鋁合金輪轂旋壓成形技術(shù)

文／張建良，邱立寶，劉杰·保定立中車(chē)輪制造有限公司 宋鴻武，張士宏·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

鋁合金輪轂旋壓成形技術(shù)

文／張建良，邱立寶，劉杰·保定立中車(chē)輪制造有限公司 宋鴻武，張士宏·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

20世紀(jì)末，安全和環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，現(xiàn)代汽車(chē)減重節(jié)能的要求不斷高漲。有研究數(shù)字顯示，若汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。因此，車(chē)身減重對(duì)于整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、車(chē)輛控制穩(wěn)定性，以及碰撞安全性都大有裨益，汽車(chē)輕量化已成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵性的研究課題。隨著原料成本的降低、成形技術(shù)的進(jìn)步、防腐工藝的提高，輕合金輪轂在汽車(chē)輕量化進(jìn)程扮演越來(lái)越重的角色。

概述

技術(shù)發(fā)展背景

旋壓是制造汽車(chē)輪轂的一種先進(jìn)成形技術(shù)，旋壓成形的輪轂可以保持金屬的致密度和整個(gè)輪轂的動(dòng)平衡，輪轂在具有足夠剛度的同時(shí)，能大大減少材料的厚度，使輪轂變得更輕、更耐用。與普通低壓鑄造的鋁合金輪轂相比，同尺寸的輪轂重量可減小15%。為了適應(yīng)汽車(chē)不斷加嚴(yán)的要求，鋁合金輪轂已經(jīng)全面向大直徑、輕量化、高強(qiáng)度等方向發(fā)展。

鑄旋工藝流程及其在輪轂輕量化上的優(yōu)勢(shì)

鑄旋工藝制造鋁輪轂的具體工藝流程，如圖1所示。該工藝將低壓鑄造、旋壓成形緊密結(jié)合于同一熱加工過(guò)程中，不僅綜合低壓鑄造和旋壓成形各自的優(yōu)勢(shì)，而且可以獲得一加一大于二的效果。與低壓鑄造相比，鑄旋新工藝的最大優(yōu)勢(shì)是可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輪轂的輕量化，其中鑄旋車(chē)輪和低壓鑄造車(chē)輪的輪輞厚度比較，如圖2所示，力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比，如表1所示。相同規(guī)格的車(chē)輪，采用鑄旋工藝生產(chǎn)可減重5%～15%，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的高強(qiáng)度、輕量化要求，具有更好的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 鋁合金輪轂鑄旋技術(shù)的主要工藝流程

圖2 鑄旋輪轂和低壓鑄造輪轂的輪輞壁厚比較

表1 鑄旋輪轂和低壓鑄造輪轂輪輞處的力學(xué)性能指標(biāo)

工藝研究

工藝原理

鋁合金輪轂鑄旋新技術(shù)的核心為鑄坯輪輞的熱旋壓工藝，其工藝原理，如圖3所示，是用旋輪將回轉(zhuǎn)體鑄坯進(jìn)行局部連續(xù)旋轉(zhuǎn)壓縮以成形其內(nèi)外截面形狀的成形方法，該過(guò)程綜合了普旋和強(qiáng)旋，在旋壓過(guò)程中，只有輪輞部分發(fā)生變形，輪輻與外輪緣在旋壓時(shí)起固定作用，將毛坯同心地適當(dāng)裝夾在合適的芯模上，當(dāng)主軸帶動(dòng)毛坯旋轉(zhuǎn)后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先編制的程序自動(dòng)控制各旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡，按規(guī)定的形狀軌跡作運(yùn)動(dòng)，擠壓毛坯，逐步地使毛坯緊貼模具型面，從而得到要求截面尺寸的工件。

圖3 輪轂鑄坯熱旋壓工藝原理圖

A356鋁合金的可旋性

（1）旋壓溫度的選擇。A356合金屬于鑄造鋁合金，其室溫塑性較差，需熱態(tài)下成形，因此旋壓溫度的選擇對(duì)其成形性和輪轂成形質(zhì)量有很大影響。采用高溫拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定合金在不同溫度下的力學(xué)性能，如圖4所示，可以看出隨著溫度升高，合金的強(qiáng)度下降，塑性提高，特別是在350℃時(shí)，其塑性隨溫度的升高急劇增加，而強(qiáng)度也快速降低，因此旋壓溫度一般選擇在350℃以上，同時(shí)若溫度過(guò)高，則金屬?gòu)?qiáng)度太低，也容易引起輪輻處變形且旋壓時(shí)的金屬流動(dòng)不容易控制，因此旋壓成形溫度一般控制在350～400℃之間。

