基于熱模擬試驗的大尺寸6061鋁合金輪轂旋壓工藝

王建華，季云浩，李亨

（1.閩西職業技術學院智能制造學院，福建 龍巖 364021; 2.美的集團股份有限公司技術中心；3.合肥工業大學工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009）

1 背景

2020年9月我國明確提出了2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標，“雙碳”戰略倡導綠色、環保、低碳的生活方式，綠色出行也逐漸成為新時尚，在這種大環境下，我國新能源汽車技術異軍突起、迅速發展。新能源汽車電池安裝于底盤上，所以底盤高度要求要高一些。因此，大部分新能源汽車都以SUV的形式面世。而近日全球首款原生純電豪華MPV極氪009問世，并將馬上實現量產出貨，必將推動新能源汽車的大型化技術更加成熟。這就帶動輪轂的大型化。新能源汽車考慮輕量化效應，基本都使用鋁合金輪轂，而大型化的鋁合金輪轂，壓鑄工藝會有不少缺陷，高端的車型會考慮采用鍛壓和旋壓的方式生產。徐圓義、李亨等運用等效試驗方法，研究了鋁合金輪轂的鍛造工藝，提高了薄弱區的屈服強度和抗拉強度。李亨、季云浩等針對商用鋁合金輪轂法蘭盤的結構特點對鍛造工藝及模具結構進行改進，將鍛壓模具設計成波浪形，并對鍛造工藝參數進行優化，使得段壓成形力降低了20%。周正、楊莎等利用Deform軟件對鋁合金輪轂預鍛和終鍛過程進行了數值模擬,并進行了微觀晶粒模擬,分析了結果,為鍛造工藝的優化提供了參考。范宏軍通過胎環旋壓的方式來達到輕量化的目的,同時通過旋壓工藝的改善以實現產品的量產。玄令祥、徐恒秋采用ABAQUS有限元分析軟件對輪轂旋壓成形的過程進行仿真模擬,獲取相應的應力應變情況,在相對較短的時間里,完成對于工藝方案的驗證工作,提高加工效率。本文在前期研究的基礎上，研發6061鋁合金輪轂的旋壓成形工藝。

2 熱模擬試驗

2.1 實驗方法

本次實驗采用6061鋁合金作為研究對象，6061鋁合金是Al-Mg-Si系鋁合金，也是現在商用鋁合金輪轂最常用的材料，其主要的化學成分如表1所示。

表1 6061鋁合金化學成分及質量分數（質量分數單位：%）

實驗選用6061鋁合金小圓柱作為試樣，直徑為8mm，高度為10mm，根據實驗要求，需將試樣進行打磨，小圓柱上下表面打磨到砂紙600，側面打磨到砂紙400，在Gleeble-3500熱模擬實驗機上進行熱壓縮實驗。因流變應力和應變、應變速率、變形溫度相關，將該實驗的參數設定為真應變0.65，應變速率為0.01、0.1、1，變形溫度為380℃、420℃、460℃，為了防止在熱壓縮過程中，由于存在較大摩擦力而導致的變形不均勻，實驗前將試樣兩端面均勻涂抹石墨以降低摩擦力對實驗的影響，本次實驗采用熱電偶加熱，加熱速度為10℃/s，加熱后保溫5min，實驗完成后以水淬冷卻降溫。

2.2 6061鋁合金真實應力-應變曲線

由Gleeble-3500熱模擬試驗機得到的實驗數據包括時間、壓力、應力、應變、變形過程中每時刻的溫度，對實驗數據進行整理分析可以擬合出真實應力應變曲線如圖1。

圖1 真實應力應變曲線

對熱模擬實驗數據進行分析，得到不同溫度、不同應變速率下的峰值應力，如表2。

表2 不同條件下的峰值應力

利用Oringin軟件對熱壓縮實驗的數據進行回歸分析，得到6061鋁合金在高溫條件下的本構方程和含Z函數的應力應變方程：

帶有Z參數的應力應變方程：

3 鋁合金輪轂旋壓工藝的設計與分析

研究的鋁合金輪轂旋壓件輪轂直徑達到669mm，高度達到278mm，尺寸較大，輪輞軌跡較長，選用熱旋增加材料的流動性，提高成品率。通過對輪轂的幾何特征的分析，需要采用兩種旋輪分兩道次旋壓的方式成形輪轂。

