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汽车铝合金轮毂强力旋压成形工艺研究 摘要 伴随着汽车工业向环保、舒适、安全、节能方向发展，汽车的轻量化设计 显得尤为重要。轮毂作为承载汽车全身重量的重要部件，其性能的好坏将直接 影响到汽车的寿命、外观、安全性和舒适性。铝合金轮毂以其优美的外观、高 的强度、良好的散热性、相对轻的质量、较小的惯性阻力等，已经逐渐代替钢 制轮毂，成为高品位汽车的标志。 旋压成形工艺作为一种先进的制造技术，逐渐的应用到汽车轮毂的制造和 生产中，汽车轮毂的强力旋压过程是一个复杂的成形过程。为了系统的研究汽 车轮毂强力旋压成形规律，在对轮毂强力旋压工艺分析的基础上，建立了符合 实际的力学模型。利用有限元分析软件a b a q u s 对轮毂的强力旋压过程进行 数值模拟，得到旋压成形过程各道次的应力应变分布情况，分析了变形区金属 的流动规律和塑性成形机理，为有效的制定成形工艺、优化工艺参数提供了依 据。 对不同工艺参数下，汽车轮毂的旋压成形过程进行数值模拟，得到减薄率、 进给比、旋轮工作圆弧半径和芯模转速等工艺参数对轮毂成形件质量和精度的 影响规律。在此基础上，分析了汽车轮毂旋压成形时所出现的起皮、鼓凸、壁 厚不均和轨迹表面等缺陷，并对缺陷原因进行说明。在数值模拟的基础上，选 取合适的工艺参数，并采用正交表分配各因素的值，进行工艺参数的优化设计。 以内径偏差和壁厚偏差为主要判断依据，通过正交试验的方法分析进给比、 旋轮圆弧半径、芯模转速和摩擦条件对旋压成形质量的影响关系，得到最优的 工艺参数的组合。 关键词：汽车轮毂；强力旋压；数值模拟；工艺参数；正交试验 t e c h n i c a ls t u d yo na u t o m o b i l ea a l l o yh u b p o w e rs p i n n i n gf o r m i n gp r o c e s s a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yd e v e l o pi n e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n 、 c o m f o r t 、s a f e t ya n de n e r g y s a v i n gd i r e c t i o n ，t h el i g h tw e i g h td e s i g no f a u t o m o b i l e i sc h a n g e dv e r yi m p o r t a n t a st h ev e r yi m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l e ，t h e n u b s u p p o r t s t h eb o d y p a r t t h e c a p a b i l i t y o ft h e h u bi sa f f e c t t h e l i f e s p a n ，a p p e a r a n c e ，s e c u r i t ya n d c o m f o r to ft h ea u t o m o b i l e - b e c a u s eo ft h ep r e t t ya p p e a r a n c e 、h i g hi n t e n s i t y 、e l i m i n a t i o no fh e a t 、l i g h t w e i g h ta n ds m a l li n e r t i ar e s i s t a n c e ，t h ea - a l l o y h u br e p l a c e dt h es t e e lh u bb e c a m e t h el a b e l i n go fh i g h - g r a d ea u t o m o b i l e a sa na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，p o w e rs p i n n i n g i sa l s oa p p l i e d w i d e l yi nt h ea u t o m o b i l eh u bp r o d u c t i o n ，t h ea u t o m o b i l eh u bp o w e r i n gs p m n m g f o r m i n gi sav e r yi n t r i c a t ep l a s t i cf o r m i n gp r o c e s s t oi n v e s t i g a t et h ef o r m i n gl a w o fa u t o m o b i l eh u bp o w