮槽成形的影响4 2 4 3 1 进给比对外形精度的影响4 2 4 3 2 进给比对成形旋压力的影响4 3 4 3 3 主轴转速对外形精度的影响4 3 4 3 4 主轴转速对成形旋压力的影响4 4 4 4 摩擦系数对成形的影响4 5 4 5 本章小结4 6 第五章基于正交实验的皮带轮旋压成形参数优化4 7 5 1 引言4 7 5 2 正交试验4 7 5 2 1 正交试验原理4 7 5 2 2 极差分析4 8 5 2 3 试验设计4 8 5 3 极差分析5 1 5 4 本章小结5 6 第六章结论与展望5 8 6 1 结论5 8 6 2 后续展望5 9 参考文献6 0 硕士期间发表的学术论文6 2 9 插图清单 图1 1 汽车空调离合器皮带轮l 图1 2 汽车空调离合器皮带轮铲旋过程中材料流动变形情况2 图1 3 直壁双筒类零件铲旋过程中直筒壁的成形3 图l _ 4 旋压原理图5 图1 5 汽车空调电磁离合器皮带轮旋压工艺流程6 图3 1 皮带轮零件图1 5 图3 2 皮带轮成形的初始坯料和最终零件1 6 图3 3 异形件强力旋压旋轮1 7 图3 - 4 铲旋旋轮形状及结构要素1 7 图3 5 多楔轮的形状参数1 8 图3 6 皮带轮旋压成形各个阶段有限元模型2 0 图3 7 内直筒壁成形过程中不同阶段的材料流动情况2 1 图3 8 皮带轮内直筒壁的成形结果2 2 图3 - 9内直筒壁成形不同时刻的等效应力分布2 2 图3 1 0 内直筒壁成形过程中的等效应变分布2 3 图3 1 l 外直筒壁成形过程中不同阶段材料流动情况2 4 图3 1 2 外直筒壁的成形结果。2 5 图3 1 3 第二阶段成形不同时刻的等效应力分布2 5 图3 1 4 外直筒壁成形不同时刻的等效应变分布2 6 图3 1 5 不同阶段皮带轮凹槽的成形。2 7 图3 1 6 不同阶段皮带轮凹槽的成形时的外缘2 7 图3 1 7 皮带轮槽的最终成形2 7 图3 1 8 皮带轮槽成形的应力和应变分布2 8 图3 1 9 三角形轮槽不同时刻的成形2 8 图3 2 0 不同阶段三角形轮槽的成形时的外缘2 8 图3 2 1 三角形轮槽成形的应力和应变分布2 9 图3 2 2 内直筒壁成形过程坯料上一点的应力应变变化趋势3 0 图3 2 3 外直筒壁成形过程坯料上一点的应力应变变化趋势3 0 图3 2 4 皮带轮槽成形过程坯料上一点的应力应变变化趋势3l 图4 1 进给比对直筒壁外形精度的影响3 3 图4 2 成形高度不足及旋压飞边3 4 图4 3 内外直筒壁成形过程中的金属隆起3 5 图4 4 进给比对直筒壁成形旋压力的的影响3 5 图4 5 对直筒壁外形精度的影响。3 6 图4 6 对直筒壁成形旋压力的影响3 7 l o 筒壁外形精度的影响3 8 形旋压力的影响3 9 筒壁外形精度的影响4 0 “啃料”现象4 1 形旋压力的影响4 1 图4 1 2 进给比对皮带轮槽外形精度的影响4 2 图4 13 凸缘内壁的褶皱。