4 旋壓方案：輪輞上下部分同時旋壓

通過分析確定旋壓方案為輪輞上下部分同時旋壓，利用旋輪同時向上向下旋壓，盡管旋輪上下旋壓時軌跡不同，向上為斜直線，向下為復雜的曲線，但基本上兩旋輪旋壓時產生的Z向成形力可以相互平衡。

4.1 輪轂輪輞上下同時旋壓過程分析

依照上述的條件設置好進行模擬，X、Z向旋壓力如圖2所示。

圖2 旋壓過程中X、Z向旋壓力

由圖2(a)、(b)知，在劈開階段，旋輪2的周向、徑向旋壓力迅速增加，徑向旋壓力增加的更大，達到了180KN，旋壓坯料被切開，此時旋壓坯料存在一個“豁口”，便于旋輪1的進入，旋輪1的旋壓力增加的也很快，但相對于旋輪2有一個延后，兩個旋輪之間有旋壓時間差。劈開階段后，旋輪2繼續向上進給，旋輪1開始徑向進給并接觸旋壓坯料，兩個旋輪全部進入工作狀態。此后旋壓力大致成下降趨勢，隨著旋壓的進行，旋輪前方堆積的材料逐漸減少，減薄率也在逐漸減少，導致旋壓力成下降趨勢，但也可看出旋輪1的旋壓力，無論是周向旋壓力還是徑向旋壓力都下降的較為緩慢，原因為旋輪2成形的輪輞上部分，形狀較為簡單為一條斜直線，而旋輪1成形的輪輞下部分是較為復雜的曲線，造成旋壓力下降的較為緩慢。

4.2 輪輞上下部分同時旋壓過程中應力、應變場分析

（1）應變場。圖3是旋壓過程應變分布圖，由圖知，旋壓過程的應變大體呈現出逐漸增大的趨勢。當旋壓進程為25%時，由于旋輪的徑向進給，與旋輪接觸的部分產生了較大的塑性變形，應變也主要集中在與旋壓接觸部分，應力值達到了2；隨著旋壓的進行，由旋壓進程為50%和75%時知，整個旋壓坯料應變最大值出現在旋壓過程的中后期且在旋輪后方，最大值達到了7，主要因為隨著旋輪的進給，旋輪前方材料堆積，造成厚度增加，減薄率也增加，導致應變逐步增大，且正在變形區域對已變形區域依然有一個強大的拉應力，造成已變形區域再次減薄，這也是最大值出現在旋輪后方的原因，而旋壓坯料中間部分一直會受到這樣的一個拉應力，故在設計時把輪轂的中間部分增加了一個加強筋，以防止過度減薄造成的缺陷；當旋壓進程達到100%時，可以明顯的從圖中看出輪輞上下部分的應變大小不同，上部分應變為4.5，下部分為2，造成應力不同的原因為本次旋壓屬于強力旋壓，盡管輪輞下部分變形較為復雜，但整體的減薄率是小于上部分，輪輞上部分減薄率大，應變大。

圖3 旋壓過程中應變場分布圖

（2）應力場。圖4是旋壓過程應力場分布，如圖所示，旋壓進程在25%時，應力主要分布在旋壓坯料的中部和上部，原因是在劈開階段旋壓坯料中部和上部最早和旋輪2接觸產生應力；隨著旋壓的進行，由旋壓進程為50%和75%時圖知，輪輞上部分成形處于一個穩定的狀態，應力值基本保持不變，應力大小為50MPa，輪輞下部分進入全面塑形變形后，應力從剛開始的10MPa迅速增加到50MPa；當旋壓進程達到100%時，可以看出輪輞上部分應力值大于下部分，其原因和輪輞上部分應變值偏大一樣，上部分變形較大，而輪輞成形終了階段，應力的最大值出現在中間部分，其原因是旋壓過程中正在變形部分對相鄰材料有軸向的拉應力的作用，而這種作用是相互傳替的，無論是向上旋壓還是向下旋壓，輪輞中間部分都是這種軸向拉應力作用效果的累積，所以在旋壓的中后期，輪輞中間部分應力值最大，達到了60MPa。

圖4 旋壓過程中應力場分布圖

5 結語

利用Gleeble-3500熱模擬試驗機對6061鋁合金進行熱壓縮實驗，得到了6061鋁合金真實應力應變曲線，擬合出6061鋁合金的本構方程。

利用有限元軟件Simufact對商用鋁合金輪轂旋壓過程進行數值分析確定采用輪輞上下同時旋壓方案來制造輪轂，結合成形力和材料流動分析了輪輞旋壓過程，理論上證明了設計的輪轂成形工藝方案。