e rs p i n n i n gf o r m i n g ，t h ep o w e rs p i n n i n go fa u t o m o b i l eh u b f e mm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e db ym e a n so ff i n i t e e l e m e n tt h e o r yb a s e da n d t e c h n o l o g ya n a l y s i s t h ep o w e rs p i n n i n gf o r m i n gp r o c e s so fa u t o m o b i l eh u b i s s i m u l a t e du s es o f t w a r ea b a q u s e x p l i c i t ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t yo fs t r e s s a n ds t r a i n f o re v e r yp a s sf o r m i n gh a v eb e e no b t a i n e d t h ef l o wl a wa n dp l a s t i c d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ff o r m i n g z o n eh a v e b e e na n a l y z e d i ti s t h eu s e t h e o r e t i c a lb a s i st o r e s e a r c hr u bs p i n n i n g p a r a m e t e rc o l l e c t e d l y p r o c e s s a n do p t i m i z et h ep r o c e s s t h ea u t o m o b i l eh u bp o w e rs p i n n i n go fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e rh a sb e e n s i m u l a t e di nt h i sp a p e r t h ee f f e c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r ss u c ha sf o r c ed o w no t r 0 1 1 e r f e e dr a t i o ，r a d i u so fr o l l e r sr o u n da n dr o t a t i o n a ls p e e do fm o u l do nq u a l i t y a n dd r e c i s i o ns i z eo fa u t o m o b i l eh u bh a v eb e e no b t a i n e d i ti st h eu s e f u lb a s i st o r e s e a r c ht h ed e f e c ts u c ha se x p a n s i o ns c a bs c a l e ，p u l v i n a t e do fb l a n k ，d i s p a r i t yo f w a l lt h i c k n e s sa n dt h el o c u si nb l a n kf a c ei nt h ep r o c e s so fa u t o m o b i l eh u bf o r m i n g ， a n dt h er e a s o n sf o rt h e mh a v eb e e np u tf o r w a r d t h ea p p r o p r i a t ep r o t e s sp a r a m e t e r s h a v eb e e ns e l e c t e db yb a s i n go nt h e r e s u i t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t e d b yu s i n go r t h o g o n a l d e s i g nm e t h o d i nt h e d i s t r i b u t i o no ft h o s ep a r a m e t e r s ，t h ep a p e rh a sc a r r i e do u to p t i m i z i n gt h ep r o c e s s p a r a m e t e r i nv i r t u e o fd e g r e eo fi