圖4 A356合金不同溫度下的拉伸性能

（2）鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓主要缺陷。輪轂鑄坯熱旋壓是一個(gè)集材料塑性變形和數(shù)控加工的復(fù)雜過(guò)程，缺陷多由溫度過(guò)低或材料的堆積、隆起所引起。溫度過(guò)低，材料塑性較差，而隆起過(guò)大，就會(huì)引起旋壓力的明顯增加，從而導(dǎo)致開(kāi)裂、起皺、環(huán)狀波紋、表面粗糙、尺寸精度惡化等缺陷，如圖5所示。在加工的過(guò)程中，坯料的受力狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致材料的隆起（見(jiàn)圖6），旋輪進(jìn)給率、壁厚減薄率、旋輪成形角越大，則隆起增大，如果有些材料隆起，但是并不繼續(xù)發(fā)展，而保持一定的高度，直到旋壓終了(穩(wěn)定變形)，則是可以的。反之，如果材料隆起，并在旋壓過(guò)程中不斷增高(非穩(wěn)定變形階段)，造成金屬的不穩(wěn)定流動(dòng)，一般會(huì)產(chǎn)生表面缺陷，工件破裂直至旋壓過(guò)程的中斷。

工藝優(yōu)化

圖5 容易產(chǎn)生的旋壓缺陷

圖6 旋壓過(guò)程中坯料的受力狀態(tài)

鋁合金輪轂鑄坯的熱旋壓成形是個(gè)集幾何、物理和邊界條件的三重非線性為一體的復(fù)雜變形過(guò)程。影響鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓成形的工藝參數(shù)很多，如材料性能、旋輪形狀及加工方法等，如果單純依靠試驗(yàn)的方法來(lái)研究輪轂的鑄旋工藝，就可能造成耗資大、研究周期長(zhǎng)、試驗(yàn)過(guò)程中的隨機(jī)干擾因素多等缺點(diǎn)。如果只采用理論解析的方法，卻又常常很難快速、準(zhǔn)確地解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。而數(shù)值模擬技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為旋壓工藝的制定和優(yōu)化提供了先進(jìn)的分析方法。

有限元模型建立

（1）幾何模型建立。實(shí)際旋壓初始坯料的輪輻和外輪緣表面比較復(fù)雜，不利于有限元網(wǎng)格的劃分和計(jì)算求解，所以將這些復(fù)雜的空間曲面簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的平面和球面，最終建立的旋壓初始坯料如圖7a所示。而芯模，頂模以及旋輪皆按照實(shí)際形狀繪制，建立好的旋壓裝配圖，如圖7b所示。

圖7 有限元模型中的坯料與旋壓裝配圖

（2）材料模型建立。由于旋壓為一種逐點(diǎn)、高速成形工藝，其應(yīng)變速率較高，本文中輪轂旋壓過(guò)程的等效應(yīng)變速率通過(guò)計(jì)算可得，三道次的有效應(yīng)變速率分別約為40.5/s、18.9/s、16.8/s。而目前關(guān)于鑄造鋁合金A356的熱塑性變形行為研究較少，特別是缺乏高應(yīng)變速率下熱變形行為方面的研究，因此采用熱壓縮試驗(yàn)測(cè)定了溫度范圍為300～450℃、應(yīng)變速率范圍為0.1/s～50/s的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

（3）有限元模型的其他處理。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，坯料溫度在整個(gè)變形過(guò)程變化不大，因此將變形假設(shè)為等溫過(guò)程（坯料溫度320℃）。在實(shí)際旋壓過(guò)程中，芯模自轉(zhuǎn)帶動(dòng)坯料做高速旋轉(zhuǎn)，但這樣不便于計(jì)算，本文的有限元模型中芯模以及坯料不旋轉(zhuǎn)，靠旋輪繞坯料芯軸的高速公轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋壓，同時(shí)旋輪也會(huì)在摩擦力的作用下繞自己的芯軸自轉(zhuǎn)，這樣并不改變金屬的受力狀態(tài)和變形規(guī)律。另外劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)于要經(jīng)歷大變形的輪輞處的網(wǎng)格則劃分比較細(xì)小，而對(duì)于不參與大變形的輪輻以及外輪緣的網(wǎng)格劃分比較粗，減少網(wǎng)格的總數(shù)量，以便減少計(jì)算時(shí)間。

模擬結(jié)果及分析

（1）旋壓后坯料的成形情況。三個(gè)旋輪先后走完其軌跡后，旋壓初始坯料變形表面，如圖8a所示，從圖中可以看出，輪輞表面光滑，沒(méi)有明顯的起皺與材料堆積等缺陷，同時(shí)駝峰與內(nèi)輪緣處成形良好，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)比較合理。從圖8a、b中的應(yīng)變分布還可以看出，坯料表面的應(yīng)變分布不均勻，在駝峰兩側(cè)的應(yīng)變比較大，而駝峰本身應(yīng)變較輪輞上半部分的應(yīng)變較大，這與通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的坯料變形流線吻合。

