【铝合金轮毂锻造实际问题模拟分析案例3500字】

--9-铝合金轮毂锻造实际问题模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u31000铝合金轮毂锻造实际问题模拟分析案例 114441.1铝合金轮毂锻压生产中的问题分析 1273831.2坯料初始温度分布不均匀对锻造成形的影响 1178651.3润滑条件不均匀对于锻造成形的影响 3209641.4坯料放置偏载对于锻造成形的影响 7248501.5铸造铝坯内部缩松缺陷对于锻造成形的影响 9铝合金轮毂锻压生产中的问题分析在铝合金轮毂锻压的实际生产过程中，由于人工操作的不确定性、设备故障、车间环境变化等实际可能发生的难以预估的情况，会导致一些问题的发生，例如由于坯料的对模具进行润滑是整个工艺路线中重要的环节，其对于产品性能、成品率等方面有着重要的影响作用，如果在喷涂润滑剂的过程中产生了喷涂不均匀的情况，那么对于轮毂的生产势必会产生一定的影响。本章的主要目的是使用Deform软件对在实际生产中可能出现的一些问题进行仿真模拟，给实际生产起到一定的指导作用，使得工作人员可以尽快发现在生产中遇到的具体问题是什么，并探究这这些问题对于锻造成形的影响。本章将就坯料初始温度分布不均匀、润滑条件不均匀、坯料放置偏载及使用铸坯时坯料内部有缩松缺陷[21]这四个实际工况中可能出现的问题对于锻造成形的影响进行探究。坯料初始温度分布不均匀对锻造成形的影响在实际生产中，可能出现初始时对坯料加热不均匀的现象，本节将重点探究该情况对于模锻成形的影响。对1/4的模型进行分析，利用Deform软件的功能将坯料划分成温度不同的两部分如图4.1。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s11坯料模型温度划分图其中，每组实验的温度差异分布设置为400℃/300℃、400℃/325℃、400℃/350℃、400℃/375℃、400℃/425℃、400℃/450℃、400℃/475℃、400℃/500℃共8组，其中图中无红点覆盖区域均为400℃，有红点覆盖区域根据各组设置不同坯料温度发生变化。其余参数设置与前文相同。在软件运行到step-300时，截取各组金属流动情况，如图4.2所示。可以直观的看出，温度高的坯料部分金属流动速度更快，且坯料两侧温差越大在锻压过程中两侧填充的比例差距越明显，温度高的一侧坯料金属流动的阻力更小，这可能导致断裂的金属缺陷，同时导致温度不同的两侧的应力和冷却速度不同，造成力学上的差异性，对于轮毂的生产质量极为不利。 (a)400℃/300℃ (b)400℃/325℃ (c)400℃/350℃ (d)400℃/375℃ (e)400℃/425℃ (f)400℃/450℃ (g)400℃/475℃(h)400℃/500℃图STYLEREF1\s4.SEQpic\s12第300步时坯料三维图将各组在300步时两侧充型率之差绘制成条形统计图如图4.3。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s13统计结果图分析可知，当坯料两侧温差为同一值时，在锻造过程中，温度较高的一侧与温度较低的一侧的充型率的差值近似，在目标轮毂锻造上模行程60mm处时，两侧充型率差值的绝对值可近似由以下公式计算：|△充型率|≈|△温度|×0.82因此在实际生产过程中，可以通过观察锻造过程中轮毂出现充型差异的部分的充型率差异来初步判断如果是坯料初始温度不同的问题，坯料初始温度的差异究竟发生在坯料的何处及温度差距大致为多少。润滑条件不均匀对于锻造成形的影响在锻造过程中，由于润滑剂不能在过程中持续加入，而润滑效果对于成形的影响是显著的，因此如果润滑条件不均匀，会对铝合金轮毂的锻造成形产生影响。如图4.4所示，在Solidworks软件中，取下模的1/4并将其均匀的分成两个部分，在deform软件中分别设置下模的左右两部分同坯料的摩擦条件不同，以此来模拟实际生产中润滑条件不均匀的情况。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s14模具三维图将两侧下模与坯料之间的摩擦系数分别设置为0.4/0.2、0.4/0.25、0.4/0.3、0.4/0.35、0.4/0.45、0.4/0.5、0.4\0.55、0.4\0.6共8组实验，如图4.5所示为摩擦系数设置为0.4\0.2实验组的模锻时间——载荷图。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s15时间——载荷曲线图在该种方案中，其成形的前两个阶段——自由变形成形阶段（OA）与挤压阶段1（AB）与无润滑不均匀的情况曲线类似，因为在这两个阶段，金属尚未与型腔大面积接触，摩擦不均匀的影响呈现尚不明显。在挤压成形阶段2（BC）中随着金属与型腔接触面积的增大，摩擦不均匀产生的影响开始表现在两侧充型率的差异上，如图4.6所示。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s16坯料三维图在最终成形阶段（CD）过程中，之前充型率较低的摩擦系数设置为0.4的一侧开始补全充型，随着上模的持续下移，由于BC阶段而过多填充于摩擦系数0.2一侧的金属开始向0.4一侧流动，在此过程开始时，首先补充过去的金属来自外轮唇处，金属流动速度矢量图如图4.7，之后轮辋处的金属液向另一侧进行补充，如图4.8。