n n e rd i a m e t e rd e v i a t i o na n dw a l l t h i c k n e s s d e v i a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fs p i n n i n gf o r m i n gq u a l i t yw h i c hw a sb o u g h ta b o u tb y i i f o r c ed o w no fr o l l e r ，f e e dr a t i o ，r a d i u so fr o l l e r sr o u n da n dr o t a t i o n a ls p e e do f m o u l dh a v e b e e ns t u d i e dw i t ht h em e t h o do fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，t h e b e s t a p p r o p r i a t em a t c h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sh a v eb e e na c h i e v e di nt h ef i e l do ft h e e l e c t i v ep a r a m e t e r s k e y w o r d s ：a u t o m o b i l eh u b ；p o w e rs p i n n i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t e d ；p r o c e s s p a r a m e t e r s ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t i i i 插图清单 图1 1 汽车轮毂结构图1 图1 2 汽车轮毂旋压成形工艺2 图1 3 旋压成形示意图4 图1 - 4 普旋成形工艺4 图1 5 强力旋压成形工艺5 图2 1 轿车铝合金轮毂锻坯和零件1 1 图2 2 旋压件表面折迭和起皮现象1 2 图2 3 异形件旋压用旋轮1 2 图2 4 旋压件的扩径13 图2 5 旋压件的轨迹表面13 图2 6 旋压成形的壁厚不均1 4 图2 7 轮毂旋压成形工艺流程15 图2 8 锥形件强力旋压成形原理图1 5 图2 9 轮毂强力旋压有限元模型16 图2 1 0 罚摩擦行为1 7 图2 1 l 各道次旋轮运动轨迹1 7 图2 1 2 轮毂初始毛坯18 图2 1 3 第一道次成形过程内外表面的等效应力分布1 8 图2 1 4 第一道次成形过程内外表面剪应力分布1 9 图2 - 1 5 第一道次结束后内外表面等效应力分布曲线1 9 图2 1 6 第一道次成形过程内外表面等效应变分布2 0 图2 1 7 第一道次内外表面等效应变分布曲线2 1 图2 1 8 第二道次成形过程内外表面等效应力分布2 1 图2 19 第二道次内外表面等效应力分布曲线2 2 图2 2 0 第二道次成形过程内外表面等效应变分布2 2 图2 2 l 第二道次成形过程内外表面等效应变分布2 3 图2 2 2 第三道次旋压过程内外表面等效应力分布2 4 图2 2 3 第三道次旋压内外表面主应力分布云图2 5 图2 2 4 第三道次旋压内外表面等效应力分布2 5 图2 2 5 第三道次旋压过程内外表面等效应变分布2 6 图2 2 6 第三道次内外表面应变分布曲线2 6 图3 1 不同减薄率对轮毂成形的影响3 2 图3 - 2 旋轮圆弧半径对旋压成形的影响3 4 2 ， v 一，一 一，弘卯钙钾 _ ： 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 _ ： _ ： _ ： 一 一 一 一 一 一 一 一 _ = 一 图图 一 一势势 一 一趋趋响响响响影影影影的形的的形成差差成毂偏偏压轮厚径旋对壁内对速对对比转素素给模因因进芯各各 3 4 1 2孓扣舢舢 图图图图 表格清单 表1 1 铝合金轮毂成形工艺比较3 表2 1 轮毂强力旋压各道次模拟参数1 4 表3 1 旋压模拟各个参数的选取31 表4 1 正交试验安排表4 1 表4 2 第一道次轮毂旋压模拟结果4 2 表4 3 第二道次轮毂旋压模拟结果一4 3 表4 4 第一道次各水平对壁厚差的影响极差表一4 4 表4 5 第二道次哥水平对壁厚差的影响极差表4 4 表4 - 6 第一道次各水平对内径偏差的影响4 6 表4 7 第二道次各水平对内径偏差的影响4 6 表4 8 第一道次极差分析后最优参数组合一4 8 表4 9 第二道次极差分析后最优参数组合4 8 表4 1 0 第一道次试验结果4 8 表4 1 1 第二道次试验结果4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金魍王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：f 云缝磊 签字日期：伊加年r 月砷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金自巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：啦年丫月加日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 加 月戽朴罕年 参加 名 期 签 日 师 字 导 签 磊踅 屋 致谢 本论文是在导师李萍教授的严格要求和悉心指导下完成的。