本站小編為你精心準備了VVT正時鏈輪的模具優化設計分析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：vvt正時鏈輪是汽車發動機中的關鍵零件，作為汽車傳動機構具有較高的配合精度要求。本文基于粉末連續體，運用有限元deform軟件對VVT正時鏈輪的三種不同設計方案下的壓坯密度進行模擬分析。通過數值模擬仿真數據對模具進行改進及尺寸優化，提高壓坯密度分布的均勻性，以實現VVT正時鏈輪采用粉末冶金近凈成形的先進方法制造，并滿足其對精度、密度、性能的要求。結果表明：設計上一下一的模具結構，在鎖孔對應位置處上模沖設計漏粉穴，使得鎖孔處處于過飽和的粉末實現移動，防止產生過壓現象。當漏粉穴尺寸較小時，其過壓現象得不到緩解，當漏粉穴尺寸較大時，鎖孔周邊粉末流失，形成低密度區，導致整體密度分布不均，將漏粉穴的體積設計為鎖孔體積的2/3時，可獲得密度分布最均勻的壓坯。

關鍵詞：粉末壓制；有限元模擬；相對密度；VVT鏈輪

發動機可變氣門正時系統(VVT，variablevalvetiming)通過配備的控制及執行系統對發動機凸輪的相位進行調節從而使得氣門開啟、關閉的時間隨發動機轉速的變化而變化，調整進氣(排氣)的量，和氣門開合時間與角度。使進入的空氣量達到最佳，提高燃燒效率。正時鏈輪是可變氣門正時系統的關鍵部件，汽車發動機在工作過程中，在氣缸內不斷發生進氣、壓縮、爆炸、排氣四個過程，并且每個步驟的時機都要與活塞的運行狀態和位置相匹配，使進氣與排氣及活塞升降相互協調起來，正時鏈輪在發動機里面扮演了一個“橋梁”的作用，在凸輪軸的帶動下將力量傳遞給相應機件。圖1為正時鏈輪的零件圖。近凈成形技術可直接由粉末制成最終制品或接近最終形狀的制品，而不需或只需少量機加工便可以達到制品的技術需求。與傳統的金屬加工方法相比，粉末冶金法制備材料利用率高、能耗低、經濟效益好，是節能節材的先進工藝技術[1−2]。因此，在工業生產中被大量用于金屬零件的制備，特別是在汽車制造領域有著廣泛的應用[3]。對于生產油量控制套筒這種形狀復雜的零件，正由近凈成形先進制造方法取代傳統的切削加工方法[4]。運用有限元軟件對粉末壓制成形過程模擬是一種有效的設計方法，可發現生產過程中存在的問題，并提出有效的改進措施，從而做到早期評價，優化工藝參數，快速有效地確定模具的最終理想形狀，提高生產效率，縮短研發周期，降低成本[5−6]。Deform有限元軟件廣泛應用于塑性成形工藝的模擬仿真，可用于分析各種塑性成形過程中的金屬流動以及應變應力、溫度、密度等物理場量的分布，提供材料流動、成形載荷、模具應力、密度分布和金屬微結構等信息。運用不同的材料模型可分析殘余應力，回彈問題以及粉末冶金成形等，并為模具仿真及其他相關工藝分析提供數據[7]。本文運用有限元deform軟件對VVT正時鏈輪的三種不同設計方案下的壓坯密度進行模擬分析。通過模擬數據對模具進行改進及尺寸優化，著重對帶有逃粉穴設計的模具進行模擬并加以分析，以此來提高壓坯密度分布的均勻性。

1現有粉末冶金制造工藝方案、存在問題及改進方案

1.1制造工藝方案對于正時鏈輪的粉末冶金制造工藝方案：考慮到該款正時鏈輪的厚度較薄(總厚為6.5mm)，在后道工序中需要對齒部和鎖孔處進行局部高頻淬火處理，會產生較大的變形，難以保證產品的平行度和平面度，因此在壓制工藝時需對毛坯的密度進行精確地控制，盡量保證各部位密度均勻性，避免在熱處理過程中由于密度不均而產生開裂現象。本研究中采用上一下一的模具結構，上模沖開鑿漏粉穴，保證壓坯在鎖孔處密度均勻，另外采用機加工的方法車出鎖孔背面凸臺及臺階。該方案模具零件包括陰模、上模沖(帶逃粉穴)、下模沖、芯棒。其壓形毛坯如圖2所示。

1.2存在問題及實驗方案上述工藝方案得到的壓坯存在以下問題：(1)密度均勻性較差。從外觀看，有亮有暗，色澤不均勻。通過分段密度測試可知，暗處和亮處密度相差達0.8g/cm3。圖3所示的陰影區域為高密度區。(2)存在裂紋。部分壓坯有裂紋，裂紋出現的位置通常在密度差大的區域。試驗方案：(1)方案一，直接采取上一下一的模具結構，上模沖不加逃粉穴。(2)方案二，采取上一下二的模具結構，鎖孔位置成形單獨分沖。(3)方案三，采用上一下一的模具結構，在鎖孔對應位置的上模沖設計漏粉穴[4]，使得此處多余粉料實現排除以防止鎖孔區域過壓。

