基于DEFORM的汽车空调三角皮带轮辊轧成形过程的数值模拟
1引言汽车空调皮带轮目前主要采用传统的生产工艺———铸造或模锻毛坯—车削加工三角轮槽。该工艺加工余量大，材料利用率低，同时导致切削加工割断材料的纤维流线，降低零件的疲劳强度，影响产品质量。采用辊轧成形（图1），利用带有型槽的旋转轧辊对毛坯在直径方向施加压力并作径向进给运动，同时使工件与轧辊产生相对的旋转运动，轧辊逐步压入到毛坯中，使毛坯产生局部连续的塑性变形，金属产生沿直径方向的流动，最终在毛坯周向辊轧出轮槽。轮槽不需像切削加工采用去除材料的方式加工，而是采用材料体积转移的方式加工。因此，能解决传统成形工艺加工的缺点，减少材料浪费，降低成本。
本文采用有限元分析软件Deform-3D ，针对汽车空调三角皮带轮，分别建立工件整体加热和感应局部加热辊轧成形的有限元模型。对两种辊轧成形过程进行模拟仿真，分析了皮带轮辊轧成形过程中金属的流动规律，三维变形状态下轧件的等效应力、等效应变分布情况及模具各部分的受载情况，为皮带轮辊轧工艺设计提供了理论依据。2有限元模型的建立
2.1
轧制毛坯设计
汽车空调EC-132A21BE 皮带轮大批量生产
时，通常采用模锻工艺生产毛坯，根据体积不变条件，确定毛坯规格为（尴122.5~尴55）mm ×38.95mm 。皮带轮零件图及毛坯图如图2所示。
收稿日期：2008－09－24
作者简介：戚春晓（1980-），男，硕士，从事模具CAD/CAM/CAE 教学
与研究工作文章编号：1672－0121（2009)01－0076－03
基于DEFORM 的汽车空调
三角皮带轮辊轧成形过程的数值模拟
戚春晓1，南雷英1，孙友松2，章争荣
2
（1.中山职业技术学院机械系，广东中山528404；2.广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006）
摘要：采用DEFORM 有限元分析软件对汽车空调三角皮带轮辊轧成形过程进行了数值模拟研究。数值
模拟的工艺条件包括：工件整体加热和感应局部加热。分析了两种工艺方案不同轧制阶段的等效应变分布及成形过程的最大轧制力、轴向压紧力，比较了两种工艺方案轧制末期的温度场分布及工件外形。得到尺寸合符要求的工件，成形效果良好，为实际工艺制定提供了依据。
关键词：机械制造；辊轧；皮带轮；数值模拟；DEFORM 中图分类号：TG 335.11
文献标识码：B
图2皮带轮零件图及辊轧毛坯
（a ）零件图
（b ）毛坯
尴133.5
尴121.5尴112.2尴87尴55
尴56
尴73.4尴102
尴122.5
38.95
8.2515.75
6.7尴6.95
R 1
尴3.55
R 2
41.5尴5图1
皮带轮辊轧成形工艺原理图
轧辊
毛坯
芯轴
挡板2轧辊
挡板1
（a ）单辊轧制
（b ）变形区金属流动
2.2
模型的建立与计算条件的设定
轧制完成后，弹性部分释放的弹性应变比塑性部分引起的残余应变要小的多，在分析中工件采用刚塑性模型，轧辊、芯轴、挡板采用刚体模型。工件材料15钢，在材料库中对应的美国钢号为AISI -1015，
工件与轧辊间接触采用剪切摩擦模型，摩擦因数为0.25。对第一种工艺方案，坯料采用感应加热时，温度设置如下：坯料表层3mm 厚温度为1100℃，中间3mm 厚的一层设为800℃，最里面4.25mm 厚的一层设为400℃，
其余部分设置为常温，坯料温度分布如图3所示。第二方案整体加热的工件温度设为1000℃。
数值模拟模型采用Pro/ENGINEER 软件建模，轧辊直径为260mm ，其中一挡板为空心圆柱体，另一挡板的外形如图4所示。然后按stl 格式输出到DEFORM 软件的前处理器。图5为皮带轮辊轧成形过程的有限元模型。对毛坯采用四面体等参元进行单元划分，离散单元数39055，初始节点数9649，单元长度为1.4mm~2.8mm 。
模拟中其他计算条件设置如表1。3模拟结果分析
3.1
两种工艺方案不
同轧制阶段的等效应变分布
图6为两种工艺方案不同轧制阶段工件等效应变分布。当进给量均为1.16mm 时，两种工艺工件的等效应变均分布在轮槽部分且分布都较均匀，最大值分别为0.806和1.13。因为轧制初期轧辊只与工件的表层金属接触，工艺方案（1）工件表层温度为1100℃，而工艺方案（2）工件表面温度为1000℃，由变形抗力与变形温度、变形程度和变形速度的关系
