鎂合金汽車輪轂擠壓成形工藝分析及其數(shù)值模擬

陳鍇，顏銀標(biāo)，徐躍

(南京理工大學(xué) 材料與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

鎂合金具有密度低、強(qiáng)度好、高傳熱系數(shù)和高阻尼系數(shù)等特點(diǎn)，這使得鎂合金十分適合作為汽車輪轂材料，可以讓汽車整體的行駛性能和安全性能得到較大提升[1-2]。目前大部分鎂合金輪轂主要以壓鑄為主，但是壓鑄工藝設(shè)備成本較高造價(jià)昂貴，使得鎂合金輪轂還無(wú)法廣泛地應(yīng)用于汽車市場(chǎng)。同時(shí)，鑄件先天具有縮松、縮孔等缺陷使其性能遠(yuǎn)不如塑性加工的變形鎂合金[3]。

結(jié)合鎂合金熱塑性好的特點(diǎn)，提出采用熱擠壓的方法來(lái)進(jìn)行鎂合金輪轂成形[4-5]。由于輪轂零件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜擠壓難度大。因此提出坯料預(yù)成形后在一套模具中完成擠壓輪轂的工藝，設(shè)計(jì)了兩種擠壓方案及其模具結(jié)構(gòu)并進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)Deform-3D軟件平臺(tái)對(duì)兩種擠壓方案進(jìn)行數(shù)值模擬，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)試制驗(yàn)證結(jié)果。

1 輪轂擠壓方案分析

輪轂零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該輪轂規(guī)格為5幅17英寸，輪輻間有5個(gè)孔洞；每根輪輻上有一個(gè)凹槽，輪輻中心有一直徑約為50mm的中心孔；整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱擠壓難度大，并且對(duì)成形設(shè)備要求高。由輪轂零件結(jié)構(gòu)不難預(yù)測(cè)在最后成形的上下輪胎座處將成為成形難點(diǎn)，上線輪胎座見(jiàn)圖1(a)中a、b所示區(qū)域；同時(shí)，輪轂整體較大的尺寸將大大提高對(duì)成形設(shè)備的要求。

圖1 輪轂結(jié)構(gòu)示意圖

由于鎂合金熱傳遞系數(shù)高，所以采用等溫?cái)D壓，擠壓方案1如圖2所示，將加熱后的成形坯料放入凹模具中，沖頭下壓后抬起即完成零件擠壓，5個(gè)輪輻間孔洞通過(guò)后期機(jī)加工完成。

圖2 擠壓方案1和對(duì)應(yīng)模具結(jié)構(gòu)

擠壓方案2如圖3所示，方案中將擠壓過(guò)程分成2部分，由主沖頭完成輪轂底部和輪輻等主要部分，上模板完成輪轂后端階梯形狀的輪胎座部分，兩次擠壓均在一套模具中完成。此外，該方案需要提前完成5個(gè)輪輻間孔洞的機(jī)加工。

圖3 擠壓方案2和模具結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬分析和結(jié)果

2.1 數(shù)值模擬前處理

利用Pro/E完成輪轂零件和對(duì)應(yīng)模具的三維模型的建立，包括底板、鑲塊、上模具、套圈、上模板、坯料等。將建立的幾何模型導(dǎo)入Deform-3D前處理模塊，忽略熱傳遞，設(shè)定坯料和模具溫度為360°。材料物性中導(dǎo)入已經(jīng)建立的AZ80材料模型，沖頭下壓速度為2 mm/s，摩擦系數(shù)為0.2[6]。

由于零件較大，為了增加運(yùn)算效率，本文選取模型的1/5，對(duì)在邊界條件中進(jìn)行坯料對(duì)稱面設(shè)定。最后完成運(yùn)算步數(shù)、步長(zhǎng)、終止條件等軟件運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定[7-8]。擠壓方案1和方案2的建模效果如圖4所示。

圖4 擠壓模具三維圖

2.2 成形效果分析

圖5表示兩種方案數(shù)值模擬擠壓終了時(shí)擠壓件的成形情況。可以看出由擠壓方案1成形的輪轂在前端輪輻處的輪胎座處出現(xiàn)了擠不滿現(xiàn)象，并且存在不少拉裂缺陷；后端輪胎座成形困難擠不滿現(xiàn)象更為嚴(yán)重，整個(gè)后端輪胎座形狀不完整。

