1、王新云 羅文濤 夏巨諶 胡國安：汽車飛輪盤沖鍛成形工藝研究汽車飛輪盤沖鍛成形工藝研究國家自然科學基金資助項目(50705034)華中科技大學 王新云 羅文濤 夏巨諶 胡國安摘要飛輪盤為大尺寸且壁厚有變化的零件，采用傳統切削加工方式，材料利用率極低。采用沖鍛成形新工藝成形該零件，并借助有限元模擬軟件DEFORM-2D，對成形過程和模具參數進行了優化。為成形零件R5內圓角，設計了兩階段成形工藝路線，即預成形時采用大半徑圓角凸模拉深并利用鐓粗凸模鐓粗側壁，終成形時將拉深凸模換為R5圓角的凸模并將零件鐓粗到要求尺寸。模擬結果顯示成形良好，為實際生產提供了理論依據。關鍵詞：沖鍛成形；飛輪盤；增厚；數值模

2、擬An investigation of stamping-forging process for car flywheel panel AbstractFlywheel panel is a part with large size and thickness-difference. The utilization ratio of materials is rather low when applying the traditional cutting methods. This paper proposed a new stamping-forging process. The form

3、ing process and mold parameters were optimized utilizing DEFORM-2D. In order to shape the inner fillet of R5, a forming process with two-step was designed. A drawing-punch with bigger fillet drew the billet and an upsetting-punch compressed the wall first, and then the drawing-punch was replaced wit

4、h another one which had a fillet of R5 and the wall was compressed until reaching the size requirements. The results are well shown that it could provide a theoretical basis to the practical industrial production.Keywords: stamping-forging process; flywheel panel; thickening numerical simulation1 引言

5、隨著制造技術的日益進步，在塑性成形領域，為節約材料和能源，減少加工難度和加工工序，提高零件的加工精度，要求少、無余量成形（即近/凈成形）的呼聲日益高漲。在當代工業特別是在汽車工業中，出現了大量的尺寸較大且壁厚有變化的零件。這些零件采用傳統的沖壓或者鍛造方法都很難成形；而采用切削加工方式，則材料利用率極低。基于沖壓和鍛造的特點，研究人員提出了采用沖鍛成形新工藝的方法。沖鍛成形工藝是以板材（或者管材）為坯料，通過沖壓工藝成形出中空形狀，并在該工序中儲備足夠的金屬，再采用鍛造工藝，對特定部位壓縮增厚，以達到要求厚度。采用該工藝成形的零件不僅能滿足尺寸要求，而且力學性能良好，材料利用率高，成形速度較快

6、，避免了采用各種傳統方法加工所產生的一系列問題1。圖1為沖鍛成形與焊接成形過程的比較示意圖。近年出現了一些利用板坯料進行鍛造的研究25，但均只是采用了板坯料來進行鍛造，與本文提出的先拉深空間形狀后增厚局部的沖鍛成形工藝有所不同。本文結合沖鍛成形新技術的研究，借助有限元模擬軟件DEFORM-2D，對飛輪盤成形工藝過程進行了模擬，分析了坯料的金屬流動特征，對模具工藝參數進行了優化，為實際生產提供了理論依據。2 工藝分析汽車飛輪盤鍛件圖如圖2所示，其材料為45鋼，主要特點是側壁厚度大于底部厚度。其整體尺寸較大，而角部內外圓角尺寸較小，分別為R5和R2.5。采用沖鍛成形工藝成形該零件，可選用圓形坯料，

7、先拉深成為淺圓桶形，然后鐓粗其側壁，最終得到所需盤形鍛件。成形模具示意圖如圖3所示。 圖1 沖鍛成形與焊接成形的比較a)與c)為沖壓后焊接成形；b)與d)為沖壓鍛造整體成形圖2 鍛件剖面圖圖3 沖鍛成形模具示意圖 根據鍛件尺寸，選取10mm厚的鋼板作為坯料。為減小成形力，可在坯料成形之前先將中心孔沖出，用以分流降壓。周向3個工藝孔則在后續工序中沖出。由于中心孔在拉深成形過程中會有所增大，但在隨后的鐓粗過程中，側壁金屬向底部流動，中心孔又會有一定程度的縮小，其最終尺寸會較初始尺寸小，所以預沖中心孔尺寸可稍微放大。根據體積相等原則，選取毛坯直徑為338mm，預制中心孔直徑為43.6mm，則首次拉深

8、系數為0.81。根據文獻6可知，可以一次拉深成形。3 飛輪盤沖鍛成形工藝研究及其數值模擬3.1 有限元模擬模型考慮工件的軸對稱性和工藝的特點，為了提高模擬的效率，采用數值模擬軟件DEFORM-2D進行模擬。圖3為有限元模擬模型，相關參數為：坯料材料為1045鋼，模具材料為H13熱作模具鋼。初始溫度：坯料為800，模具為200。考慮到坯料與模具間的熱力耦合，選擇變形與熱傳導模塊，模具與坯料間熱傳導系數為11W/(m2K），模具與環境間的熱傳導系數為0.02W/(m2K）。取常剪切摩擦因子為0.25。模具運動速度為20mm/s，步長0.25mm。坯料網格數為8000，拉深凸模與凹模網格數為5000