导师敏锐的学 术思维和洞察力，丰富的专业知识，积极进取、开拓创新的精神永远值得我学 习。近三年的学习期间，导师言传身教，以她严谨的治学态度、广博的专业知 识、忘我的工作热情、踏实的工作做风为我今后的工作树立了榜样。在此，向 辛勤工作的导师表示崇高的敬意和感谢! 特别感谢薛克敏教授在学习期间和论文写作过程中给予悉心指导和帮助， 在车间学习的一年，将是我人生中最宝贵的财富。 真诚的感谢同课题组的孙丽丽师姐、袁美玲师姐在论文构思、选题方面提 出的宝贵意见和建议。 特别感谢在一起的同窗共读的研究生：李琦、董传勇、吴战立、唐勇、禹 路、国宁、汪洋以及王晓溪博士生，感谢师弟师妹们给予的配合。 最后，由衷的感谢我的家人，他们的支持和鼓励永远的激励我前进! i v 作者t 贾建磊 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 随着我国制造业水平的不断提高，我国的汽车工业在向环保、舒适、安全、 节能的方向发展。在这个过程中，汽车的轻量化设计就显的尤为重要。 轮毂作为承载汽车全身重量的重要部件其性能的好坏将直接影响到汽车 的寿命、外观、安全和舒适性。铝合金轮毂以其优美的外观、高的强度、良好 的散热性、相对轻的质量、较小的惯性阻力等，已经逐渐代替钢制轮毂。成为 高品位轿车的标志。 图l 1 汽车轮毂结构图 1 轮辋2 - 轮辐3 一气门孔4 一槽底5 一轮缘6 一胎圈座7 一偏距 轮毂的主要结构如图l ，l 所示1 ，其中：轮辋是与轮胎装配配合，支撑轮 胎的车轮部分：轮辐是与车轴车轮实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分：气门 孔安装轮胎气门嘴的孔；槽底是为方便轮胎装拆，在轮辋上留有一定深度和宽 度的凹坑；轮缘是保持并支撑轮胎方向的轮辋部分；胎圈座是与轮胎的胎圈接 触，支撑维持轮胎半径方向的轮辋部分；偏距是轮辋中心面到轮辐安装面间的 距离，有正偏距、零偏距、负偏距之分。 1 2 铝合金轮毂的成形工艺 铝合金轮毂的成形工艺有很多，主要分为铸造法、锻造法和旋压法。 12 1 铸造法 铝合金轮毂的铸造分为低压铸造和反压铸造。低压铸造是最基本的方法 也是比较经济的方法，该法把熔化的金属浇铸在模其中成型硬化。反压铸造是 较为先进的铸造方洁，主要是利用真空把金属液吸入模具，冷却成型的工艺。 反压铸造的优点是：有利于保持恒温和排除杂质，铸件内没有气孔且密度均匀， 强度很高1 2 j 。 1 2 2 锻造法 锻造法主要分为常规锻造、铸造锻造和半固态模锻等。 常规锻造是一般意义的锻造方法，直接在压力机上对坯料锻造。铸造锻造 法是利用压力机对铸造的坯料进行锻造的方法，般用于对轮毂要求比较高的 汽车用轮毂。半固态模锻是将半固态坯料加热到有一半体积液相的半固态状态 后进行模锻成形的工艺，是一种目前各国都在研究的新型工艺【3 1 。 1 2 3 旋压法 旋压工艺技术是在特定的温度和压力下，通过持续的旋转运动和挤压作 用，将轮毂的轮辋部位的结构不断地在滚压过程中延展。该工艺保持了金属的 致密度和整个轮毂的动平衡，使轮辋变得更轻更耐用。旋压出的轮毂在保持了 足够刚度的同时，能大大减少材料的厚度，与普通低压铸造铝轮毂相比，同尺 寸的轮毂重量可减小1 5 t 4 1 。轮毂旋压生产的主要方法有：管材轮辋旋压( 如 图1 - 2 a ) 、板坯劈开式旋压( 如图1 2 b ) 和预铸( 锻) 件毛坯强力旋压( 如图 1 2 c 、d ) 等【5 1 。 皿皿。j _ 嗡皿1 7 s 3 _ ( a ) 无缝管旋压车轮辋( b ) 板坯劈开旋压整体轮毂 d 皿监a 脂盟儡日 ( c ) 预制锻坯强力旋压整体车轮( d ) 预制锻坯劈开旋压整体车轮 图1 2 汽车轮毂旋压成形工艺 随着我国制造业的发展和进步，铝合金轮毂的旋压成形日益受到关注。目 前，我国专家学者已经开始对轮毂的旋压成形和变形机理进行研究。文献 7 】 以某汽车轮毂旋压成形为例，用有限元模拟的方法，分析了轮毂成形应力应变 分布规律，为工艺参数的制定提供了有效的依据和参考。文献【8 】推导了等强度 轮辐旋压的毛坯尺寸计算公式，探讨了旋压参数选择中考虑的几个因素并给出 了等强度轮辐旋压工艺的实例。