圖5 兩種擠壓方案成形輪轂數(shù)值模擬結(jié)果

擠壓方案2成形輪轂件整體形狀完整，輪廓清晰，無(wú)拉裂，無(wú)折疊。擠壓件在兩端的胎座處都沒(méi)有出現(xiàn)擠不滿的現(xiàn)象。方案1中，由于反擠壓困難，坯料難以擠入型腔尺寸較小、距離較遠(yuǎn)的后端，導(dǎo)致后端輪胎座出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷；而方案2將后端輪胎座單獨(dú)成形則較好完成了該部分的成形，同時(shí)提前在坯料上加工出輪輻孔有利于輪輻端輪胎座的成形。

對(duì)比2種方案，顯然擠壓方案2的成形效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于擠壓方案1。

2.3 等效應(yīng)變分析

2種擠壓方案擠壓終了時(shí)，對(duì)應(yīng)擠壓件的等效應(yīng)變分布如圖6所示。由圖6可知，方案1成形件較大應(yīng)變主要分布在5個(gè)輪輻和輪輻間孔洞處。輪輻中段應(yīng)變約為1，相鄰輪輻結(jié)合部應(yīng)變約為4，輪輻凹槽兩側(cè)應(yīng)變約為5，輪輻端的輪胎座應(yīng)變<1。對(duì)于方案2的成形件輪輻中段的應(yīng)變<1，相鄰輪輻結(jié)合處應(yīng)變約為1.4，輪輻凹槽兩側(cè)應(yīng)變約為3，輪輻端的輪胎座應(yīng)變約為1.1。

圖6 輪轂等效應(yīng)變分布

2種方案成形件應(yīng)變最大區(qū)域均為輪輻間孔洞處的坯料，但是此部分材料在后續(xù)機(jī)加工中將會(huì)被切除，所以此處不做討論。因此，對(duì)比2個(gè)方案成形件的應(yīng)變場(chǎng)可知，除了輪輻端輪胎座位置，其余各個(gè)部分方案1的成形件的等效應(yīng)變均大于方案2。

2.4 載荷分析

圖7對(duì)比了2種擠壓方案主沖頭下壓量和所需載荷曲線，由于方案2第二階段的擠壓力較小，這里對(duì)方案2主要討論其第一階段的載荷-行程關(guān)系。在圖7中可以看出，坯料完全與模具接觸后，所需載荷由800 t增大到4 000 t以上。在擠壓前期方案1和方案2的擠壓力隨行程變化相差不大，但當(dāng)接近擠壓終了時(shí)，擠壓方案1對(duì)應(yīng)載荷開(kāi)始急劇增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方案2。方案2所需最大載荷約為4 500 t，而擠壓方案1所需最大載荷超過(guò)7 500 t。

圖7 上模載荷隨行程變化規(guī)律

對(duì)比方案1、方案2在主沖頭下壓時(shí)只需要成形底部輪胎座和輪輻，避免了輪輻間孔洞處坯料的壓薄，使得在最后成形輪胎座時(shí)所需的載荷要更小。

顯然，方案2所需的擠壓力遠(yuǎn)小于方案1，大幅降低了壓力設(shè)備噸位要求。

3 實(shí)驗(yàn)試制

數(shù)值模擬結(jié)果表明，方案2優(yōu)于方案1。所以根據(jù)制定的擠壓方案2對(duì)鎂合金輪轂進(jìn)行熱擠壓實(shí)驗(yàn)試制，模具和坯料溫度均加熱至380℃，擠壓速度為2 mm/s；在50 000 kN液壓機(jī)上進(jìn)行熱擠壓試制；擠壓前，在凹模、凸模的表面均勻地涂上粉狀石墨的水類潤(rùn)滑劑。

擠壓完成后，最終成形輪轂如圖8所示。可以看出進(jìn)過(guò)后續(xù)機(jī)加工的零件整體成形良好，無(wú)明顯缺陷，尺寸形狀基本符合模擬結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證改熱擠壓方案切實(shí)可行。

圖8 熱擠壓成形輪轂

4 結(jié)語(yǔ)

1)分析了傳統(tǒng)鑄造鎂合金輪轂的缺點(diǎn)，提出了采用熱擠壓成形的方法進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鎂合金輪轂成形，探討成形工藝難點(diǎn)和原因。

2)針對(duì)擠壓成形出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了2種擠壓成形方案和對(duì)應(yīng)模具結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明方案2優(yōu)于方案1。

3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)試制驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

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