该顺序产生的原因为由于外轮唇处型腔在此时填充尚未完整，因此金属转移阻力更小，随着充型的逐步完整，阻力增大，轮辋处的金属也因压力开始帮助另一侧充型。 图STYLEREF1\s4.SEQpic\s17金属流动矢量图 图STYLEREF1\s4.SEQpic\s18金属流动矢量图如图4.9所示，在充型过程中，由于摩擦系数设置为0.2的一侧金属流动更快，变形更大，在应变分布图上也相应得表现出了整体应变更大的结果，与预期相符。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s19应变分布图在模拟过程结束后，观察产品应变分布图如图4.10可知，如果发生润滑不均匀的情况，则润滑相对较小的部分应变更大，会导致同一产品在不同角度力学性能产生较大差异。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s110应变分布图绘制各组实验锻压成形载荷折线统计图如4.11图，随着总体摩擦系数的升高，成形载荷也在不断增加，结果符合逻辑推断。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s111统计结果图在实际生产中，应注意均匀喷涂润滑剂，避免造成模锻载荷上升、充型不完整、力学性能分布不均匀等现象的产生，造成废品率的升高。坯料放置偏载对于锻造成形的影响在锻造过程中，为方便坯料放入模具，一般而言坯料的最大直径要小于模具的内径，这就导致了在坯料放置过程中可能出现偏载的情况。本节将探讨坯料放置偏载对于锻造成形的影响。在制作环形铝坯的步骤中探讨坯料偏载问题，分别设置偏载量为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm共7组实验，坯料与模具相对位置示意图如图4.12。 (a)偏载量35mm (b)偏载量30mm (c)偏载量25mm (d)偏载量20mm (e)偏载量15mm (f)偏载量10mm(g)偏载量5mm图STYLEREF1\s4.SEQpic\s112偏载各组三维视图仿真模拟后，可得各组实验与1/2模型模锻成形载荷的图表如图4.13所示。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s113仿真结果图随着偏载量的增大，在初期成形载荷显著增长后，后面变化便不明显，随着偏载量的增大，增加成形载荷的阻力主要是在金属沿轮辋横向运动时产生的，当偏载量增大时，需要横向运输的金属增多，但是因为轮辋处型腔内径一致，因此虽然金属流动量增大，但是阻力的变化并不明显。以35mm偏载实验组为例，在成形初期，明显呈现一侧先充型的情况，如图4.14所示。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s114成形初期坯料三维图随着模具的不断下压，充型率较少的一侧型腔也开始持续充型，如图4.15，由金属流动矢量图4.16可知，金属从左侧通过外轮唇和轮辋处型腔流向右侧。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s115中期坯料三维视图 图STYLEREF1\s4.SEQpic\s116金属流动矢量图随着进一步成形，两侧的填充率逐步趋于一致，如图4.17，且金属的横向流动更加直接，如图4.18，此时金属的流动对于成形载荷的影响已经不大。图STYLEREF1\s4.SEQpic\s117末期坯料三维视图 图STYLEREF1\s4.SEQpic\s118金属流动矢量图当右侧外轮唇处开始接近填充完整时，轮毂出现了折叠缺陷如图4.19所示，由应力图4.20可知，此处的应力非常集中，对轮毂的性能有着负面的影响。 图STYLEREF1\s4.SEQpic\s119金属折叠图 图STYLEREF1\s4.SEQpic\s120应力分布图综上所述，在该种情况下坯料偏载在偏量量较小的情况下对模锻成形载荷有增大的影响，当偏载量继续增加时，对于模锻成形载荷的变化波动小于初期。坯料偏载还可能导致折叠等锻造缺陷，经模拟结果，在本文实验设置情况下，当偏载量大于等于20mm时，产品一侧发生明显折叠缺陷。折叠处的应力较为集中，各组发生折叠的实验情况其处应力均在50Mpa以上，如果这样的产品投入使用，则在车辆行驶产生动载荷时，应力集中处可能发生断裂，给交通参与者带来危险，且坯料的偏载也会增大废品率。铸造铝坯内部缩松缺陷对于锻造成形的影响在锻造铝合金轮毂时，如选用铸坯作为坯料，如果坯料选取较大，那么其中出现缩松等缺陷是有一定概率发生的。而缩松等缺陷对于锻造产品的影响严重程度也会随着模锻成形载荷的增加而变大。因此，如果在锻造过程中使用了含有缩松缺陷的铸坯，那么对模锻成形会造成影响，如果在成形过程中能够锻合缩松缺陷，那么会降低废品率，减少人力物力的浪费。本节在Solidworks中将坯料内部的所需部分划分出来，将其视为另一个坯料，在deform中将表层的大坯料正常导入，内部的小坯料使用多孔材料模型来模拟坯料中的缩松缺陷，并在接触关系设置中令两个坯料为不分离无移动材料，以此研究其对锻造成形的影响。在本节中，在坯料中预设了体积较大（占坯料体积约2%）和体积较小（占坯料体积约0.3%）两种缩松设置[22]，每种缩松设置的密度分别为0.6和0.8两种。锻压前后模拟结果如图4.21。 （a）体积小密度0.6的缩松 （b）体积大密度0