6061铝合金轮毂的力学性能与锻造工艺的计算机模拟

第34卷第3期2012年5月上海金属SHANGHAIMETALSVO134，NO3MAY，2012296061铝合金轮毂的力学性能与锻造工艺的计算机模拟龙伟周迪生张恒华邵光杰许珞萍上海大学材料科学与啊呈学院，匕海200072【摘要】分别采用树枝晶和非树枝晶6061铝合金锻造生产汽车轮毂，并应用CMT5305电子万能实验机对轮毂不同位置取样进行力学性能测试，用三维有限元软件DEFORM一3D模拟6061铝合金轮毂的锻压过程，分析对比轮毂不同位置的应力应变状态以及与力学性能之间的关系。结果显示，经过电磁搅拌处理的非树枝晶材料生产的轮毂，其力学性能较普通材料整体上有较大改善；轮毂中累积应力应变越大的位置，其力学性能相对应力应变小的位置更佳。【关键词】轮毂非树枝晶组织6061铝合金锻造CHANICALPROPER_MSANDSL丁】ATIONTOT皿FOIGPROCESS0LF606LALI皿NUMALLOY，IELHUBLONGWEIZHOUDISHENGZHANGHENGHUASHAOGUANGJIEXULUOPINGSCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，SHANGHAIUNIVERSITY，SHANGHAI200072，CHINA【ABSTRACT】6061ALUMINUMALLOYWITHDENDRITICMICROSTRUCTUREANDNONDENDRITICMICROSTRUCTUREOBTAINEDBYELECTROMAGNETICSTIRRINGPROCESSINGWEREUSEDTOFORGINGWHEELHUBRESPECTIVELYTHEMECHANICALPROPERTIESOFTHEDIFFERENTPOSITIONSINWHEELHUBWERETESTEDWITHCMT5305ELECTRONICUNIVERSALTESTINGMACHINETHREEDIMENSIONALFINITEELEMENTSIMULATIONSOFTWAREDEFORM一3DWASUSEDTOSIMULATETHEFORGINGPROCESSOFWHEELHUB，THESTRESSSTRAINSTATEINDIFFERENTLOCATIONSOFHUBWASALSOANALYZEDTHERESULTSSHOWEDTHATTHEMECHANICALPROPERTIESOFWHEELHUBMANUFACTNREDWITHNONDENDRITICBILLETSHADBEENIMPROVEDGREATLYTHANTHEONEWITHDENDRITICMIEROSTRUCTURETHEMECHANICALPROPERTIESATTHEPOSITIONSINWHEELHUBWITHGREATERACCUMULATIONSTRESSANDSTRAINWEREBETTERTHANTHEONEWITHRELATIVELYLOWACCUMULATIONSTRESSANDSTRAIN【KEYWORDS】WHEELHUB，NONDENDRITICMIEROSTRUCTURE，6061ALUMINUMALLOY，FORGING能源、环境和安全是当今世界各国极为关注的三大问题，汽车工业的发展与这些问题密切相关，汽车轻量化已成为汽车工业的发展方向。轮毂作为车辆承载最重要的安全部件，它不仅承载汽车自身的重量，还要受到车辆在起动、制动时动态扭矩的作用，这就要求轮毂要有精度高、疲劳强度高、减震性好、质量轻和美观等特点。因此在保证车辆安全前提下选择质量轻的材料显得尤为重要。铝合金轮毂强度与钢铁相近，且具有质量轻、散热性好、抗蚀性优异和美观等特点，这些都大大改善了车辆的行驶安全和轮胎寿命；此外，铝合金易于回收，有利于环境保护，已经逐步取代钢铁成为轮毂的主要材料。6061铝合金属于A1一MGSI系，是典型的可热处理强化铝合金，中等强度且具有良好的加工性、耐蚀性和切削性，是汽车和摩托车锻造轮毂的主要材料。锻造铝合金轮毂质量好，有致密的金相组织和优异的力学性能，表面质量佳，但是由于汽车轮毂尺寸较大，工件较复杂，因此锻造工艺及其参数对其产品的性能有很大影响，且锻造铝合金轮毂的力学性能作者简介龙伟，男，主要从事铝合金铸造成形技术的研究，EMAILLOVELONGWEISHUEDUEN通讯作者张恒华，教授，博导，已发表论文150余篇，EMAILHHZHANGSHUEDUCN第3期龙伟等6061铝合金轮毂的力学眭能与锻造工艺的计算机模拟31图4上、下模具及坯料的DEFORM3D图FIG4DEFORM3DCHARTOFUPPERDIE，LOWERDIEANDBILLET2实验结果与分析采用DEFORM3D模拟6061铝合金轮毂的锻造过程，其应力应变模拟结果如图5。图5中右侧从下到上的颜色变化表示有效应变值由小到大。从图中可以看出锻压后在中间毂、外胎圈及轮辋位置的应力应变值比较大，而在轮辐、外轮缘和内轮缘位置的应力应变值较小；依次在各个不同位置取一点做点追踪，见图5B，结果显示锻压结束时，各处应力应变从大到小依次为中间毂、外胎圈、轮辋、外轮缘、辐条和内轮缘，从而可以预测锻造结束时中间毂、外胎圈和轮辋处的力学性能较佳。时问S图5DERM一3D模拟结果FIG5DERM一3DCHARTOFSIMULATIONRESULTS6061铝合金轮毂不同位置的力学性能对比见图6。