影響鋁合金車輪鍛造成形力的因素

文/王利梅，劉建芳·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

李建 ，孫惠學·燕山大學機械工程學院

影響鋁合金車輪鍛造成形力的因素

文/王利梅，劉建芳·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

李建 ，孫惠學·燕山大學機械工程學院

目前，鋁合金車輪以其美觀、散熱好、質(zhì)量輕、耐腐蝕、加工性好等優(yōu)點已經(jīng)逐步取代鋼制車輪應用在各類款式的汽車上。車輪是汽車的重要安全部件，其強度和疲勞壽命必須達到較高的要求，車輪的質(zhì)量將直接影響汽車的安全性和可靠性。

車輪在行駛過程中承受來自各個方向因起動、制動、轉(zhuǎn)彎、物體沖擊等各種載荷所產(chǎn)生的復雜的力，因此為了保證車輪產(chǎn)品的安全，在使用前必須通過多項臺架試驗測試，本文采用有限元軟件對其鍛造成形過程進行模擬，考察幾個關(guān)鍵因素對鍛造成形力的影響，為車輪開發(fā)和設計提供可靠依據(jù)。

影響鍛造成形力的兩大因素

目前，鍛造鋁合金車輪的生產(chǎn)工藝路線為：鍛造→擴口→旋壓→機加工，本公司生產(chǎn)的某款鋁合金客車車輪尺寸為22.5寸，模型如圖1所示。由于本款車輪尺寸較大，鍛造成形力相對較大，在車輪鍛造成形過程中，坯料溫度、模具溫度、摩擦系數(shù)等都是影響成形力的主要因素，在現(xiàn)有噸位液壓機條件下，過大的成形力將會對填充情況有較大影響，導致廢品的產(chǎn)生，車輪鍛造填充不足缺陷如圖2所示。現(xiàn)采用有限元分析軟件對鍛造過程進行模擬，考察坯料及模具溫度、摩擦系數(shù)對成形力的影響。

圖1 鋁合金客車車輪模型

圖2 鍛造車輪填充不足缺陷

坯料、模具溫度對成形力的影響

影響鋁合金塑性加工性能的因素較多，變形溫度是最關(guān)鍵的因素之一，鋁合金冷態(tài)下塑性加工性能較差，高溫時塑性變形能力得到大幅提高，鋁合金對變形溫度十分敏感。當坯料加熱溫度不足時，鋁合金變形抗力較大，導致成形力上升，并且批量生產(chǎn)的最后階段，模具溫度較低，此時坯料與模具接觸后降溫很快，從而導致鋁合金溫度降低，填充性能下降，這也是導致產(chǎn)生填充不足缺陷的主要原因，車輪鍛造成形過程如圖3所示。

圖3 鋁合金客車車輪鍛造成形過程

采用有限元軟件模擬本款鋁合金客車車輪鍛造成形過程，將模具溫度設置為400℃保持不變，分別考察坯料溫度為390℃、420℃、450℃和480℃情況時，鍛造成形力隨溫度變化而產(chǎn)生的不同；然后將坯料溫度設置為450℃保持不變，考察模具溫度為300℃、350℃、400℃和450℃情況時，鍛造成形力隨溫度變化而產(chǎn)生的不同。該鋁合金車輪材料選為6061鋁合金，上模速度設置為2mm/s，計算得到的車輪塑性應變云圖如圖4所示，坯料溫度及模具溫度對鍛造成形力的影響關(guān)系曲線分別如圖5、6所示。

圖4 車輪等效塑性應變云圖

圖5 坯料溫度對成形力的影響

圖6 模具溫度對成形力的影響

從圖5、6中可以看出，溫度的改變對鍛造成形力的影響較大，成形力隨模具及坯料溫度的降低而升高，所以應該嚴格控制模具及坯料溫度，鍛造時高溫坯料應避免與溫度較低的模具接觸，避免因激冷而導致坯料龜裂，在實際生產(chǎn)過程中，應該根據(jù)生產(chǎn)實踐的情況考慮增設模具保溫裝置。

摩擦系數(shù)對成形力的影響

鋁合金車輪鍛造時需要保證模具型腔的表面光潔度，在模具加工過程中，模具各型面需要經(jīng)過拋光處理，并且在鍛造前模具需要保證潤滑劑噴灑均勻，從而有助于提高鋁合金鍛造時的流動性，改善成形條件。在有限元軟件中，將模具溫度設置為400℃，坯料溫度設置為450℃，分別考察摩擦系數(shù)f為0.05、0.1、0.2及0.3情況下鍛造成形力的大小，摩擦系數(shù)對成形力的影響關(guān)系曲線如圖7所示。

從圖7所示的曲線走向中可以看出，模具與坯料之間的摩擦系數(shù)對鍛造成形力影響較大，成形力隨著摩擦系數(shù)的增大而增大，因此模具加工過程中應該嚴格控制模具型面光潔度，實際生產(chǎn)中需要保證模具充分潤滑。

圖7 摩擦系數(shù)對成形力的影響

結(jié)束語

⑴采用有限元軟件對鋁合金車輪鍛造成形過程進行模擬，可得到鍛造過程中各個時刻車輪的成形填充情況以及成形力的數(shù)據(jù)，為車輪開發(fā)和設計提供可靠依據(jù)。

⑵分別考察模具、坯料溫度及摩擦系數(shù)等因素對成形力的影響，結(jié)果表明成形力隨模具及坯料溫度的降低而增加，隨著摩擦系數(shù)增大而增大，生產(chǎn)時需要嚴格控制模具及坯料溫度，并且保證模具充分潤滑，本研究為實際生產(chǎn)中工藝參數(shù)的確定可起到指導作用。

王利梅，碩士研究生，主要研究方向為車輪鍛造成形模具的研發(fā)。