4 2 图4 1 4 进给比对成形旋压力的影响4 3 图4 1 5 不同转速下成形结束时凹槽表面的旋压波纹j 4 4 图4 1 6 不同转速对成形旋压力的影响4 4 图4 1 7 齿形成形不均匀4 5 图4 1 8 不同摩擦系数对成形旋压力的影响4 5 图5 一l各因素对内筒壁高度的影响趋势图5 2 图5 2 各因素对外筒壁高度的影响趋势图5 3 图5 3 各因素对内筒壁壁厚偏差的影响趋势图5 4 图5 - 4 各因素对外筒壁壁厚偏差的影响趋势图5 5 表格清单 表1 1 几种皮带轮成形工艺的比较4 表3 1 内外直筒壁的成形工艺参数1 9 表3 2 外围皮带轮槽的成形工艺参数1 9 表4 1 皮带轮成形时各参数的选择3 2 表5 1 正交试验安排表4 9 表5 2 内直筒壁的成形结果4 9 表5 3 外直筒壁的成形结果5 0 表5 - 4 内直筒壁成形过程中对筒壁高度的影响5 1 表5 5 外直筒壁成形过程中对筒壁高度的影响5 1 表5 6 内直筒壁成形中各水平对壁厚偏差的影响5 3 表5 7 外直简壁成形中各水平对壁厚偏差的影响5 3 表5 8 内直筒壁成形极差分析后最优参数组合5 5 表5 - 9 外直筒壁成形极差分析后最优参数组合5 6 表5 1 0 内筒壁成形试验结果5 6 表5 1 1 外直筒壁成形试验结果5 6 1 2 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着汽车工业的飞速发展，我国逐渐由汽车生产大国向生产 强国转变，而在我国汽车工业结构的转型过程中，由于国际市场的激烈竞 争、汽车燃料和原材料成本的增加以及环保法中对汽车尾气排放的限定， 使传统的汽车制造方法难以适应汽车工业未来发展的要求。因此，在汽车 制造业朝着减重、节能、环保、舒适、安全等趋势发展的过程中，汽车关 键零部件生产工艺的更新换代成为研究的重点【l 】。 直壁双筒类零件是一种常见零件，应用范围很广，如离合器带轮，车 用、船用柴油机减振器带轮等均属于直壁双筒类零件。其特点是筒壁较厚， 对同心度要求高，且外筒常带有皮带轮槽，加工难度很大。常规的加工工 艺要经过锻、焊、车、铣等多道工序，材料利用率低，能耗大，成本高。 挤压加工时金属同时向双壁高度方向转移，流动非常困难，挤压力很高， 模具和设备都难以承受。 汽车空调电磁离合器皮带轮作为一种典型的直壁双筒类零件，在汽车 行业是一种重要的机械传动零件【2 】。其形状如图1 1 所示，其内部的直壁 筒在工作中安装轴承，外部直壁筒外筒带有皮带轮v 型槽。其结构上特点 是：零件壁的厚度较一般套筒件厚；零件的主要表面为同轴度要求很高的 内外圆表面；零件直径一般大于零件高度等。 旋压带轮的成形技术是近几年发展起来的先进的成形技术，以其精度 高、节能、动平衡好、无环境污染等克服了传统制造工艺的缺点，并逐渐 淘汰了铸铁等传统皮带轮【3 】，实现了皮带轮的轻量化。 搋砖：”o ， 图1 1 汽车空调离合器皮带轮 1 2 皮带轮的成形工艺 目前生产汽车空调电磁离合器带轮的成形工艺分为常规加工工艺和旋 压法。 1 2 1 常规加工工艺 ( 1 ) 铸造成形，皮带轮的铸造分为离心铸造和熔模铸造。离心铸造是 将熔融金属浇入绕水平、倾斜或垂直轴旋转的铸型，在离心力作用下，凝 固成形的铸件轴线与旋转铸型轴线重合的铸造方法。一般的圆筒形零件多 用离心铸造，可以获得无缩孔、气孔、夹渣的铸件。当铸造圆形中空零件 时，可以省去型芯。熔模铸造又称精密铸造，适合基本后期不加工或少量 再加工而形状复杂的零件，但是它的铸造成本比较高【4 】。 ( 2 ) 锻造毛坯，再采用机加工车、铣、磨等工序制成。这种生产方式 工序多、工时长、材料利用率极低，只有4 5 左右，而且车削加工导致零 件材料不连续，降低了零件实用强度。 ( 3 ) 采用圆形坯料先冲压分别获得内筒和外筒，再将内、外筒与法兰 盘焊接。这种生产方式容易产生焊接缺陷，而且内、外筒的同心度不容易 保证，斜向圆跳动量较大，工件的动平衡性差。 