2模具改進方案的有限元分析

粉末體具有流動性，在一定程度上具有流體的特性，但粉末體在受壓下又可變形具有固體的特性。本文針對粉末特有的性質，介于流體和固體之間，將粉末體選為Deform軟件中的粘塑性porous模型，模具為剛性rigid模型，采用更新的拉格朗日方法對粉末壓制過程進行模擬分析[7−8]，基于模具不同改進方案下得到密度分布均勻的壓坯為目的。材料參數如圖4所示：粉末的松裝相對密度為0.438，楊氏模量與其密度存在一定的關系，如圖4(a)所示；泊松比用概率密度的正態分布函數表示[9]，如圖4(b)所示；流動應力應變曲線，如圖4(c)所示；熱膨脹系數為1.35×10−5。按裝粉系數為C=2建立有限元模型[10]。模擬過程：在三維作圖軟件中建立的坯料及模具組裝模型轉化為STL格式導入3D-Deform中，將粉坯模型進行屬性定義及網格劃分，定義模具屬性以及各沖頭的壓制速度，采用殘差或位移收斂，收斂精度為10×10−6。摩擦條件定義：采用修正的庫倫摩擦模型，摩擦因數為0.2。

2.1上一下一的模具結構，上模沖不加逃粉穴采用上一下一的模具結構，上模沖不加逃粉穴設計方案，運用deform軟件對粉末壓制過程進行模擬研究，得到壓坯的密度分布，如圖5所示。由圖可知，壓坯P3處最大的相對密度值為0.97(密度為7.6g/cm3，致密體密度為7.85g/cm3)，即鎖孔區明顯存在過壓現象，這是由于下模沖為一個整體的沖頭，不能對鎖孔處粉末充填量進行調整，以充填系數為2計算，鎖孔處理論的充填量為5mm，但采用不加逃粉穴結構設計方案時，鎖孔處的實際充填量為9mm，因此在壓制過程中會產生過壓現象，導致壓坯產生裂紋，甚至下模沖鎖孔凸臺崩斷。通過密度分布圖像可看出P4、P5處密度較其他區域較大，這是充填不可調造成的。另外，從圖5對壓坯密度縱向數據進行對比P1(0.946)＞P2(0.837)，P4(0.926)＞P5(0.876)，這是因為鎖孔在壓制過程中會發生粉末橫向移動，相應地增加了P1和P4區域的充填量。

2.2上一下二的模具結構，鎖孔處單獨分沖基于方案一鎖孔處產生過壓現象為鎖孔處不能自由充填造成，對模具結構進行改進，采用方案二(上一下二的模具結構，鎖孔處單獨分沖)。圖6為方案二得到的壓坯密度分布圖，圖6顯示，P3處密度得到極大改善，相對密度值為0.93(密度為7.2g/cm3)，這是由于將下模沖分沖，鎖孔處單獨成沖[12]，可以調整其充填量，因而P3處密度可以調整，不會產生過壓現象。但采用該方案存在一個問題：由于鎖孔處的模沖存在一個段差(鎖頭與鎖尾段差為3mm)，從圖6可知，P3與P5處的密度差值較大，相對密度差值達到0.2(密度差值為1.5g/cm3)。所以存在一個矛盾，當P3處達到合適密度值，P5處不能成形，當P5處達到合適密度值時，P3處會出現過壓現象。同時考慮后續存在鎖孔高頻熱處理工藝，由于相鄰區域存在較大的密度差，會導致工件變形過大或工件開裂問題，因而方案二存在很大的局限性。