9、，擠壓凸模網格數為2000。3.2 拉深凸模圓角半徑對成形結果的影響由于在鐓粗過程中拉深凸模固定不動，其作用類似型腔，而零件內圓角半徑為R5，故拉深凸模直接用圓角半徑為R5的凸模進行拉深。拉深成形圖如圖4（a）所示。由于拉深凸模圓角較小，導致該區域坯料減薄比較厲害（最薄處約8.7mm）。在隨后的鐓粗過程中，圓角處坯料脫離拉深凸模，向凹模圓角處流動，由于凸模圓角和凹模之間形成了一個較大的空腔，需要大量的金屬來補充，但鐓粗時側壁金屬對圓角處的補充不足，導致在鐓粗過程進行不久，圓角處產生折疊（見圖4（b）。所以，必須增大拉深凸模圓角半徑。而零件所要求的內圓角半徑為R5，為避免在該處的切削加工，這就要

10、求在拉深結束，鐓粗過程中更換拉深凸模，作為型腔，以成形內圓角。因此，該工藝過程分為兩個階段：預成形采用大圓角半徑拉深凸模進行拉深成形，并利用鐓粗凸模鐓粗側壁。當鐓粗成形到一定程度時，預成形結束，更換拉深凸模，進入終成形，繼續鐓粗零件側壁至要求尺寸。在拉深過程中，凸模圓角越小，坯料圓角處的減薄越明顯。適當增大拉深凸模圓角，不僅可以避免坯料圓角處因過度減薄而導致在隨后的鐓粗工序中產生折疊，同時也可以增大圓角處金屬儲料，為后續成形成形圓角區域做準備。鐓粗時，圓角處坯料脫離拉深凸模，向凹模圓角處流動。由于所使用的拉深凸模圓角較大，坯料圓角處靠近底部和側壁的區域也會出現一個相對較大的自由變形的區域。在鐓

11、粗過程中，角部金屬在不斷聚集的同時，靠近底部和側壁的區域也有一定程度的自由鐓粗，以補償在拉深時的減薄。 a）拉深成形圖 b）鐓粗折疊圖4 拉深凸模圓角半徑為R5時的成形情況3.3 確定更換拉深凸模的時間確定更換拉深凸模的時間，即確定預成形終了時的成形程度，對最終的成形結果也有十分重要的影響。如果拉深成形結束后立即更換拉深凸模，對坯料圓角處進行二次拉深，這樣坯料圓角處的減薄會較直接采用拉深凸模圓角半徑為R5時情況有所好轉，但側壁和底部靠近圓角的區域還是會有一定程度的減薄，且由于換模后拉深凸模圓角過小，側壁金屬很難經過圓角流入底部，底部靠近圓角區域金屬得不到補充，最終也會導致角部產生折疊。同樣，換

12、模時間過早也會出現類似的情況。換模時間過晚也不行。由于側壁和底部靠近圓角區域金屬有一個相對較大的自由變形區，在鐓粗側壁過程中，這兩個區域也會隨著角部區域一起增厚。如果換模時間過晚，當側壁靠近角部區域金屬厚度增大到超過側壁所需鐓粗厚度（11mm）時再換拉深凸模，拉深凸模在合模過程中迫使該處金屬發生塑性變形，將直接導致折疊產生。根據在不同預成形拉深凸模圓角半徑條件下、不同時間更換拉深凸模的最終成形結果可知，在淺筒形件側壁高度為46.550mm時更換拉深凸模比較合適。3.4 成形結果分析如前所述，更換拉深凸模時間選擇在鐓粗成形中段，故在該工藝過程中，終成形拉深凸模主要作用是作為型腔，成形內圓角；側壁

13、的鐓粗過程被分為兩段。用不同預成形拉深凸模進行拉深成形，最終成形結果也不同。表1顯示了在不同拉深凸模圓角半徑情況下的成形結果及成形力。表1 不同拉深凸模圓角半徑下的成形情況拉深凸模圓角半徑/（mm）成形結果成形力/（MN）預成形終成形105內圓角處折疊/155良好18.6205良好15.7255良好15.7305良好15.7由表1及圖5可以看出，預成形拉深凸模的的圓角半徑為R10時，角部區域金屬儲料還是不夠而最終導致折疊（圖5（a）；r15mm時成形效果良好（圖5（b）（e）。理論上來說，不管預成形拉深凸模圓角大小如何，在終成形時都是在相同型腔內鐓粗成形，其成形力應該大致相同。然而，由表1可以

14、看出并非如此。這是因為預成形拉深凸模圓角半徑為R15時角部儲料相對還是較少，終成形鐓粗時外圓角處先成形，內圓角在隨后通過圓角處金屬的反向流動成形（圖6（a），故成形力較大；圓角半徑r20mm時，拉深時角部儲料充足，終成形時先成形內圓角，最后成形外圓角（圖6（b）（d）。所以，在實際生產時，預成形拉深凸模圓角半徑應不小于20mm。 a） r10mm b） r15mm c） r20mm d） r25mme）r30mm圖5 不同預成形拉深凸模圓角半徑時的最后成形圖 a） r15mm b） r20mm c） r25mm d） r30mm圖6 不同預成形拉深凸模圓角半徑時的終成形前的成形情況4 結論（1）根據飛輪盤的結構、尺寸特點，提出了采用沖鍛成形工藝，分兩階段成形的工藝方案。（2）借助有限元模擬軟件DEFORM-2D，分析探討了金屬流動規律，討論了拉深凸模圓角半徑大小及換模時間對成形結果的影響。（3）模擬結果顯示成形良好，為實際生產提供了理論依據。參考文獻1 蔣鵬.板料沖壓冷鍛復合成形技術及其應用.汽車工藝與材料J，2000（9）：8112 李建平，車路長.罩體類零件沖壓冷鍛成形工藝有限元模擬及試驗分析J.重慶職業技術學院學報,2007(5)：1321353 李雪松等.汽車離合器襯套沖鍛復合工藝研究及其數值模擬J.鍛壓裝備及制造技術，2000（1）：49514 S