（2）坯料開(kāi)口角的模擬和優(yōu)化。坯料的開(kāi)口角是指旋壓初始坯料放到芯模上時(shí)輪輞與芯模所成的角度(見(jiàn)圖3)，這個(gè)角度的大小對(duì)旋壓的最終效果起著關(guān)鍵性作用，所以本文首先對(duì)不同開(kāi)口角的坯料進(jìn)行旋壓模擬，以便選擇一個(gè)較為合適開(kāi)口角度。圖9給出了開(kāi)口角為8°、18°、28°時(shí)旋壓后的應(yīng)變分布圖，從圖中可以看出在截面內(nèi)的應(yīng)變分布不均勻，皆是坯料外側(cè)（靠近旋輪一側(cè)）的應(yīng)變大于坯料內(nèi)側(cè)的應(yīng)變，而內(nèi)輪緣處的應(yīng)變始終很小，不同的開(kāi)口角時(shí)的應(yīng)變都在0.1以下。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)當(dāng)開(kāi)口角為8°與開(kāi)口角為28°時(shí)所能獲得的最大應(yīng)變?cè)?.2左右，而整個(gè)截面的應(yīng)變主要在0.6～0.8之間。當(dāng)開(kāi)口角為18°時(shí)，所能達(dá)到的最大應(yīng)變?yōu)?.08，整個(gè)截面的應(yīng)變分布在1.0～1.3之間。將鑄坯進(jìn)行旋壓變形的目的在于讓坯料獲得大變形以減少鑄造缺陷的不利影響，同時(shí)細(xì)化組織，提高輪轂的力學(xué)性能，所以認(rèn)為開(kāi)口角為18°的坯料要優(yōu)于開(kāi)口角為8°和28°的坯料。

圖8 旋壓成形輪轂表面的應(yīng)變分布

圖9 采用不同開(kāi)口角的坯料旋壓成形輪轂截面的應(yīng)變分布

（3）旋輪軌跡模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖9所示，即使是優(yōu)化開(kāi)口角后的坯料，在其旋壓結(jié)束后內(nèi)輪緣處的應(yīng)變量依然很小，而實(shí)際生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)內(nèi)輪緣處的力學(xué)性能較輪輞差。為了分析內(nèi)輪緣處應(yīng)變量小的原因，特截取了旋壓過(guò)程中不同時(shí)刻坯料截面應(yīng)變分布圖，如圖10所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，位置A最終發(fā)展為了內(nèi)輪緣，因此分析A處的變形歷史就可知道內(nèi)輪緣形變量很小的原因。當(dāng)t＜26s時(shí)，位置A處始終不能貼模，所以不會(huì)有較大的變形量。當(dāng)t＞26s后，位置A處貼模，但是這時(shí)主要成形駝峰，也不會(huì)有較大的變形量。當(dāng)t＜26s時(shí)，位置A處始終不能貼模的原因是：當(dāng)1#旋輪還沒(méi)有將坯料完全壓貼模，2#旋輪已經(jīng)開(kāi)始?jí)合屡髁?當(dāng)t=8s)，此時(shí)主要由2#旋輪推著坯料往下流動(dòng)，A處不能貼模；同樣，2#旋輪還沒(méi)將坯料完全壓貼模，3#旋輪開(kāi)始推著坯料往下流動(dòng)，A處還是不能貼模。

為了改善內(nèi)輪緣處的應(yīng)變狀況以提高相關(guān)力學(xué)性能，可以將三個(gè)旋輪一次壓下，即1#輪按其軌跡走完后上2#輪，然后再上3#輪。但是這樣則降低了生產(chǎn)效率，而且也增加了變形時(shí)坯料的不穩(wěn)定性（坯料只在一個(gè)旋輪方向受力不如三個(gè)旋輪同時(shí)作用時(shí)穩(wěn)定），所以本文通過(guò)改變1#與2#旋輪的軌跡來(lái)改善內(nèi)輪緣處的應(yīng)變狀況。

圖10 旋壓時(shí)不同時(shí)刻的截面應(yīng)變分布

圖11 旋輪軌跡的調(diào)整示意圖以及對(duì)應(yīng)的截面應(yīng)變分布

從圖11d～e中可以看出，隨著1#與2#旋輪壓下量的增加以及斜率的改變，內(nèi)輪緣處的應(yīng)變有一定的提高，可以從原來(lái)的0.08提升到0.24左右。根據(jù)文獻(xiàn)的研究結(jié)果，應(yīng)變達(dá)到10%以上，即可有效消除鑄造缺陷，所以本文對(duì)內(nèi)輪緣處應(yīng)變狀況的優(yōu)化是比較有效的。

結(jié)束語(yǔ)

在輪轂輕量化趨勢(shì)的要求下，鑄旋加工成為一種非常有效并且經(jīng)濟(jì)適用的輪轂加工方法，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，更廣闊的市場(chǎng)前景，是未來(lái)鋁合金輪轂工藝發(fā)展的主要方向之一。