从图6可以看出B材料只有少数位置的样品的力学性能要低于A材料，说明经过电磁搅拌处理的B材料的力学性能在整体上要高于A材料，这是由于B材料经过电磁搅拌处理后，得到非树枝晶基体组织，从而使得其成形后的力学性能得到了改善。从图6可以看出，B材料的中间毂、轮辋及外轮缘位置的抗拉强度和屈服强度比较理想，抗拉EZ3A32强度最高处为轮辋，达到334MPA；屈服强度最高处为内轮缘，达到286MPA，外轮缘和辐条处的抗拉强度和屈服强度相对较差。此外，B材料不同位置的延伸率都比较优异，说明成形后的轮毂韧性较佳；延伸率最高的位置为外轮缘和内轮缘，分别达到了178和182，最低的位置在辐条。结合图5和图6可知，锻压使轮毂不同位置产生不同形变，造成了位错增殖，位错相互缠结，产生了形变强化，使得抗拉强度和屈服强度得到较大巾问毂辐条外轮缘外胎圈轮辋内轮缘中间毂辐条外轮缘外胎圈轮辋槽内轮缘取样位茕取样位置图6不同材料及取样位置的力学性能对比FIG6MECHANICALPROPERTIESATDIFFERENTLOCATIONSINWHEELHUB5432032上海金属第34卷提高。轮辋、外胎圈和中间毂在锻造结束时，应变已经比较大，在之后的扩孑L和旋压中得到进一步变形，使得这些位置的力学性能变得更加优异；辐条和外轮缘处由于应变比较小，且外轮缘处为热节，从而这些位置的抗拉强度和屈服强度较低；内轮缘处虽然在锻压结束时应变较小，但在之后的旋压过程中形变较大，如图1E，从而其力学性能最后变得较佳。3结论16061铝合金坯料经过电磁搅拌形成非树枝晶基体组织，应用该坯料锻压成形出的轮毂力学性能整体上得到了较大改善。2利用DEFORM一3D软件模拟了6061铝合金轮毂的锻压过程，模拟和实验结果均显示轮毂锻造过程中累积应力应变较大的位置，最后表现出了较佳的力学性能。2参考文献滕焕波，冯再新，张冶民轻合金汽车轮毂的生产方法J轻合金加工技术，2006，341619姜超，陈林，黄国杰汽车轮毂材料的发展现状及制备工艺J金属热处理，2007，321235413朱利民先进的铝轮毂设计与制造技术J技术工程，2008245474晓青镁合金在汽车上的应用及发展趋势J上海汽车，2005338405KAPRONOSPSEMISOLIDMETALPROCESSINGANENVIRONMENTALLYFRIENDLYPROCESSJMATERIALWORLD，199494654676李继文，谢敬佩国内外著名汽车轮毅内在质量分析研究【J汽车工艺与材料，2004776907马鸣英汽车轻量化和镁合金的应用J中国有色金属报，20067138赵培峰，任广升6061铝合金材料常数的研究J塑性工程学报，2006，13479819高小勇，毛卫民6061铝合金半固态浆料的行波电磁搅拌制备工艺J铸造，2010，59434735010YUFONGWU，GAPYONGKIMCARBONNANOTUBEREINFBRCEDALUMINUMCOMPOSITEFABRICATEDBYSENTISOLIDPOWDERPROCESSINGJJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY，20112111341134711毛卫民，赵爱民电磁搅拌对半固态AISI7MG合金初生一A1的影响规律J金属学报，1999，35997197712毛卫民，赵爱民非枝晶半固态ZL101合金的电磁搅拌及触变成形研究J铸造，1999258收修改稿日期20120105_墨量墨上接第25页3田志宏，张秀华，田志广X射线衍射技术在材料分析中的应用J工程与试验，2009，49340424高鸿奕，谢红兰，陈建文，等X射线的穿透深度J激光与光电子学进展，2001，LL27305BARSHILIAHC，PRAKASHMS，JAINA，ETA1STRUCTURE，HARDNESSANDTHERMALSTABILITYOFTIA1NANDNANOLAYEREDTIA1NCRNMULTILAYERFILMSJVACUUM，2005，771696HUANGJH，TASIYP，YUGPEFFECTOFPROCESSINGPARAMETERSONTHEMICROSTRUCTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFTINFILMONSTAINLESSSTEELBYHCDIONPLATINGJTHINSOLIDFILMS，1999，3553564407BRENNANS，MUNKHOLMA，LEUNGOS，ETA1XRAYMEASUREMENTSOFTHEDEPTHDEPENDENCEOFSTRESSINGOLDFILMSJPHYSICAB，2000，28312512918KANGMC，PARKIW，KIMKHPERFORMANCEEVALUATIONOFALPTIA1NCOATEDTOOLFORHIGHSPEEDMACHININGJSURFACEANDCOATINGSTECHNOLOGY，2003，16316473491O111213WANGYK，XIAOLF，LEITO，ETA1ARESEARCHONMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESOFTI，A1NCOATINGJSURFACEANDCOATINGSTECHNOLOGY，1995，7271PRENGELHG，PFOUTSWR，SANTHANAMATSTATEOFTHEARKINHARDCOATINGSFORCARBIDECUTTINGTOOLSJSURFCJA1TECHNO119