鋁合金客車車輪強(qiáng)力旋壓有限元模擬

文/王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司趙興·北汽福田汽車股份有限公司李建，孫惠學(xué)·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司

鋁合金客車車輪強(qiáng)力旋壓有限元模擬

文/王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司趙興·北汽福田汽車股份有限公司李建，孫惠學(xué)·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司

利用有限元軟件對(duì)鍛造鋁合金車輪強(qiáng)力旋壓過程進(jìn)行模擬，得到了旋壓過程坯料的流動(dòng)和充型情況，并考查進(jìn)給率對(duì)旋輪的軸向和徑向旋壓力的影響，研究結(jié)果表明，強(qiáng)力旋壓工序中進(jìn)給率對(duì)旋輪的軸向旋壓力影響較小，對(duì)徑向旋壓力影響較大，徑向旋壓力隨著進(jìn)給率的增加而顯著增大，進(jìn)給率為2mm/s相比進(jìn)給率為0.5mm/s的情況，旋輪的旋壓力提高了40%，本研究為鋁合金客車車輪生產(chǎn)過程中旋壓工藝參數(shù)的確定提供了依據(jù)。

鋁合金車輪造型美觀、散熱好、質(zhì)量輕、節(jié)能效果顯著，已經(jīng)逐步取代鋼制車輪應(yīng)用于汽車中，車輪作為汽車的重要安全部件，車輪的質(zhì)量將直接影響汽車的安全性和可靠性。目前國(guó)內(nèi)鋁合金車輪的生產(chǎn)方式以低壓鑄造和重力鑄造為主，鍛造車輪較少，但鑄造工藝生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)卷氣并出現(xiàn)縮孔、疏松等缺陷，產(chǎn)品力學(xué)性能較差，而客車車輪對(duì)其承載能力要求較高，因此鑄造車輪難以在客車中應(yīng)用。

近年來，車輪輪輞旋壓技術(shù)迅速發(fā)展，旋壓技術(shù)制造的車輪以其重量輕、強(qiáng)度高、造型美觀越來越受到各個(gè)制造廠家及車主的青睞。國(guó)內(nèi)外客車車輪采用鍛造→擴(kuò)口→切邊→強(qiáng)力旋壓的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)的鍛造車輪性能顯著提高，輪輞部位經(jīng)過強(qiáng)力旋壓后，力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高，達(dá)到了客車的使用要求。

車輪強(qiáng)力旋壓工藝介紹

旋壓成形技術(shù)是綜合了擠壓、彎曲、鍛造、滾擠、拉伸及環(huán)軋等特點(diǎn)的少無切削工藝，旋壓工藝的成形過程較為復(fù)雜，用于成形回轉(zhuǎn)類零件，這種成形技術(shù)變形條件好、制品性能高、材料利用率高，較適合用于生產(chǎn)鋁合金車輪這類零件，根據(jù)坯料厚度的變化情況將旋壓分為強(qiáng)力旋壓和普通旋壓兩大類。

鋁合金車輪的強(qiáng)力旋壓工藝用于成形輪輞，成形時(shí)坯料高速旋轉(zhuǎn)，旋輪按輪輞型線在數(shù)控系統(tǒng)的控制下做徑向和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，旋輪與坯料接觸后沿著自身軸線隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)，隨著旋壓過程的進(jìn)行，毛坯逐漸緊貼芯模，車輪強(qiáng)力旋壓工藝如圖1所示。

圖1 車輪強(qiáng)力旋壓工藝示意圖

強(qiáng)力旋壓模擬

采用有限元軟件對(duì)車輪的旋壓過程進(jìn)行模擬，考查坯料在旋壓過程中的流動(dòng)填充情況，并考查旋壓進(jìn)給率因素對(duì)旋輪的徑向及軸向旋壓力影響，為客車車輪強(qiáng)力旋壓工藝的制定提供可靠依據(jù)。

旋壓模型的建立

針對(duì)我公司生產(chǎn)的某款鋁合金客車車輪進(jìn)行建模，車輪尺寸為22.5英寸（1英寸=25.4mm），材料為6061鋁合金，模擬采用雙旋輪對(duì)坯料進(jìn)行旋壓，旋壓過程中由于尾頂及底模將輪輻部位壓住，只有輪輞部分參與旋壓變形，因此為了提高計(jì)算效率，將旋壓模型進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，進(jìn)而提高模擬的運(yùn)算速度，簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

圖2 旋壓模具簡(jiǎn)化模型裝配圖

旋壓模擬參數(shù)

