鋁合金機輪輪轂鍛造流線仿真與實驗研究

張玉勛，易幼平，李云，黃始全

(中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083)

鍛造流線是金屬鍛造成形過程中的雜質、化合物、偏析、晶界等沿主伸長方向形成的纖維組織，其力學性能呈各向異性。當鍛件纖維與鍛件所受壓力方向垂直或與拉力方向一致時，鍛件的強度和抗疲勞性能可明顯提高[1-2]。機輪輪轂是飛機起落架的重要承力構件，長期在大摩擦、高強度和高負荷的環境下工作，機輪輪轂的輪緣根部、轂部轉接及固定輪緣根部等處極易產生疲勞裂紋[3-5]。如何在塑性成形中使機輪輪轂鍛件獲得良好的流線，提高鍛件的抗疲勞性能，是鍛壓工藝研究必須解決的問題。長期以來，鍛造成形工藝主要依靠實際經驗和鍛造試驗的方法獲得。不僅試驗費用高、周期長，而且難以全面分析微觀組織與工藝制度的相關規律。有限元法輔助鍛壓工藝設計是目前先進的工藝設計方法，通過與材料實驗相結合，可分析和預測鍛件微觀組織演化規律，了解材料在模腔內的流動狀況與鍛件的溫度、應變和流線分布[6-8]，從而對工藝參數進行優化[9-10]，避免缺陷的發生，這對提高產品質量、降低成本具有重要意義。Deform有限元仿真軟件是熱加工成形仿真研究的有效工具，國內外學者利用該軟件在鍛壓成形仿真方面開展了大量研究工作。Joun等[11]研究了在有限元分析中庫侖摩擦和剪切摩擦對金屬成形的影響規律；Dong等[12]研究了活塞裙的等溫鍛造過程，優化了鍛造工藝；Zhang等[13]利用此軟件研究了復雜盤類件在等溫模鍛時出現流線缺陷的原因，并提出了改善措施；Shan等[14]通過研究鋁合金等溫模鍛過程中流線變化分布規律，得出復雜鍛件流線紊亂和穿流缺陷形成機理和演變規律。在此，本文作者利用有限元軟件Deform 2D研究模鍛工藝參數對典型單輻板機輪輪轂鍛件流線形態的影響，在3.15 MN油壓機上進行機輪輪轂縮比件的工藝實驗，對比分析仿真與實驗結果，提出改善鍛件組織與流線的工藝措施。

1 機輪輪轂流線仿真

1.1 有限元分析基本參數

圖1所示為某機型機輪轂簡化后的鍛件圖。由于機輪輪轂為軸對稱結構，利用Deform 2D進行有限元鍛壓成形模擬時可取軸對稱模型。圖2所示為模鍛成形模擬仿真時坯料與模具圖。坯料材料為 7050鋁合金，流變應力本構方程是有限元模擬中需輸入的材料模型，本文直接引用已完成的研究工作所建立的本構方程[15]。在鍛壓成形模擬中，不考慮模具的變形，模具材料屬性設為剛體。利用Deform 2D軟件自動劃分網格功能對坯料進行網格劃分，坯料網格數為1 500，在計算過程中隨時根據網格畸變情況進行重新劃分，以保證計算的精度和收斂性。分別對鍛件在常規熱模鍛和等溫模鍛工藝下的成形進行仿真分析，表1所示為模擬仿真時2種模鍛工藝的參數設置。

1.2 仿真結果分析

圖1 機輪輪轂簡圖Fig.1 Sketch of wheel-hub

圖2 模鍛成形坯料與模具Fig.2 Model of dies and billet

圖3 所示為常規熱模鍛工藝下鍛件流線、等效應變和溫度分布。從圖3(a)可見：在鍛件的內表面附近，流線沿鍛件輪廓分布，與鍛件表面平行 ；在鍛件外表面附近，流線與鍛件表面幾乎垂直，流線出現露頭。從圖3(b)可見：鍛件內表面附近的等效應變較其他部位的大，晶粒沿鍛件表面法向方向壓縮，流線平行于鍛件表面；在鍛件的外表面附近，變形量較小，未形成良好的流線形態。由圖 3(c)可知：鍛件筋部溫度較初始溫度下降很多，小于360 ℃，金屬變形抗力隨之提高，流動能力下降，高筋部位變形程度減小，容易造成流線不暢、充填不滿等缺陷。

圖 4所示為熱模鍛時不同摩擦因數下的流線形態。從圖4可見：隨著摩擦因數的增加，鍛件流線形態明顯改善。但摩擦因數增大會使鍛件筋部的充填更加困難，鍛造壓力增大，對鍛件成形不利。