以上几种加工方式都不能在外筒上成形出皮带轮槽，因此还需要增加 车削带轮槽的辅助工序。目前日本、德国等国家的已经采用旋压法生产汽 车空调电磁离合器，国内的皮带轮生产厂家大多采用采用铸件和棒料车削 而成，与底座法兰盘焊接以后整体性能和外观质量均比较差。 1 2 2 旋压法 旋压作为一种成形金属空心回转体件的工艺方法【5 】。目前，旋压制品 逐渐有从薄壁回转体零件向中厚板复杂件方面拓展的趋势，因此对旋压工 艺的发展提出了更高的要求。对于汽车空调电磁离合器来说，常规的旋压 工艺难以加工出如此复杂的零件。因此，在常规旋压理论以及零件结构基 础上，研究出一种新的特种旋压成形技术一一“铲旋，即采用边铲边旋 边堆聚的方法，直接从平板毛坯铲旋出直壁双筒类零件【6 】。如图1 2 所示。 螭汝j ； _ 幽- - _ _ _ 日_ - _ q - _ _ _ _ _ 嗍、- “h 自脚k _ “- _ h * - _ _ _ 蜊_ - _ _ _ 确_ _ 、 _ 栩- 嘲嘲_ - 喇蝌嘲由蚺_ 嘲嘲_ 蚺1i 姻峭黼嘲灿嘲嘲蝴黼鼬嘲蝌州础_ 喇 图1 2汽车空调离合器皮带轮铲旋过程中材料流动变形情况 德国和日本的直壁双筒类带轮已采用旋压方式成型，但是技术保密。 经过实践证明，与常规的旋压方法不同，铲旋能直接从平板毛坯旋制出双 2 筒直壁零件。如图1 3 所示。保证了零件的整体性，避免焊接缺陷，而且 材料利用率高达9 6 以上，加工效率也远高于切削加工，原材料和加工工 时节省2 3 以上，并且旋压出来的零件比车削的要轻2 0 4 0 。 - 图1 3直壁双筒类零件铲旋过程中直筒壁的成形 目前从国内的文献或资料上还没有找到关于铲旋理论及其工艺描述。 相关工艺理论研究尚处于探索起步阶段。为了用特种旋压工艺加工复杂的 零件，特别是如空调电磁离合器皮带轮这样带内外圆筒、带轮槽的零件， 直接用厚钢板圆坯料旋制成形，有很多关键技术和相关的理论需要深入研 究，如何使金属朝筒形壁部流动，工艺参数如何选取，旋轮轨迹如何确定， 金属材料如何分配等。人们对常规旋压理论方面的研究已经趋于成熟，但 是对于特种旋压、特殊要求的旋压理论方面研究较少。在国外，日本的叶 山益次郎【_ 7 】等学者对铲旋理论进行过相关的研究。w k i m 8 】对直壁厚筒类 零件旋压过程中材料流动的基础进行了研究，通过实验分析了直壁筒和轮 槽劈开式旋压过程中金属流动情况，对劈开式旋轮的工作状况、疲劳强度、 残余应力情况进行了研究。龟井丈广p 】对金属回转成形过程中的金属流动 规律进行了研究，分析了不同成形参数对制品形状的影响规律等。这些研 究对铲旋理论的研究和完善，促进一些形状复杂的中厚板复杂件旋压技术 的发展，起了很好的促进作用。 1 3皮带轮成形工艺的比较 特种旋压成形皮带轮的工艺已经在国内一些企业得到了应用，并且取 得了良好的效果。旋压成形新工艺同其他几种传统工艺的比较如表1 1 所 示。 表1 1 几种皮带轮成形工艺的比较 制造方法优点缺点发展前景与产品附加值 成形容易，可制成成本高，浪费材料，不能成形 不符合汽车轻量化发展要 铸造成形 形状复杂而理想 出轮槽。