σ軍=σ軍（ε軈，ε廴
，t ）知，方案（1）的等效应变应小于方案（2）
的等效应变，这与模拟的结果是相符的。当进给量均为3.30mm 时，两工艺方案工件等效应变的分布均
在工件整个圆周但仍较均匀。当进给量为5.60mm 时，两工艺方案中工件的等效塑性应变也分布在工件的整个圆周但不均匀，由于轮辐的作用，工件的尺
表1
其他计算条件
轧辊径向进给速度/mm/s
0.1总进给量/mm 5.6轧辊规格/mm 尴260×39轧辊公转转速/rad/s 2.12轧辊自转转速/rad/s 1热传导系数/W/mK 5模拟步长/mm/步0.02计算进给步
280
图3坯料初始温度分布
图6两种工艺方案不同轧制阶段工件等效应变分布
（a ）进给量1.16mm
（b ）进给量3.30mm
（c ）进给量5.60mm
（1）感应加热
（2）整体加热
图4
挡板设计
图5
皮带轮辊轧成形过程的有限元模型
寸没有明显变化。因为进给量为3.30mm 、5.60mm 时，方案（1）轧辊已进给到温度低于1000℃区域，故方案（1）工件上的等效应变最大值大于方案（2）工件上的等效应变最大值。3.2两种工艺方案轧制末期的轧制力、轴向压紧力
比较
根据塑性变形原理，轧制力的大小与接触面投影面积、接触面投影面积上单位面积的平均压力成正比。轧制力：
P=BL αβ
h
+2L
0.25+σ0
2K !"#$
σ式中只有接触弧投影长度L 是变量。显然，随着轧制的进行，L 愈来愈大，使轧制力增大。同时，在实际生产中，变形后期，轧辊与工件接触面积逐步增大，金属流动阻力增大，也会使变形抗力增大，欲使坯料继续产生变形，势必要增加变形力。因此，轧制末期轧制力最大，要确定整个轧制过程的最大轧制力只需研究轧制末期的轧辊受力。图7为两种工艺方案进给量为5.60mm 时的轧辊所受载荷曲线。由图可知，采用方案（1）最大轧制力约为111330N ，采用方案（2）最大轧制力约为76250N ，方案（1）最大轧制力约为方案（2）最大轧制力的1.5倍。图8是两种工艺方案轧制末期的两挡板受力图。
图中显示，采用感应局部加热的方案时，在轧制末期挡板受力达到927000N ；而整体加热时，轧制末期挡板受力为420000N 。
3.3两种艺方案轧制末期工件温度场分布及工件外形比较
图9a 为轧制完成时工件的温度分布图。由图知
道，采用方案（1）工件的温度分布由外径自内径逐渐降低，轮缘外层温度为1100℃，而轮毂部分温度约为203℃；
而方案（2）工件温度分布较均匀，其最低温度分布在轮毂与轮辐交接处，约为712℃。
由图9b 可以看出，两种工艺方案均进给完成时，采用感应加热的工件内径为103.27mm ，采用整体加热的工件内径为103.33mm 。
因为成形前工件的内径为102mm ，两种方案工件内径变化均很小，都能够得到符合尺寸、圆度要求的工件。考虑到成本及设备吨位，选择整体加热的工艺方案较好。
4结论
（1）模拟的轧制过程真实地反映了皮带轮轧制成形过程，与实际轧制相比，仿真计算可以大大提高效率、降低成本，预测其可行性，还可以依据模拟结果优化工艺参数。
（2）最大轧制力，两挡板的最大受力，进给量为5.6mm ，这些参数可以作为用感应加热和整体加热方案单辊轧制汽车空调三角皮带轮辊轧机设计的依据。
（3）两工艺方案得到的最终工件内径变化都很小，均能得到尺寸合符要求的工件，成形效果良好，说明这种成形方法是可行的。对实际生产有一定的参考意义。
图9
轧制完成时工件温度分布
（a
）等轴视图（b ）轴向视图
（1
）感应加热（2）整体加热
图8两种工艺方案轧制末期的两挡板受力
（1）感应加热
（2）整体加热
时间/s
时间/s
载荷/N
载荷/N
图7
两种工艺方案轧制末期的轧制力
（1）感应加热（2）整体加热
时间/s 时间/s 载荷/N
载荷/N
Numerical Simulation of Rolling Process of an Automobile Air Conditioner
V-belt Pulley Based on DEFORM