旋壓過程中旋輪進(jìn)給率是一個(gè)較為重要的參數(shù)，其選擇原則是，在保證旋壓質(zhì)量的前提下盡量取大值，從而提高生產(chǎn)效率。當(dāng)進(jìn)給率選擇的過大時(shí)，工件將會(huì)過分貼靠在芯模上，導(dǎo)致脫模取件困難，而且也有可能在內(nèi)表皮產(chǎn)生裂紋缺陷，車輪的強(qiáng)力旋壓與筒形件變薄旋壓相同，模擬中進(jìn)給率范圍為0.5～1.5mm/s。

減薄率是指金屬壁厚的減少量和原始壁厚的比值，該數(shù)值反映了工件的變形程度。我們?cè)诔尚芜^程中，把總減薄量與原始壁厚之比稱作總減薄率，強(qiáng)力旋壓減薄率的范圍設(shè)置為13%～44%，旋壓模擬參數(shù)見表1。

旋壓過程中旋輪運(yùn)動(dòng)為軸向和徑向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為一條曲線。以成品輪的輪輞外側(cè)型線為基礎(chǔ)，分別繪制旋輪1和旋輪2的軌跡，并將該曲線進(jìn)行等間距取100個(gè)點(diǎn)，得到每點(diǎn)的坐標(biāo)。然后將每點(diǎn)坐標(biāo)輸入有限元軟件的運(yùn)動(dòng)控制中，以此得到分析過程中旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示。

表1 旋壓模擬基本參數(shù)

圖3 旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡

旋壓模擬結(jié)果

旋壓過程如圖4所示，圖4a為始旋階段，隨著旋輪沿Z向及X向的進(jìn)給，旋輪1與坯料的接觸面積不斷變大，旋輪2也開始對(duì)輪坯進(jìn)行旋壓；圖4b為穩(wěn)旋階段，此階段主要成形輪輞直筒部位，此階段坯料變形量較為均勻，在旋輪的壓力下坯料逐漸貼靠于芯模；圖4c為終旋階段，輪輞及內(nèi)輪緣部位旋壓完畢，整個(gè)車輪旋壓過程結(jié)束，從模擬中可以看出整個(gè)旋壓過程坯料成形較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)折疊缺陷。

旋輪沿著X（徑向）向及Z（軸向）向的載荷曲線分別如圖5和6所示。從圖5、6中可以看出在始旋階段旋輪1的X向成形力趨于平穩(wěn)，Z向的旋壓力呈直線上升趨勢(shì)，穩(wěn)旋階段兩旋輪的X和Z方向的壓力趨于平穩(wěn)，變化不大，在外輪緣成形的終旋階段，X和Z兩個(gè)方向的成形力逐漸降低，整個(gè)旋壓過程旋輪1的X和Z向最大載荷分別在44、26t以內(nèi)，旋輪2的X和Z向最大載荷分別在18、12t以內(nèi)。

圖4 旋壓成形過程

圖5 X向旋壓力

圖6 Z向旋壓力

旋輪進(jìn)給率分別取0.5mm/s、1mm/s和2mm/s三組，考查穩(wěn)旋過程兩個(gè)旋輪在相同軸向進(jìn)給量的情況下X和Z方向的旋壓力，分析得到的三種情況下X和Z方向旋壓力曲線如圖7和圖8所示，從圖7、8中可以看出在X向的旋壓力隨著進(jìn)給率的增加，有明顯增加的趨勢(shì)，進(jìn)給率為2mm/s時(shí)比進(jìn)給率為0.5mm/s時(shí)的成形力提高了約40%，而Z向的旋壓力受進(jìn)給率影響較小。

圖7 三種進(jìn)給率下X向旋壓力

圖8 三種進(jìn)給率下Z向旋壓力

結(jié)論

⑴采用有限元軟件對(duì)鋁合金客車車輪強(qiáng)力旋壓過程進(jìn)行模擬，得到按照各種工藝參數(shù)下輪坯的成形填充情況，有利于觀測(cè)坯料的成形缺陷，為車輪開發(fā)和設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

⑵旋輪的進(jìn)給率對(duì)軸向旋壓力影響較小，徑向旋壓力隨著進(jìn)給率的增加顯著增大，進(jìn)給率為2mm/s時(shí)比進(jìn)給率為0.5mm/s時(shí)的成形力提高了約40%，本研究為鋁合金客車車輪生產(chǎn)過程中旋壓工藝參數(shù)的確定提供了依據(jù)。