需要后续加工，效率 求，产品附加值较低 的制件低，精度差，重量较重 后续工序多、材料利用率低，在市场占主导地位，不符合 工艺性好，制件重 锻造成形零件实用强度低，轮槽需要另汽车轻量化的发展要求，产 量轻，废品率低 加工，对模具和设备要求高品附加值较低 易产生焊接缺陷，质量与精度 冲压 工艺性好，重量不符合汽车轻量化发展要 不能保证，对环境有污染，轮 焊接成形轻，强度高求，产品附加值较低 槽需要另加工 材料利用率高，生 铲旋成形机理尚不清楚，工艺符合汽车轻量化发展要去， 产工序少，精度 旋压成形不成熟，处于研制和试生产阶 产品附加值最高 高，无或较小的后 段 续加工量，成本低 从表1 1 中可以看出，对于旋压成形工艺与其它成形技术相比有几项 明显优点： ( 1 )能直接从平板毛坯旋制出双简直壁零件，属于一次成形，制件 的整体性较好，重量更轻； ( 2 )钢板整体成形，受力结构好、旋压后表面强度和硬度增强，外 形结构精巧，皮带轮的表面和尺寸精度较高； ( 3 )简化加工工序，加工效率远高于切削加工，原材料和加工工时 节省2 3 以上，并且旋压出来的零件比车削的要轻2 0 4 0 。后续加工量 少，材料利用率高达9 6 以上，生产成本大大降低； ( 4 )减少了焊接过程对环境的危害，符合减重、节能、环保的汽车 零部件轻量化发展趋势。 1 4 旋压技术概况 1 4 1旋压技术简介 4 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - 。1 。1 。 具与鬈嚣毳嘉羞喜# 茇篙藿 具旋转或旋压工具绕坯料旋转过程中，旋压工 坯料受压并产生连续、逐点的变形【1 0 1 3 】。如图 1 4 所示。 旋压是综合锻造、挤压、拉伸、弯曲等工艺特点的少无切削加工工艺， 其产品具有精度高、性能好、原材料消耗少等优势。 的，它能成形出用普旋和强旋工艺无法加工的零件。其中“铲旋 就是特 种旋压成形工艺的一种。它是专门用来成形壁厚较厚的直壁双筒类零件， 比如说汽车电磁空调离合器皮带轮。“铲旋”就是采用边铲边旋边堆聚的 方法，直接从平板毛坯成形出双圆筒形。还要在外筒旋出多v 形槽，金属 的流动转移是大范围、大体积、远距离的。实现了对传统工艺的更新换代， 实现了以旋代锻，以旋代切，以旋代焊，简化了工艺。符合汽车零部件制 造技术轻量化的发展趋势。汽车空调电磁离合器皮带轮铲旋工艺流程如图 1 5 所示。 p 皿j 虹 图1 5汽车空调电磁离合器皮带轮旋压工艺流程 “铲旋 工艺相对于传统工艺来说，其优势主要体现在【6 】： 1 理论创新：结合常规旋压理论以及产品的结构特点，提出一种新 的特种旋压技术“铲旋”，而用一般的普旋或强旋工艺是无法实现的，该成 形工艺从理论上对原有旋压工艺的补充、是旋压工艺上的创新，丰富了旋 压理论体系，扩大了旋压工艺应用范围。它从根本上改变了汽车空调离合 器带轮的生产方式，凡是带底的筒形零件都可以用这种旋压方式加工，无 论是效率还是经济效益都是十分可观的。 2 技术创新：用新的旋压方式代替传统的汽车空调离合器带轮的生 产方式，直接将平板材料加工成离合器带轮。有两点技术创新： ( 1 ) 用“铲旋”工艺，即边铲边旋边堆聚的方法代替机床车削、铣切、冲 压、焊接等多道工序，一次旋压过程即能获得整体性好、综合性能高的壳 体类带轮零件，在零件表面质量、动平衡性、强度刚度等均优于机加工方 法。 ( 2 ) 用劈开式旋压工艺在外筒上旋出多v 型带轮槽，代替常规的车削 6 彩 一 硷 ， r 。1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - 。1 。1 加工方法，可保证槽角部位材料的连续性，提高该部位强度【1 6 。