H型鋁合金車輪旋壓過程模擬

文／李建，孫惠學·秦皇島燕大現代集成制造技術開發有限公司王世洲·燕山大學

H型鋁合金車輪旋壓過程模擬

文／李建，孫惠學·秦皇島燕大現代集成制造技術開發有限公司王世洲·燕山大學

針對某款H型鋁合金車輪，利用有限元軟件對車輪輪輞強力旋壓過程進行模擬，得到了旋壓過程坯料的流動充型情況，并考察了旋輪錯距對旋壓成形的影響，得出: H型車輪旋壓過程中如果錯距過大則坯料容易堆積，減小錯距可以減少旋輪之間的坯料堆積，有利于坯料流動，本研究為鋁合金H型車輪旋壓提供了工藝參數參考。

近年來人們對車輛的節能減排越來越重視，因此重量輕的鋁合金車輪逐漸替代鋼車輪應用在各種車輛上，商用車車輪由于與地面接觸面積大，摩擦產生大量的熱，容易發生爆胎和剎車失靈等事故，鋁合金的傳熱系數是鋼的3倍，可以快速散熱，而且鋁合金車輪還具有良好的附著性和緩沖性能等特點，在大型車市場具有廣闊的前景，吸引著越來越多的輪轂廠家投入生產和研發。

隨著車輪輪輞旋壓技術迅速發展，旋壓技術制造的車輪以其重量輕、強度高、造型美觀越來越受到各個制造廠家及車主的青睞，輪輞部位經過強力旋壓后，晶粒得到細化，力學性能得到進一步提高，車輛的使用安全性能進一步得到了保障。

旋壓工藝介紹

H型車輪的生產流程如圖1所示，從圖中可以看出6061鋁合金棒料經過鍛造及擴口沖孔工序后即可進入旋壓，旋壓采用熱旋壓，旋壓后的毛坯再經過熱處理、機加工等工序完成整個生產過程。

圖1 鋁合金H型車輪成形工藝路線

旋壓過程有限元模擬

以一款20寸的H型車輪為例對其強力旋壓成形過程進行有限元模擬，考察坯料在旋壓過程中的流動填充情況，以及旋壓錯距對輪輞部位坯料流動的影響，為H型車輪強力旋壓工藝的制定提供可靠依據。

旋壓模型建立

該款H型鋁合金車輪尺寸為20英寸，輪寬為14英寸，材料為6061鋁合金，模擬過程中采用雙旋輪對坯料進行旋壓，在旋壓過程中上模及下模是將輪輻部位緊緊壓住的，只有輪輞部分參與旋壓變形，為了提高計算效率，將旋壓模型進行必要簡化，進而提高計算分析效率，簡化后的模型如圖2所示。

旋壓模擬參數

旋壓模型如圖3所示，模擬分析過程中將上模、下模和定位塊設置為主動，坯料和旋輪設置為從動，主軸轉速300r/min，摩擦系數0.1。旋輪及模具溫度設置為250℃，坯料溫度為350℃，坯料網格數量劃分為18000個。

旋壓過程中旋輪運動為軸向和徑向的復合運動，運動軌跡為一條曲線。以成品輪的輪輞外側型線為基礎，分別繪制旋輪1和旋輪2的軌跡，將軌跡的坐標點輸入軟件的運動控制中，以此得到分析過程中旋輪的運動軌跡。

圖2 簡化后的H型車輪旋壓模具1-旋輪2 2-上模 3-旋輪1 4-下模 5坯料

圖3 旋壓簡化模型

圖4 旋壓成形過程

旋壓模擬結果

計算得到的H型車輪旋壓過程如圖4所示。

圖4a為上側始旋階段，旋輪沿Z向及X向進給，旋輪1與坯料的接觸面積不斷變大，旋輪2也開始對輪坯進行旋壓；圖4b為穩旋階段，成形輪輞直筒部位，此階段坯料變形量較為均勻，在旋輪的作用下坯料逐漸貼靠上模；圖4c為終旋階段，輪輞上側及內輪緣部位旋壓完畢，整個輪輞上部分旋壓結束；圖4d為下側始旋階段，隨著旋輪沿Z向及X向的進給，旋輪1與坯料接觸面積不斷變大，旋輪2也開始對輪坯進行旋壓；圖4e為穩旋階段，主要成形輪輞直筒部位，此階段坯料變形較為均勻，在旋輪壓力下坯料逐漸貼靠下模；圖4f為終旋階段，輪輞下側及內輪緣部位旋壓完畢，整個車輪下側旋壓過程結束，從模擬中可以看出整個旋壓過程坯料成形較為平穩，未出現折疊缺陷。

旋輪形狀及旋輪錯距對輪輞成形的影響分析

錯距旋壓是將多個旋輪在軸向互相錯開，而在徑向又依次使毛坯減薄的一種旋壓方式。從而增加了對變形區的約束，使工件的直徑精度也得到了改善。由于上側的旋輪軌跡長度較長，且直線部分較多、斜度較小如圖5所示，因此在輪輞旋壓過程中容易產生坯料的堆積和翻料。所以旋輪錯距的選擇對上側的輪輞成形有非常重要的影響。

圖5 旋輪2上側軌跡

模擬中上側始旋階段坯料剛開始沿Z軸向上運動，坯料堆積較少，在上側穩旋階段由于軌跡長且斜度較小容易堆積坯料。分別對旋輪錯距為30mm和50mm兩種情況進行模擬，考察錯距大小對坯料成形的影響。

從圖6中可以得出，H型輪輞長度較長且斜度較小，旋壓過程中，當旋輪錯距為50mm時，旋輪1和旋輪2的距離較大，旋輪旋壓時在直線階段容易造成坯料的堆積和翻料。當旋輪錯距為30mm時，旋輪1和旋輪2的距離較小，因此旋輪1旋壓時能壓住旋輪2旋壓后的坯料，使坯料往旋輪1上側的方向堆積，旋輪2上側沒有坯料堆積，成形良好。

圖6 不同錯距對坯料成形的影響

結論

⑴利用數值模擬技術，可以得到按照各種工藝參數下輪坯的成形填充情況，有利于觀測坯料的成形缺陷，為車輪開發和設計提供可靠依據。

⑵旋輪之間的錯距過大時坯料容易堆積翻料，減小錯距有利于減少坯料堆積。