基于simufact.forming软件的车轮旋压模拟分析

基于simufact.forming软件车轮旋压模拟仿真
段小亮1，李光杰1
(1．西模发特信息科技（上海）有限公司技术工程部，上海 200336)
摘要：旋压轮毂具有重量轻、强度高、寿命长、表面光洁，机械加工余量少等优点。

而旋压工艺过程复杂，影响因素多，造成实际旋压加工中工艺参数和工装的选择和调试较为困难，本文采用理论结合实际对钢质重型卡车车轮及铝合金轿车车轮旋压工艺进行模拟分析，得出了旋压件的应力应变、厚度尺寸变化、旋压力变化情况，验证了工艺参数的准确性与工艺的可行性，仿真结果与实际有较好的相符性。

通过simufact.forming软件在旋压产品研制过程中的应用发现，仿真分析软件可以提前判断旋压工艺的可行性及合理性，为旋压产品的研制提供重要参考。

关键词：轮毂旋压；Simufact.forming；模拟仿真
Simulation of wheel spinning by simufact.forming
Xiaoliang.Duan1，Jason.Li1
(1.ManuSim Solutions Co,.Ltd Engineering department, Shanghai 200336)
Abstract：The spinning wheel has the advantages of light weight, high strength, long service life, smooth surface, less machining allowance. But the spinning process is complicated, many influence factors that cause selection and debugging parameters and tooling is difficult in actual spinning process, this paper simulation of the spinning process of steel heavy truck wheels and aluminum alloy car wheel, give the result of the stress and strain, thickness, pressure changes of the parts, verify the feasibility and accuracy of process parameters, Through the simufact.forming software used in the process of spinning in the product development of discovery, analysis and simulation software can advance to judge the feasibility and rationality of the spinning process, provides the important reference for the development of spinning products.
Keywords：wheel spinning；Simufact.forming；numerical Simulation
1引言
轮毂作为汽车中的重要部件之一，起着承载着汽车的重量，同时也体现着汽车的外观造型。

国内制造汽车轮毂主要是采用铸造、旋压、锻造等工艺。

目前，在轮毂轻量化趋势的要求下，铸旋、锻旋及旋压是目前轮毂加工中最安全、最经济适用的一种加工方法。

通过旋压能够是车轮内部组织有明显的纤维流线，大大提高了车轮的整体强度和耐腐蚀性。

由于材料强度高、产品重量轻，从而使车轮的使用寿命和安全性大幅提高，有利于车辆减重、节油，机械加工余量也大大减少。

2 有限元建模
由于本文主要对车轮旋压工艺进行有限元模拟分析。

两个模型均采用三旋轮错距旋压，旋轮形式和芯模尺寸均不一样。

工艺一原始坯料为14mm厚度的板材，采用复合旋压工艺。

工艺二所用坯料形状见下图1中工艺二几何模型示意图。

采用三旋轮强力旋压工艺。

为下图1为在Simufact中建立的三维几何模型，几何模型通过导入CAD软件的数字模型建立。

计算模型按照实际加工过程施加边界条件。

工艺一给旋轮施加沿坯料外轮廓运动的时间位移参数，选择常库伦摩擦模型进行计算，设定为0.05。

芯模和顶料板转速为650Rot/min。

进给比为1mm/Rot。

工艺二给旋轮施加沿坯料外轮廓运动的时间速度参数。

选用库伦摩擦模型，设定为0.01。

芯模的顶料板转速为300Rot/min，进给比为0.01666mm/Rot。

两种工艺中均对旋轮设定局部坐标系，释放其自身Z轴的旋转运动，使其可在坯料的带动下，绕自身Z轴自转。

工艺一工艺二
图1 在simufact中建立的三维模型
工艺一工件划分15834个六面体单元，工艺二工件划分18342个六面体单元。

下图2为工艺一与工艺二原始坯料网格示意图。

Simufact.forming软件具有钣金类实体单元自动划分器及环形件实体单元自动划分器，能够极其容易生成对应网格。

同时，均采用六面体单元进行划分，对于应力应变的差值具有较为精确的结果。

工艺一工艺二
图2 在simufact中划分的原始坯料网格示意图
3仿真结果分析
3.1工艺一仿真
由图3应力分布云图可以看出，成形完成后工件中残余应力分布较为均匀，约为261~300Mpa左右。

由图3应变分布云图可以看出，成形过程无重大缺陷发生，总体成形状况良好，工件中未变形部分的顶部基本没有应变，随着旋轮的移动，工件中应变呈逐渐增大趋势，最大应变在工件边缘，约为2。

应力分布应变分布
图3 车轮一加工完成后应力应变分布云图
由图4剖面图可以看出，零件整体贴膜良好，由于零件截面较为复杂，也会有回弹发生，导致在某些部位发生贴膜不好的现象，如图中倒角过度中间区域。

由图4回弹对比图可以看出，图中浅蓝色为零件理想尺寸，带网格红色工件为加工完成回弹后的工件形状，根据对比图可以发现，工件大部分为往外回弹，头部外围倒角区域为向内回弹趋势。

剖面图回弹前后对比
图4车轮一加工完成后零件贴膜及回弹对比
3.2工艺二仿真
图5为车轮二加工完成后应变分布云图及温度剖面分布云图，由图可以看出，车轮整体在加工完成后变形较为均匀，其中应变最大约为9，工件中大部分区域应变约为5.5~7.9。

通过温度场剖面图可以看出，工件变形较为剧烈，其中约有200℃左右温升，工件直壁段贴膜较为均匀。

图5 车轮二加工完成后应变及温度剖面分布云图
图6（a）、（b）、（c）分别为不同时刻旋轮在轴向所受力大小示意图，分别与6（d）、（e）、（f）对应。

由图可以看出，在加工初期，力首先急剧增大，随后由于材料流动达到稳态，力保持不变，在稳态区域，温度变化也较小，当工件接触到芯模底部，力随着增大。

当工件材料流过芯模底部台阶，材料流动进入稳态，力随后也保持稳定。

（a）（b）（c）
（d）（e）（f）
图6 不同时刻旋轮轴向受力对比示意图
图7（a）、（b）、（c）分别为不同时刻旋轮在轴向所受力大小示意图，分别与7（d）、（e）、（f）对应。

由图可以看出，在加工后期，随着底部变形量的逐渐增大，力也随之逐渐增大。

当最底部工件材料接触到芯模最底部时，力有一个显著增大的过程。

当整个加工过程完成时，旋轮离开坯料，力随之降低。

（a）（b）（c）
（d）（e）（f）
图7 不同时刻旋轮轴向受力对比示意图
4 结论
通过本次模拟，得出对于两种不同的车轮轮毂，在对应的工艺参数下，旋压仿真出的零件成形完整，壁厚均匀，贴膜良好，表面无明显波纹等重大缺陷。

通过本次仿真，对车轮一的贴膜和回弹做了分析，与实际比较吻合，可以作为新工艺前期研究手段，对模具形状尺寸及工艺参数的可行性进行预判。

通过车轮二的仿真分析，对零件可成形性、应力应变分布及旋轮受力进行了分析，与实际结果较为吻合。

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