2 0 】。 1 5 课题研究的背景、意义及主要内容 1 5 1 课题研究的背景和意义 汽车工业在向环保、舒适、安全、节能的方向发展的过程中，汽车的 轻量化设计显得的尤为重要。因此，各汽车生产企业纷纷研究汽车零部件 成形的新工艺，来实现对传统工艺的升级换代。其中特种旋压成形技术是 汽车空调电磁离合器制造的发展趋势。特种旋压技术是全新的工艺，目前 关于铲旋的相关理论研究还不多见，部分企业仅通过不断的实验旋制出了 汽车空调皮带轮，但是实验周期过长，试验成本过高而且效率低下，没有 一套完成的成形工艺理论作为指导，也不利于在汽车工业中产业化生产。 本研究以汽车空调电磁离合器为研究对象，研究一种新的特种旋压成 形工艺一一“铲旋”。本项目拟对这种新型旋压技术进行成形理论的研究， 结合有限元模拟手段，丰富和完善铲旋理论。结合优化技术与设计经验寻 求工艺参数最佳组合，保证直壁双筒结构和外筒皮带轮槽的精确成形。通 过优化工艺参数和研究成形过程中的应力应变分布情况、金属的大范围、 大体积和远距离流动规律来制定一套较为完整的铲旋成形工艺理论体系。 国外的相关企业已经掌握了皮带轮铲旋成形的相关技术，但是技术垄断。 目前国内为汽车企业配套生产的皮带轮大多采用传统工艺生产【2 1 1 ，少部分 采用铲旋技术的企业也是靠实践经验来生产，导致成品合格率较低。我国 汽车年产量已经超过1 0 0 0 万辆，因此符合汽车轻量化的铲旋成形皮带轮 具有广阔的发展空间。该研究可以为相关企业的生产提供一套完整的工艺 理论作指导，推动铲旋技术在我国的普及应用，促进汽车零部件制造技术 的发展，具有很强的现实意义，也为旋制其它同类产品提供理论和技术指 导。 1 5 2课题研究的主要内容 本研究以汽车空调电磁离合器皮带轮为对象，立足于国际上先进的双 筒类带轮制造技术，开展铲旋理论的研究，结合日益成熟的有限元模拟技 术分析旋压过程，优化工艺参数，丰富铲旋理论。在此基础上改进现有工 艺，提高双筒类零件的成形质量。 1 利用有限元模拟软件d e f o r m 建立铲旋加工数值模拟力学模型， 分析边界条件非线性对弹塑性大变形的影响。研究铲旋过程中材料的流动 情况、塑性变形规律、可能产生的缺陷及解决方法等，以完善旋压理论体 系。 2 在研究旋制内外双筒这一技术难题的情况下，采用数学建模、数值 7 取应力场、应变场、及行程与载荷曲线等数据，继续研究在 何更加合理地分配金属体积，以更好地控制双筒各自的高度 响铲旋皮带轮成形工艺参数，并结合优化技术对双筒铲旋过 生产进程和质量的主要工艺参数( 如旋轮的形状参数、进给 量、进给速度等) 进行优化。为了更好的将理论应用于实际，还要考虑铲 旋过程中摩擦系数的影响规律。最终要获得各工艺参数对双筒类零件质量 的影响规律，制定合理工艺规范。 4 建立皮带轮轮槽部分成形的非线性有限元模型，分析劈开式带轮的 旋压理论及工艺，初步建立多楔轮旋压理论，分析不同工艺参数对成形效 果的影响，分析成形缺陷，并提出相应的预防措施。 第二章弹塑性有限元法的基本原理 2 1 引言 随着现代科技的进步，人们在不断的寻求更快的交通工具、更宏伟的 建筑、更大跨度的桥梁结构以及更为精密的大型机械设备。因此就要求设 计者在设计初期就要对结构的静力强度、动力强度、电磁、温度场以及流 场等技术参数进行分析计算，对产品的生产过程和技术指标进行更准确的 预测，从而节省时间，提高效率。