文献 9 】论述了旋压技术在钢制轮毂和铝制轮毂 的新发展以及旋压设备水平的进步，通过比较国内和国外轮毂制造方面的差距， 为国内轮毂生产提供借鉴。文献 1 0 】以钢制车轮旋压成形为例，介绍了等强度 车轮对旋压机和旋压工艺的要求，对旋压技术在车轮成形中的应用进行了展望。 文献【1 1 】文章详细阐述了以板材、管材、预制锻坯等为坯料生产铝合金轮毂的 旋压成形工艺，为推广旋压技术的应用，促进铝合金轮毂制造业的发展，起了 2 很好的推动作用。 1 3 铝合金轮毂成形工艺的比较 目前，以上的几种工艺方案都是成形轮毂的主要方法，并在实际成产中规 模使用，不同成形工艺的区别如表1 1 所示。 表l - 1 铝合金轮毂成形工艺比较 序成形难 号 成形工艺零件质量力学性能生产成本产品附加值 度 表面质量 刚度小，受成形容 欠佳，需要到撞击后易，花色 生产成本较 l 铸造成形 低，适合批附加值较低 后续机加容易发生品种多 工 弯曲变形样 量生产 强度、韧性 生产工 尺寸精确， 和抗疲劳 序较多，生产成本高 2 锻造成形能力较高，附加值较高 加工量小成品率于铸造成形 但容易产 较低 生脆断 抗疲劳能 尺寸精度力、强度、生产工 材料利用率 高，后续加屈服点。抗序较少， 高，适合不 3 旋压成形同规格的轮附加值最高 工量小或 拉强度和 生产率 毂生产，成 不加工硬度都显高 本低 著提高 根据表中比较的结果可以明显的看出，旋压生产轮毂是轮毂制造业的发展 方向，所以对铝合金轮毂强力旋压工艺的研究，将具有重要的实用价值。 1 4 旋压的分类和发展概况 1 4 1 旋压技术分类 旋压是利用工具连续地依次对工件极小部分施加压力而使其逐渐成形的 一种工艺方法【6 1 如图1 。3 所示。这是一种生产薄壁回转体工件的成形工艺。旋 压主要分为普通旋压和强力旋压( 变薄旋压) 。 图1 3 旋压成形示意图 1 芯模2 坯料3 尾项4 旋轮 普通旋压的特点是在成形过程中，只改变毛坯的形状而不改变其壁厚。普 旋可以完成拉深成形、压肋、收口、封口、翻边、卷边等各种成形工作。普通 旋压成形工艺见图1 4 所示【7 1 。 。o 。 n ， i；) 眩砀i e 。 ( a ) 拉深成形 g (翻 i 一 划 一 i h ，6 l i - 移 1砑 舅 荔 ( b ) 缩颈收口( c ) 卷边成形 图1 4 普旋成形工艺 普旋成形的优点包括： 1 ) 多为近似半球模成形，模具制造周期较短，费用低于成套冲压模 5 0 - 81 ： 2 ) 近似为点变形，旋压力比冲压力低7 0 - 8 0 ； 3 ) 可在一次装卡中完成成形、切边制梗咬接等诸多工序； 4 ) 在旋压时实现加热较其它加热成形方便。 强力旋压的特点是在旋压成形过程中，即改变毛坯的形状又改变毛坯壁厚 的成形工艺。主要包括锥形件旋压和筒形件旋压。锥形件旋压又称为剪切旋压， 是指在较高的接触压力下坯料壁厚逐渐减薄而外径无显著变化的旋压工艺。筒 4 形件旋压又称流动旋压，是指在变形过程中旋轮对管状毛坯施加压力，使金属 沿径向发生塑性变形。强力旋压主要用来成形深锥形零件和高精度的长筒类零 件【16 1 。 髦 7 - 0 i ( a ) 锥形件旋压( b ) 筒形件旋压 图1 5 强力旋压成形工艺 1 芯模2 坯料3 尾顶4 旋轮 强力旋压成形的优点包括： 1 ) 产品精度高，表面光洁度好。 2 ) 产品的性能好、范围广。 3 ) 材料利用率高，产品成本低。 4 ) 工艺和装备简单、所需吨位小。 鉴于以上优点，强力旋压广泛的应用于航空航天、兵器工业、冶金机电工 业、化学工业和民用工业。 1 4 2 强力旋压技术的研究概况 旋压工艺自从十世纪产生于我国以来，经历了漫长的历史，并随着历史进 程不断的丰富和发展【l2 1 。目前，针对强力旋压工艺已经建立起来了各种理论分 析方法。在这方面，r 根据所做的著名实验椭球体芯模可旋性实验，将材料材 料的可旋压定义为材料旋压后不破裂所达到的最大减薄率。日本学者叶山益次 郎【l3 j 也做过大量的工作，针对强力旋压中的起皱问题，叶山认为法兰部分的起 皱与法兰瞬间相对宽度有关，提出了起皱系数c 的概念，材料的抗皱能力随着 c 值的增大而增大，而且c 也和材料硬化指数间存在某种特定的关系。 s k o b a y a s h i 1 4 】分析了锥形件旋压失稳情况，对于理想锥形件强力旋压，在出现 起皱时，假设法兰边出应力状态与拉深工艺类似，引用无压边时的拉深临界应 力公式，得出法兰的临界状态尺寸关系。卡尔巴克赛格路( s k a l p a k c i o g l u ) 1 5 】和 阿维佐( b a r i z u r ) 1 6 1 等曾分别对强力旋压的变形机理做了些模型试验和解 析。其目的是试图揭示旋压过程中材料的变形机理，如变形的几何关系、物理 现象及性能等方面问题，摆脱以往旋压工艺中所采用的尝试法的盲目性，建立 对变形机理的理性认识，并为较经济和有效地解决理论( 如变形力学) 和实际应 用( 如工艺设备设计) 等方面问题提供依据。 在对旋压的研究过程中，国内的学者也做了很多工作。