2.3上一下一的模具結構，在鎖孔對應位置處上模沖設計漏粉穴，并優化漏粉穴的尺寸通過對方案一及方案二進行分析，為解決鎖孔處的密度分布不均問題，從而考慮在壓制過程中增加鎖孔處的排粉量，避免出現過壓現象，以此提高零件的整體密度，改善密度分布的均勻性。在此，采用上模沖開鑿漏粉穴的設計方案，并且對比在不同尺寸的漏粉穴下采用有限元模擬分析得到壓坯相對密度的分布情況，從而達到優化壓坯密度的效果。結合實際經驗，對于上模沖開鑿漏粉穴時，為便于產品脫模，漏粉穴需要設計脫模斜度，一般為20°~45°。在本方案中脫模斜度設計為30°，另外漏粉穴的斜面與凸臺平面設計圓角過渡為R2。圖7所示為設計不同尺寸(占壓坯鎖孔體積的比例)的漏粉穴得到的生坯相對密度分布圖。從圖中可知，隨漏粉穴尺寸增大，鎖孔區域處的密度均有所降低，這是由于在壓制過程中鎖孔處的粉末移向漏粉穴的粉末增多[15]，排粉量加大，充填系數降低。基于設計目的，主要對高密度區P3處的數據進行研究，發現隨漏粉穴尺寸增大，P3處的相對密度值減少，當漏粉穴的尺寸由1/3增加到1時，P3處的相對密度值由0.929降低至0.861。由于漏粉穴尺寸的增大，壓制過程中有限的粉末(充填量一定)需成形更大的空間，因此P3處的密度減小。此處，漏粉穴P6處的密度也隨著漏粉穴尺寸的增大而降低，相對密度值由0.924降至0.772。從壓坯密度分布圖中可知，P2及P5處密度相對于其他區域較低，這是由于上模沖的漏粉穴徑向尺寸與鎖孔的徑向尺寸一致，在壓制時，鎖孔處由于帶有漏粉穴與其他區域存在壓制速度不一致，即粉末受壓時P2及P5處先受壓，該處粉末產生橫向流動和縱向移動進入到漏粉穴空間中。當漏粉穴處粉末成形時，P2及P5處已先成形具有一定密度的坯料，粉末不能從P3處流回到P2和P5處。為分析漏粉穴尺寸對其壓坯總體密度分布均勻性的影響，在圖7有限元模擬中的4個點的相對密度中，引入一目標函數δ=ρmax−ρmin，即以相對密度極差δ表示壓坯密度分布的均勻性。數值化的獲得了最佳寬度尺寸的漏粉穴設計方案。由表1可知，隨漏粉穴尺寸(占壓坯鎖孔體積的比例)增大，相對密度極差δ的數值先減小后增大，當上模沖的漏粉穴設計成一定尺寸時，壓坯具有較均勻的密度。壓坯相對密度極差與漏粉穴尺寸并不呈線性關系，當開鑿漏粉穴的體積較小時，受壓處(P3)過多的粉末不能完全逃逸，在壓制過程中該處依然存在受壓現象。當開鑿漏粉穴的體積較大時，受壓處(P3區)及鎖孔周圍處(P1，P2，P4和P5)粉末逃逸過多，造成鎖孔周圍處密度較低，甚至不能成形。漏粉穴的尺寸變化對壓坯的相對密度極差影響顯著，漏粉穴尺寸由1/3增至1/2，δ值變化極大，由0.114降為0.078。隨著開鑿的漏粉穴的尺寸持續增大，其影響效果漸弱甚至無效，漏粉穴尺寸由1/2增至2/3，δ值基本處于同一水平線上，變化不大，由0.078變為0.079。這是由于鎖孔受壓處(P3)粉末相對處于過飽和狀態，在壓制過程時，鎖孔及其周圍粉末可以通過橫向和縱向流動的方式來調整裝粉系數，從而使該區域密度均勻，所以設計在該范圍內的漏粉穴可保證壓坯具有極好的密度分布。當漏粉穴尺寸繼續增大時，漏粉穴的空間足以保證過壓的粉末完全溢出，并需要鎖孔周圍處的粉末來彌補，降低了該區域的粉末充填量，進而影響壓坯的密度分布均勻性。所以當漏粉穴尺寸由2/3變為1時，δ值變化極大，由0.079增至0.203。結合分析優化漏粉穴的尺寸范圍為1/2到2/3。

2.4優化模具結果通過上述分析可知，采用上一下一的模具結構，在鎖孔對應位置處上模沖設計漏粉穴，上模沖漏粉穴體積設計為鎖孔體積的2/3，漏粉穴的拔模斜度設計為30°，過渡圓角為R2，漏粉穴的徑向尺寸比鎖孔的徑向尺寸單邊小0.5mm，采用改進后模具得到的粉坯密度分布如圖8所示。圖9為在優化模具結構設計方案后得到的實體壓坯圖，采用阿基米德比重法測量壓坯的鎖孔及面部密度，測量結果如表2所示。通過數據分析，鎖孔處的平均密度為6.90g/cm3，面部的平均密度為7.06g/cm3，鎖孔處密度低于面部密度。在圖7(c)中的密度分布圖中，齒部密度可由P3和P6的平均值表示，而面部密度可由P1和P4的平均值表示。通過對比數據(P3+P6)/2＜(P1+P4)/2，發現壓坯的實測數據與有限元分析數據是相吻合的。

3結論

1)基于上一下一的模具結構，上模沖不加逃粉穴設計方案：方案模具結構簡單，產品后續加工量少(不需要車凸臺)，但由于不能自由調整鎖孔處的裝粉量，在鎖孔處易出現過壓現象，導致壓坯密度不均而產生裂紋。2)基于上一下二的模具結構，鎖孔處單獨分沖設計方案：方案增加一個下模沖，在充填時能調整鎖孔處的粉末充填量，可有效控制密度，避免過壓。但由于模沖存在一個段差(鎖頭與鎖尾段差為3mm)，因而不能兼顧該模沖各部位的適宜充填量，導致該區域密度分布不均，會影響后續的高頻熱處理工藝，導致變形量大甚至裂紋產生。3)基于上一下一的模具結構，在鎖孔對應位置處上模沖設計漏粉穴方案：方案使得鎖孔處處于過飽和的粉末移動，防止產生過壓現象。當漏粉穴尺寸較小時，過壓現象得不到緩解；當漏粉穴尺寸較大時，鎖孔周邊粉末流失，形成低密度區，導致整體密度分布不均，將漏粉穴的體積設計為鎖孔體積的2/3時，可獲得密度分布均勻的壓坯。

作者：申小平 黃永強 單位：南京理工大學