鋁車輪旋壓模具優化設計

張立娟

(中國環境管理干部學院環境工程系，河北秦皇島 066004)

旋壓是一種綜合了鍛造、擠壓、拉深、彎曲和滾壓等工藝特點的先進制造工藝方法，在航空航天、通用機械、汽車和化工等金屬精密加工技術領域得到了日益廣泛的應用。

鋁合金車輪以其散熱快、重量輕、節能、舒適性好和外觀漂亮等優點在轎車領域中得到普及。在車輪輕量化趨勢的要求下，作為一種先進的制造技術，旋壓也開始逐漸應用到汽車輪輞的制造和生產中去。車輪正面采用低壓鑄造、輪輞采用熱旋壓加工是目前車輪加工中最安全、最經濟適用、最受關注的一種加工方法，車輪材料均選用A356。A356經過熱旋壓后金屬晶粒變細，并具有明顯的纖維組織，大大提高了車輪的整體強度和耐腐蝕性［1－3］。

文獻［4－6］對鋁合金車輪旋壓成形影響較大的工藝參數，如旋壓道次匹配、旋輪形狀、旋輪進給速度和旋壓力等分別進行了模擬分析和試驗研究，得出了一系列重要結論。但均未對旋壓模具優化改進進行過研究。旋壓模具與車輪毛坯的貼合狀態對旋壓成形起到至關重要的作用。

本文通過對車輪改進前后的旋壓模具和毛坯進行了有限元模擬，討論了模具改進前后對車輪成形造成的影響，并對改進后的模具和毛坯進行了旋壓成形試驗驗證。

1 有限元模型建立

1.1 材料模型

A356合金其室溫塑性較差，需熱態下成形。旋壓溫度的選擇對其成形性和成形質量有很大影響。已有分析表明，采用高溫拉伸實驗測定合金在不同溫度下的力學性能，如圖1所示?？梢钥闯鲭S著溫度升高，合金的強度下降，塑性提高，特別是在350℃時，其塑性隨溫度的升高急劇增加，而強度也快速降低，因此旋壓溫度一般選擇在350℃以上。同時，若溫度過高，則金屬強度太低，也容易引起車輪輪輻處的變形且旋壓時的金屬流動不容易控制。因此，旋壓成形溫度一般控制在350～400℃之間。

車輪材料:Aluminum_A356，溫度350℃，材料性能:密度為 2.604 ×10－6kg/mm3，楊氏模量為 40 867 MPa，泊松比為 0.366。

旋壓下模材料為Steel－H13，溫度為220℃。

1.2 網格模型及邊界條件

以某款19英寸車輪為研究對象，將車輪毛坯與旋壓模具貼合，車輪法蘭處和旋壓模具底部固定，模擬分析在軟件UG模塊中進行，網格劃分采用四面體單元，車輪材料采用A356合金，有限元模型如圖2所示。

(1)分析鑄旋車輪旋壓過程中，在旋輪的作用下，當相同的旋壓載荷(徑向50 kN，軸向50 kN)作用在輪輻下方，與作用在窗口下方時，比較車輪產生的應力及塑性變形的變化情況。

(2)優化模具及毛坯造型后，在相同的載荷(徑向50 kN，軸向50 kN)作用下，與傳統旋壓方式進行比較，分析應力及塑性變形的變化情況。

2 模擬分析

2.1 傳統模式

傳統設計方法為，旋壓毛坯先經過預機加工序，然后與旋壓模具進行貼合。兩者之間的配合間隙是靠調整預機加補償來實現。對于窗口小輪輻多的車輪該旋壓方式能夠適用，但對于本文所述窗口大輪輻少的車輪則不適用。旋壓過程中模具對車輪在窗口部位起不到支撐作用，在旋壓力的作用下，窗口部位較輪輻部位沿軸向變形大，造成了車輪端面不平，機加后出現花瓣形狀，如圖3所示。

2.1.1 載荷作用在輪輻下方

由圖4、圖5可知，應力主要分布在加載區域及毛坯與模具相接觸的區域，同時車輪毛坯發生了塑性應變，應變的產生說明毛坯在卸掉載荷后將產生不可還原的塑性變形。

卸掉載荷時產生的塑性變形量如圖6、圖7所示。

2.1.2 載荷作用在窗口下方

當載荷作用在車輪窗口下方時，模擬結果如圖8～11所示。

由上述可知:卸掉載荷后，載荷作用在輪輻上的總變形量為0.315 7 mm，軸向變形量為0.307 6 mm;載荷作用在窗口上的總變形量為0.533 4 mm，軸向變形量為0.489 3 mm。即當相同載荷作用在輪輻下方時產生的不可還原的塑性變形量要小于作用在窗口下方時產生的變形量。可見，旋壓工藝的特殊性容易導致車輪毛坯產生花瓣式的變形缺陷。

2.2 模具優化

鑒于上述在旋壓過程中旋壓模具對毛坯無支撐作用，易導致窗口大輪輻少的車輪在端面產生變形，依此對現有模具進行優化設計，更改毛坯預機加方式，在旋壓過程中使模具對毛坯有支撐力，避免毛坯端面變形過大。

2.2.1 載荷作用在輪輻下方

由圖12、圖13可以看出，應力更加集中在加載區域及毛坯與模具相接觸的區域，而車輪毛坯塑性應變僅產生在載荷作用的附近區域，說明車輪端面不易產生塑性變形。

卸掉載荷時產生的塑性變形量如圖14、圖15所示。

2.2.2 載荷作用在窗口下方

當載荷作用在車輪窗口下方時，模擬結果如圖16～19所示。

由上可知:卸掉載荷后，載荷作用在輪輻上的總變形量為0.048 9 mm，軸向變形量為0.042 mm，作用在窗口上的總變形量為0.089 mm，軸向變形量為0.088 mm?？梢?，優化后的毛坯與模具結構形式，對車輪輪輻有一定的定位支撐作用，塑性變形量要遠小于傳統結構形式產生的塑性變形量。

由于上述模擬分析采用的是靜態分析，該分析存在局限性，并沒有進行完全的旋壓模擬，與實際旋壓條件有一定差距，但從分析結果來考慮不同條件下，車輪毛坯的應力及變形量的變化趨勢還是有很大的參考意義。

3 試驗

根據模擬結果，對旋壓毛坯和旋壓模具進行了優化(圖20、21)，并進行了試驗驗證(圖22)。

經過驗證，優化后的旋壓模具能夠解決車輪端面變形?，F該設計方法已經應用于其他車輪的模具設計中。

4 結語

本文對改進前后的旋壓模具進行了有限元模擬。根據模擬結果對旋壓模具和毛坯進行了優化和改進，解決了旋壓過程中車輪的端面變形問題，為鋁車輪旋壓模具設計提供了參考依據。

［1］孔玲，張立娟，常海平，等.鑄旋鋁合金輪轂旋壓模具設計及壓料方式研究［J］.制造技術與機床，2011(3):142 －143，147.

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［3］彭子明.強力旋壓工藝分析軟件及旋壓力和偏載力研究［D］.秦皇島:燕山大學，2004.

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［5］張立娟，周宏偉，韓云，等.鑄旋鋁合金輪轂對旋壓設備的需求分析［J］.鍛壓技術，2010(8).

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