在对强力旋压的模 拟计算方面：文献 1 7 针对筒形件强力旋压旋压力的变化规律，采用三维弹塑 性有限元法对筒形件强力旋压工艺进行了分析，得到了正旋时变形区接触面上 旋压力3 个分量的分布规律。文献 18 】对金属管材冷旋压成形过程进行了数值 模拟，得出不同旋轮工作圆角区的应力应变分布规律，分析了影响成形的各种 因素，计算了旋压力，为有效的制定旋压工艺参数提供依据。文献 1 9 】针对工 艺参数对多道次拉旋的影响进行分析，研究了不同工艺参数对应力应变的分布 规律的影响。文献【2 0 1 对筒形件旋压后工艺参数对残余应力分布影响进行研究， 对旋压件内的残余应力进行预测，并与实验结果进行对比。文献【2 1 】对薄壳件 多道次旋压过程进行模拟，分析了该过程中壁厚的分布与变化及工艺参数对壁 厚的影响规律。文献【2 2 】对倾斜类管件的旋压成形过程进行了数值模拟分析得 出了单道次旋压成形时的金属流动特点及应力、应变分布规律，并预测了成形过 程中可能出现的缺陷及其区域。在实验方面：文献 2 3 】针对滚珠旋压的工艺参 数的分析，得出了滚珠旋压成形力和成形功率的计算公式。文献 2 4 介绍了碳 素钢变薄旋压成形试验，对碳素钢交薄旋压工艺参数的选取进行了探索，为旋 压成形壳体提供了工艺参考。文献【2 5 】采用剪切和轧压综合变形的计算方法， 建立锥形件柔性旋压力计算公式，并对内旋压的工艺参数进行理论分析和实验 研究。文献【2 6 针对小锥角的零件，进行了多道次剪旋成形实验研究，为成形 小锥角锥形件提供了试验依据。文献【2 7 】以偏心薄壁异形件为例，对3 0 c r m n s i a 旋压成形进行了试验研究，采用多道次有芯模复合旋压成形工艺，为非对称工 件的旋压成形工艺提供参考。 1 5 轮毂成形有限元理论 汽车轮毂的强力旋压过程是一个多因素作用下的塑性大变形过程，涉及几 何非线性、物理非线性和边界非线性等三大非线性问题，塑性变形区随着旋轮 的运动不断发生变化，整个变形过程极其复杂。采用刚塑性有限元法可以精确 的模拟旋压成形过程，得到变形过程的应力应变分布情况。 塑性成形一般为大变形问题，此时材料的弹性变形量相对于塑性变形量可 以忽略不计，因而可视为刚塑性材料。针对这种刚塑性材料建立的有限元法称 为刚塑性有限元法，它是小林史郎( s h i r ok o b a y a s h i ) 和李( l e e c h ) 于1 9 7 3 年提出的，二十几年来得到很大发展，广泛应用于各种塑性加工问题。 金属的旋压成形中，变形过程比较复杂，采用刚塑性有限元法分析其塑性 成形过程时，有必要做一些假设： 6 1 材料均质、各向同性并且不可压缩； 2 不计材料的弹性变形，忽略温度对成形的影响； 3 忽略体积力( 重力、惯性力等) 的影响； 4 模具为刚性体，在成形中不发生变形。 1 5 1 刚塑性力学基本方程 刚塑性材料发生塑性变形是应满足以下方程： 1 平衡微分方程 ，= 0 ( 1 1 ) 2 几何方程 艺：昙( 五扩+ (1-2)ujj)勺2i 扩+ ( 3 本构方程 艺= 寺盯驴 3 ， 式中，；= 厮，表示等效眠8 一- 朊，表示等效应变速率o 4 m i s e s 屈服条件 孑：】， 式中，卜材料的屈服应力 r y _ j 焉4 ， 1 【厂( s ，s ，r ) 5 体积不可压缩条件 毛= 毛岛= 0 ( 1 - 5 ) 6 边界条件边界条件保括应力边界条件和速度边界条件 在应力边界条件& 上= 只 在速度边界条件瓯上“，= “， 式中乃- 表面上任一点处单位外法线矢量的分量。 1 5 2 刚塑性有限元法的理论基础 刚塑性有限元法的理论基础是变分原理，即认为在一切动可容速度( 或位 7 移) 场中，使能率泛函数取得驻值的速度场就是真实速度场。根据这个速度场， 利用小变形几何方程即可求得应变速率场，进而由本构方程求得应力场。在刚 塑性有限元的求解过程中，针对体积不可压缩条件的处理方法提出不同的解法， 主要有拉格朗日乘子法、体积可压缩法和罚函数法。 1 5 2 1 拉格朗日乘子法 拉格朗日乘子法是建立在刚塑性材料不完全广义变分原理的基础上，它把 体积不可压缩条件用拉格朗日乘子引入能率泛函，得到如下的新泛函： 一 f 一 妒。2 k 上、毛勺d 矿一上。只一峦+ 1 2 e o 6 v d v ( 1 - 6 ) 式中第一项为塑性变形功率；第二项为力面s 。上给定表面力p ，所作的功 率；磊为k r o n e e k e r 符号，当f - j f 时磊。1 ，而当f _ 时8 0 = 0 。 刚塑性材料不完全广义变分原理认为，在所满足几何方程和速度边界条件 的速度场v 中，是泛函式( 2 1 2 ) 取得驻值的m 为真实速度场。 1 5 2 2 体积可压缩法 对于刚塑性材料，由于假设体积不可压缩，故当求得速度场后，利用圣维 南塑性流动方程，只能求得应力偏量，而无法求得应力值。前面介绍的拉格朗 日乘子法，虽然可求得应力值，但计算量非常大。对于金属材料在其塑性变形 时，也会由于孔隙的压实而发生微量的体积变化，而体积变化的大小又是与平 均应力( 静水压力) 有关。