QI Chunxiao 1，NAN Leiying 1，SUN Yousong 2，ZHANG Zhengrong 2
（1.Department of Mechanical Engineering ，Zhongshan Polytechnic ，Zhongshan 528404,Guangdong China ；2.Material and Energy Faculty of Guangdong University of Technology ，Guangzhou 510006，Guangdong China ）Abstract :Numerical simulation of rolling process of an automobile air conditioner V -belt pulley has been studied by use of DEFORM software.The numerical simulation technological conditions include whole heating and inductive localized heating.The distribution of equivalent strain in rolling process ，biggest rolling force and axial pressing force in forming process of two technical proposals have been analyzed.The temperature field distribution and workpiece shape in the rolling last stage of two technical proposals have been compared.Finally the reasonable parts have been obtained with good deformation ，which provides important theoretical basis for the rolling process of belt pulleys.
Keywords :Rolling process ；V-belt pulley ；Numerical simulation ；DEFORM
【参考文献】
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2008，43（2）:52-55.1引言飞机导管品种多、数量大、形状复杂，同时其质量要求严格。在民用机上，这些导管类零件相当一部分是大直径薄壁导管件，在加工制造过程中易出现
回弹、起皱、破裂、圆弧处变扁等成形缺陷。而回弹是管材弯曲卸载后必然发生的现象，回弹现象的存在严重影响了弯管生产的精度和效率[1～3]。本文将针对这一问题应用有限元方法开展相关研究。2
弯管成形回弹过程描述
本文主要研究管材弯曲后的回弹现象，而它发生在整个弯管过程的最后阶段。
因此，对其进行研究的前提是：整个加热管弯曲卸载前的过程可顺利进
文章编号：1672－0121(2009)01－0079－03
大直径薄壁弯管回弹的有限元模拟
吴建军，张
萍，何朝阳
（西北工业大学机电学院现代设计与集成制造教育部重点实验室，陕西西安710072）
摘要：以大直径薄壁导管数控弯曲为研究对象，依据实际过程建立了成形以及回弹过程描述方法。在此
基础上，应用ANSYS 有限元软件，完成了大直径薄壁钛管加热弯曲回弹有限元建模，基于静力隐式算法，实现了大直径薄壁管件热弯成形过程以及回弹的有限元模拟，通过回弹的数值模拟结果与试验的对比分析，验证了本文所建立的模拟方法的有效性。
关键词：机械制造；回弹；弯曲；大直径薄壁管；数值模拟中图分类号：TG356.25
文献标识码：B
基金项目：国防科技工业民机专项科研项目收稿日期：2008－10－09
作者简介：吴建军（1963-），男，博士，教授，从事塑性成形理论及计算
机辅助设计的教学与研究
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