圖5所示為等溫模鍛工藝下鍛件流線、等效應變和溫度分布。由圖 5(a)可知：等溫模鍛工藝下鍛件流線與鍛件表面夾角較小，流線露頭基本消除，流線形態好于常規模鍛工藝下鍛件流線形態；在高溫、低速條件下，金屬與模具間的摩擦增大[16]，有利于形成良好的流線形態，避免流線露頭。從圖 5(c)可見：等溫模鍛工藝下鍛件溫度分布均勻，維持在450～451 ℃，成形速率低，使金屬變形抗力降低，流動性增強，模具充填性提高，抵消了摩擦提高所引起的模具充填性變差、成形壓力增大等不良影響。由此可見：在等溫模鍛工藝下，鍛件成形容易，流線分布合理，能滿足機輪輪轂對流線的要求。

表1 模鍛仿真參數Table 1 Simulation parameters of die forging

圖3 常規熱模鍛鍛件流線，等效應變和溫度分布Fig.3 Flow lines, effective strian, temperature distribution of forging in hot die forging

圖4 摩擦狀態對流線的影響Fig.4 Effect of friction on flow lines distribution

圖5 等溫模鍛鍛件流線、等效應變和溫度分布Fig.5 Flow lines, effective strain, temperature distribution of forging in isothermal die forging

2 機輪輪轂實驗研究

2.1 實驗設備及方案

為驗證有限元分析結果，在3.15 MN油壓機上對機輪輪轂縮比件(1:5)進行了鍛壓工藝實驗。分別采用熱模鍛和等溫模鍛工藝對鍛件進行壓制，工藝參數見表2。坯料材料為7050鋁合金，其內徑為27 mm，外徑為69 mm，高為59 mm。熱模鍛時，坯料在電阻爐中加熱至450 ℃，模具通過專門設計的模具加熱系統加熱至350 ℃，并保溫1 h；等溫模鍛時，坯料與模具均通過模具加熱系統加熱至450 ℃，并保溫1 h。鍛造前采用噴涂方式對坯料與模具進行潤滑,潤滑劑為WS2+石墨+汽缸油。

鍛造完畢后，對鍛件進行固溶、時效處理，并將鍛件分成兩半，對鍛件剖面進行打磨，用NaOH溶液及HNO3溶液進行堿蝕、酸洗以顯示鍛件流線。對金相試樣粗磨、拋光以及10 mL HCl+5 mL HNO3+5 mL HF+380 mL H2O侵蝕劑侵蝕后，用Leica DMI5000M智能型金相顯微鏡觀察。

表2 模鍛工藝實驗參數Table 2 Experiment parameters of die forging process

2.2 實驗結果及分析

圖6所示為常規熱模鍛工藝下鍛件流線和金相。由圖6可以看出：鍛件筋部頂端充填不滿；鍛件內表面附近的流線沿鍛件輪廓分布，與鍛件表面平行，其晶粒狹長，晶粒排列方向性強；鍛件外表面附近的晶粒變形程度小，晶粒較大，呈等軸晶形態，出現流線露頭；在輪轂內孔偏下處，有一裂紋圈，裂紋向鍛件內部延伸達1 mm以上。從圖3(c)所示的熱模鍛工藝下鍛件溫度分布可看出：鍛件較最初溫度下降很多，筋部溫度最低。溫度偏低、成形速率較快，使金屬變形抗力增大和模具充填性變差，導致鍛件筋部充填不滿；鍛件再結晶數少，晶粒較大；在常規熱模鍛工藝下，金屬變形抗力大，鍛件變形不均勻和各處金屬流動速度差較大等因素導致裂紋產生。

圖6 常規模鍛工藝下鍛件流線和金相照片Fig.6 Flow lines distribution and microstructure of forging in hot die forging

圖7 等溫模鍛工藝下鍛件流線和金相照片Fig.7 Flow lines distribution and microstructure of forging in isothermal die forging

圖7 所示為等溫模鍛工藝下鍛件流線和金相。由圖7可以看出：鍛件成形完好，流線清晰，沿鍛件輪廓分布，與鍛件表面夾角小，鍛件晶粒細小均勻。機輪輪轂在常規熱模鍛工藝下出現裂紋的部位，在等溫模鍛時，相應部分未發現有裂紋，鍛件的其他部位也未發現裂紋。在等溫模鍛工藝下，成形速率低和變形溫度較高，不僅大幅度降低了金屬的變形抗力，增強了金屬在型腔中的流動性，而且使得鍛件再結晶充分；同時，亦有利于修復坯料本身存在的缺陷，防止裂紋的產生，以獲得組織與性能優良的模鍛件。

仿真結果與實驗結果基本符合。根據仿真與實驗研究結果，可采用變形速度為0.1 mm/s、模具和坯料溫度均為450 ℃的等溫模鍛工藝作為機輪輪轂的鍛造成形工藝。

3 結論

(1) 適度提高模具與坯料之間的摩擦，增加模具型腔對金屬流動的阻力有利于減小流線與鍛件表面的夾角，獲得較好的流線形態。

(2) 熱模鍛工藝條件下機輪輪轂容易出現根部開裂、高筋部分充填不滿、流線外露等缺陷。

(3) 采用低速成形的等溫模鍛工藝，可有效地降低材料變形抗力，獲得流線分布合理、晶粒細小均勻、力學性能優良、成形完好的機輪輪轂。

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