这样，如果假设塑性变形时材料的体积是可变的， 则当求得速度场后，就不难确定其体积的变化，进而求得平均应力和应力值。 针对体积可压缩材料的塑性变形，其能量泛函为： 一 一 9 = i 盯s d v ip , v , d s ( 1 7 ) 式中占= 1 5 2 3 罚函数法 对于刚塑性有限元法，对初始速度厂的处理除了拉格朗日法之外还有罚函 数法。罚函数法是根据泛函是否满足体积不变条件来决定是否给予惩罚，以改 变泛函值而促使其满足体积不变条件。在泛函中引入一个很大的正数a ( 通常 1 0 5 1 0 6 ) 乘以体积应变速率l 平方形成的惩罚项，构成如下新泛函： 9 = 瓜胀九枷一正， v ) 7 p d s + 詈j ：枷 ( 1 - 8 ) 当该泛函数取极小值时，由于口是一个很大的数，瓦必须很小才有可能，因而 8 体积不变条件便得到近似满足，这时所取得的速度场就逼近真实的速度场。口值 取很大，精度当然也越高【33 1 。 1 6a b a q u s 软件的介绍 a b a q u s 是美国a b a q u s 公司( 原名h k s 公司) 的产品。a b a q u s 是 一套功能强大的进行工程模拟的有限元软件。 a b a q u s 软件为用户提供了广泛的、使用便捷的功能，可以通过关键字 的不同组合很容易的模拟大量复杂的问题。例如，对于复杂多构件问题的模拟 是通过定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块几何起来。 在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构 的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，a b a q u s 能自动选择相应载荷增量和收敛限度。它不仅能够选择合适的参数，而且能连 续的调节参数以保证分析过程中有效地得到精确解，用户通过准确地定义参数 就能很好的控制数值模拟结果p 6 。 1 7 本课题选题背景和意义 铝合金轮毂是目前轮毂发展的主要方向，目前国外著名的汽车生产商已经 用旋压工艺生产高性能的轮毂。汽车轮毂的旋压成形是一个集几何、物理和边 界条件复杂的非线性变形过程。单纯的依靠试验方法来研究轮毂的强力旋压过 程，会造成研究成本太大、周期太长等缺点，而理论分析又不能快速、准确解 决生产中出现的各种问题。采用数值模拟技术可以弥补上述缺点，为轮毂旋压 工艺参数的确定提供很好的依据。 在本课题中，以a 3 5 6 铝合金轮毂为例，采用多道次强力旋压工艺进行成 形。通过数值模拟技术，分析成形过程中的应力应变及金属的流动规律和工艺 参数对轮毂强力旋压成形的影响，为进一步进行轮毂旋压成形进行科学预测， 为工艺优化和定量控制提供有效保证。目前我国在铝合金轮毂的生产工艺方面 与国外还有不小差距，国外广泛流行的旋压生产工艺在我国还处于起步阶段， 我国3 0 0 多家轮毂生产商，只有少数的几家采用旋压生产轮毂，所以旋压产品 在汽车制造业和整个机械行业都有很大的发展空间。因此进行铝合金轮毂强力 旋压工艺的研究，对于促进旋压技术在轮毂制造业的普及应用，推动汽车制造 技术的发展，具有广泛而有深远的现实意义。 1 8 本课题研究的主要内容 以a 3 5 6 铝合金轮毂多道次强力旋压数值模拟为研究对象，本文的主要研 究内容如下： ( 1 ) 对铝合金轮毂件的形状、尺寸进行工艺分析，确定该轮毂的成形方案，在 9 有限元软件a b a q u s 中建立铝合金轮毂旋压成形的有限元模型。 ( 2 ) 通过对整个成形过程模拟结果的分析，得到各道次下坯料的应力应变分布。 ( 3 ) 分析不同工艺参数( 如减薄率、进给比、旋轮圆弧半径等工艺参数) 对旋 压成形金属流动规律的影响，针对成形中出现问题，提出合理的解决方案。 ( 4 ) 利用目前生产中普遍使用的优化方法正交实验法对影响成形的工艺参数 进行优化，得到最优的工艺方案，为生产提供指导。 1 0 第二章汽车轮毂强力旋压工艺分析及数值模拟 2 1 强力旋压成形工艺及参数选择 2 11 旋压成形工艺分柝 该汽车铝合金轮毂锻坯和零件如图3 1 所示，从图中可以看出该轮毅的几 何形状复杂，轮辋为不规则的曲母线，并且成形过程受到材料成形极限的限制， 所毗单一的采用强力旋压工艺进行一次成形是很难得到符合形状和性能使用要 求的成形件。 目2 - 1 轿车铝台金轮毂锻坯和零件 经过分析决定，该轮毂威形采用强旋一普旋复合多道次成形工艺，先进行强 力旋压，然后进行普通旋压。强力旋压为主要成形手段，完成轮辋壁厚减薄和 长度伸长，普通旋压作为强力旋压的补充完成强力旋压难于进行的轮辋成形工 作，获得所要求的轮毂形状。 2 l2 旋压成形工艺参数确定 影响旋压成形的工艺参数很多，这些工艺参数的选择直接决定着材料在强 力旋压时的变形过程，也就影响着旋压件的质量、旋压力的大小和旋压生产的 效率。选择合适的工艺参数是保证旋压成形顺利成形的条件，在旋压过程中主 要的工艺参数有：减薄率妒、旋轮几何形状、进给比，、芯模转速等。 