近年来在不断发展的计算机技术和数值 分析支持下发展起来的有限元分析技术( f e mf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 为解 决这些复杂的工程分析计算问题提供了方便有效的方法【2 2 之3 1 。 有限元法是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合， 以求解连续体力学问题的数值方法。其基本思想就是将连续的求解域离散 为一组单元的组合体，单元之间用节点连接。用在每个单元内假设的近似 函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函 数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限 自由度问题变成离散的有限自由度问题【2 4 1 。 有限元法最早可上溯到2 0 世纪4 0 年代。c o u r a n t 第一次应用定义在三 角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解s t v e n a n t 扭转问题。现代 有限单元法的第一个成功的尝试是在1 9 5 6 年，t u r n e r 、c l o u g h 等人在分析 飞机结构时，首先使用有限元这个术语，并且推广应用于弹性力学平面问 题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。目前有限元己法 已经成为能处理几乎所有连续介质和场问题的的数值计算方法，这种方法 也被广泛应用于金属体积成形过程的分析中。成为解决金属塑性成形过程 问题高效能、常用的方法【2 5 1 。 金属的塑性成形过程是一个非常复杂的过程，这其中既有几何非线性、 又有材料非线性以及纷繁复杂的非线性边界接触条件，这些因素导致塑性 成形机理非常复杂，难以用准确的数学关系来进行描述。传统的塑性成形 的求解方法如主应力法、滑移线法和上限法是采用一些简化和假设条件， 因此对于一些复杂大变形过程来说，结果常常与实际有很大的偏差【2 6 1 。目 前有限元技术在金属塑性成形过程中被用来求解成形过程中的速度场、应 力和应变分布规律等，进行工件的受力分析，材料流动规律的研究及预测 成形缺陷等。根据金属本构方程的差异，有限元法在金属塑性成形过程中 的应用主要分为弹塑性有限元法和刚塑性有限元法【2 7 - 30 1 。 1 弹塑性有限元法 弹塑性有限元包括弹塑性和弹粘塑性两种。它主要被运用在弹性变形 无法忽略的金属变形过程。以p r a n d l t m i s e s 本构方程为基础，利用弹塑性 9 程序中采用的时间积分算法不同，弹塑性有限元的算法可分为：静力隐式 有限元、静力显式有限元、动力显式有限元三种。每一种方法都有其适用 范围和相应的不足。 2 刚塑性有限元法 对于一些变形量较大金属塑性成形过程，弹性变形量相对来说很小， 基本可以忽略不计，即可将材料视为刚塑性体。这样的话就大大简化了有 限元列式和计算过程。与弹塑性有限元法相比刚塑性有限元法没有把弹性 变形问题考虑在内，但是运行大变形的问题时可以缩短计算时间，提高效 率。刚塑性有限元法认为材料在成形区的入口及出口处是刚性的，而在变 形区内是塑性的。 2 2弹塑性有限元理论 弹塑性有限元法是六十年代末由m a r e a l 和山田嘉昭导出的弹塑性矩 阵而发展起来的。采用弹塑性有限元法分析