2 12 1 道次减薄率的确定 减薄率是影响强力旋压成形最大的工艺因素，在确定减薄率时要考虑材料 的强化要求、材料的最大减薄率限制、旋压工艺的合理性等等。 材料的最大减薄率的计算常采用下列经验公式； ：!( 2 - 1 ) 0 1 7 + 口 式中p 一材料的断面收缩率( 塑性指标) 强力旋压壁厚减薄率f i t 代表了旋压变形程度的大小。在旋压工艺的制定过 程中，为提高生产效率和获得较显著的强化材料的效果，总是选择较大的减薄 率e 以减少旋压次数，但是值的过大会造成工件畸变增加、精度下降并产生 堆积、折迭、表面起皮等现象如图2 2 所示。 曰豳 圈2 - 2 旋压件表面折迭和起皮现象 对于a 3 5 6 材料p = 0 2 ，其晟大的f 值为5 0 ，由于受到材料成形极限的限 制，采用一道次成形是不能完成强力旋压阶段的成形，所以在强力旋压成形时 采用两道次进行成形。 各道次减薄率的分配，要考虑有利于旋压件成形和旋压件质量一般不采 用减薄率平均分配的方法，在本次轮彀的旋压成形道次减薄率的分配根据经验 数值和实际的模拟结果采用第一道次减薄率为- 3 3 ，第二道次减薄率 6 2 = 2 3 ，为提高旋压件的贴膜状况，各道次采用适当的过度减薄成形。 2 l22 旋轮几何形状 异形件强力旋压旋轮的几何形状如图3 3 所示，它们各自用于不同的变形条 件。 ( a )( b )( c 图2 - 3 异形件旋压用旋轮 a ) 工作角a = 9 0 。( b ) 工作角a 9 0 异形件的强力旋压过程，主要依靠旋轮的工作圆弧推移材料，故旋轮的工 作角很大，工作圆弧处于突出位置，一般在实际生产中采用9 0 。左右，多数小 于9 0 。，本文采用小于9 0 。的工作角。 旋轮的工作圆弧p 是旋轮结构的重要参数，大的工作圆弧可| 三【使变形坯料 的前后重迭部分增加，提高工件的表面光洁度，但是大的工作圆弧半径是材料 的轴向流动困难，导致旋压件扩径增大如图3 4 所示。如果工作圆弧半径过小， 会在坯料表面造成切削现象，产生轨迹状表面，降低表面光洁度如图3 5 所示。 图2 - 4 旋压件的扩径 幽2 - 5 旋压件的轨迹表面 在实际的生产中，根据经验异形件的旋压用旋轮工作圆弧半径一般取p = ( 1 2 ) t o ( t o - 毛坯的厚度) 。 旋轮的直径d 的选取的大一些可以提高旋压件的直径精度，但是旋轮直径 的增大讲增加其制造费用，所以一般旋轮的直径在2 0 0 3 0 0 m m 之间选取。 2 1 2 3 进给比， 进给比，是指芯模旋转一周，旋轮的进给位移，单位为m r n r 。旋压的进 给比对旋压变形有明显的影响，直接影响到旋压力和旋压件的质量。一般情况 下，在满足成形的要求，进给比尽量取得大一些。但是过大的进给比会降低旋 压件的表面质量例如造成隆起从而引起表面疵病如图3 - 2 所示，而且旋压件 的壁厚偏差也会增大如图2 - 6 所示。 图2 6 旋压成形的壁厚不均 关于进给比的具体取值，一般，在o 3 25 m m r 的范围选取，常用的进给 比为o5 1 5 m m r ，由于进给比对成形影响比较大并且选取的范围比较宽，所阻 需要对进给比的取值进行预测，才能获得质量比较好的工件。 2 l24 芯模转速n m 旋压时的芯模转速对旋压成形的影响不丈，可以在较大的范围内选取。一 般来讲，转速的提高对工件的表面光洁度略有提高，但是过高的转速容易造成 旋压设备的强烈震动，此时旋压件件的表面光洁度将显著下降，旋压切向线速 度一般取为6 0 - 6 0 0 m r a i n ，对硬质材料应取较小值，软质材料应取较大值。 根据以上分析，在模拟过程中所采取的工艺参数如表2 1 所示。 表2 - i 轮毂强力旋压各道次模拟参数 参数第一道次第二道次第三道次 工作圆弧半径( r a m ) 旋轮工作角( 。) 直径( m m ) 2 5 0 壁厚( m m ) 毛坯半锥角( 。)2 2 长度( r l l i l l ) 9 61 4 4 芯模 直径( i r l n l )3 2 5 3 2 5 内锥角( 4 ) 4 4 4 2 9 。 减薄宰( ) 3 3 l 工艺参数 进给比( m m r ) 09 lo 213 成形工艺方案的确定 通过对轮裁成形的工艺分析以及各个工艺参数的确定，在此基础上确定轮 毂成形的工艺方案，其工艺流程如图2 7 所示。 ( a )( b ) 图2 7 轮毂旋压成形工艺流程 2 2 轮毂强力旋压有限元模型的建立 2 2 1 模型的离散化 轮毂的强力旋压过程原理如图2 8 所示，将坯料( 板料) 卡紧( 一般用尾顶 压紧) 在旋压芯模上，由主轴带动芯模与坯料旋转，然后用旋轮( 或杆棒) 对旋转 的坯料施加压力，使其产生局部塑性变形。 图2 8 锥形件强力旋压成形原理图 1 芯模2 旋轮3 制件4 坯料5 尾顶 利用有限元模拟软件a b a q u s 提供的三维造型功能，直接在a b a q u s 前 处理中，对轮毂强力旋压模拟各部分进行造型，根据锻坯的道次减薄率，对坯