【铝合金轮毂锻造成形工艺路线分析概述7900字】

铝合金轮毂锻造成形工艺路线分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u22133铝合金轮毂锻造成形工艺路线分析概述 119531.1引言 1142741.2目标22.5英寸卡车轮毂模锻原材料选用 110531.3轮毂三维模型调整及飞边槽与连皮设计 3209311.4开式模锻工艺路线探究 6137881.4.1飞边槽设置于外轮唇处的工艺路线探究 8130301.4.2飞边槽设置于轮辋中部的工艺路线探究 10200911.4.3飞边槽设置于内轮缘处的工艺路线探究 12224141.5闭式模锻工艺路线探究 13115311.5.1分型面设置于轮辐处的工艺路线探究 1335551.5.2分型面设置于外轮唇处的工艺路线探究 14279391.6各模锻工艺路线对比及选定 1563961.7模锻工艺路线成形载荷优化 1630241.8Deform仿真准确性验证 22引言随着生产技术的一步步发展，形状复杂性较高、力学性能要求较高、尺寸要求高精度的零件需求增大，对生产工艺进行理论分析研究的必要性愈发显著，这样人们能更好地理解在产品生产中出现的问题并加以解决。本章将使用Solidworks、Deform软件对几种铝轮毂锻造成形工艺路线进行模拟分析，从中选取较优的方案并进一步降低其成形载荷，达到成形载荷10000吨以下的课题要求。目标22.5英寸卡车轮毂模锻原材料选用作为汽车的一个重要的部件——轮毂，其各种性能和汽车的安全行驶直接相关，所以，要保证汽车安全，首先就要保证汽车轮毂的质量与性能。而制造轮毂的材料则在其中起着决定性作用。伴随着越来越多不同材料的轮毂被生产出来，并且不同材料的轮毂也都采取着不同的加工方式和生产工艺，汽车的轮毂不断地迭代更新，其性能和材质也在不断地得到强化。从全局上来观察，钢铁材料、铝合金材料和镁合金材料是目前汽车轮毂材料的主流选择。最早的汽车轮毂材料是由钢铁材料制成，之所以首先选用钢铁作为轮毂的制造材料，是因为在当时相较于其他材料，其具备强度高、耐磨损以及散热性能好等主要优点[7]。虽然后来经过科技水平和制造工艺地不断发展，更多性能优良材质高端的轮毂能够被制造出来，但是钢制轮毂仍具备其生产成本低、性价比高的优点，依旧在市场中被广泛使用。铝合金轮毂的高速发展得益于其优良的性能，首先，铝合金轮毂的轻量化做得非常好，更加节能；铝合金轮毂的行驶中振动更小，可改善汽车的动平衡水平，提升整体性能；铝轮由于其热导性较好，散热性能也更加优越，使得汽车在高速行驶时轮胎的温度不至于过高，并且刹车系统的热衰竭也能够推迟到来。就镁合金轮毂而言，其性能较为优越，但是由于其昂贵的造价，目前尚未在卡车轮毂中得到广泛的使用[8]。而钢制轮毂从性能上而言不如铝轮毂优越，因此本文在材料选择上选用铝合金作为原材料。结合市场上铝合金轮毂的铝材使用率及文献调研[9]，在模拟中本文选用6061铝合金作为坯料材质，该材料具备耐腐蚀性强、加工性能良好、韧性高、耐冲击、易于表面处理等优良特性。6061铝合金的化学成分及力学性能见表2.1[9]。表STYLEREF1\s2.SEQtab\s116061铝合金化学成分及力学性能表[9]化学成分Cu%0.15-0.4Si%0.4-0.8Fe%0.7Mn%0.15Mg%0.80-1.2Zn%0.25Cr%0.04-0.35Ti%0.15力学性能抗拉强度（25℃MPa）310屈服强度（25℃MPa）276延伸率（1.6mm厚度%）12最大剪应力（MPa）205硬度500kg力10mm球95轮毂三维模型调整及飞边槽与连皮设计轮毂是汽车传动机构和承重机构的重要部件之一，其各部位名称如图2.1[10]所示。 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s11轮毂各部位名称图示[10]由于本课题研究的22.5英寸铝合金轮毂外形较为复杂，其横截面的半边视图如图2.2所示，其被红圈标注的1、2部分可以看出其轮辋至内轮缘部分直径不一致，这会使得最终成形的载荷升高且金属在流动过程中可能产生折叠等缺陷，并且在轮井处（图中红圈3所标注位置）的凹陷会导致后期的取模困难，与模具发生干涉，在图中红圈4所标志的外轮缘由于其型腔直接骤然缩小，金属形变较为剧烈，会导致载荷的显著上升。因此在仿真之前，首先将上述所提及的部位进行了调整，并且为整个轮毂预留了一定的后期机加工的加工余量，并将轮辐上难以锻压成形的空洞填充，在后期的机加工中实现该部分结构，修改后的轮毂横截面的半边视图如图2.3所示，修改前后的轮毂三维模型如图2.4和图2.5所示。 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s12目标22.5英寸铝合金轮毂横截面二维视图 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s13修改后轮毂横截面二维视图图STYLEREF1\s2.SEQpic\s14修改前铝合金卡车轮毂三维模型图STYLEREF1\s2.SEQpic\s15修改后铝合金卡车轮毂三维模型由于该型号卡车轮毂中心孔直径过大，如若采用平底连皮，金属不易向四周流动，易产生折叠等缺陷，且在后期机加工时冲孔较为困难，对于模具的冲头的磨损也会加剧，因此根据《中国模具设计大典》[11]，选用斜底连皮更利于该零部件的生产。斜底连皮各处尺寸计算公式如下：d为锻件内孔直径（mm）h为锻件内孔深度（mm）斜底连皮有关尺寸：S大=1.35SS小=0.65Sd1=(0.25~0.35)d[11]经计算后，可求得目标轮毂锻件的斜底连皮尺寸如图2.6所示： 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s16目标轮毂锻件斜底连皮尺寸在接下来要探究的开式模锻工艺路线中，需要对22.5英寸卡车轮毂开式模锻进行飞边槽设计的。依据《中国模具设计大典》[11]，选用如图2.7[11]所示飞边槽形制，该种飞边槽适用于各种形状的锻件，应用范围最广，结合表2.2[11]，依据本课题给出的锻压成形载荷的最大值一万吨进行计算，飞边槽的桥高可设为1.5mm至2.5mm之间。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s17一种飞边槽设计形状[11]表STYLEREF1\s2.SEQtab\s12有色金属锻造飞边槽桥部高度与模锻成形力对照表[11]设备吨位/KNhh1bb1rR≤16001.246251.541600~40001.54830244000~630025835256300~100002.5610352.56＞1000037124037以图2.8为例，在实际生产中，为了在锻造结束后取出锻件，需要在模具上设置如图所示的边模，但是在Deform数值仿真中，是否有边模的存在对于锻压过程中的成形分析几乎无影响，因此为简化仿真，在之后所探讨的模锻工艺路线仿真中均未设置边模。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s18模具设置图例开式模锻工艺路线探究开式模锻[12]成形的特点之一是其设置有飞边槽，即为位于上下模之间的外围的浅槽。飞边槽由桥部和仓部组成，其中桥部的作用是提供阻力帮助坯料充型完整，仓部的作用是储存多余的金属，随着上下模的闭合，金属不断填充型腔，进入飞边槽，在后期的机加工中，飞边槽会被处理掉。开式模锻具有自由变形、充满模膛以及上下模闭合三个阶段，为了使金属彻底充满模膛，获得清晰的轮廓，飞边槽的作用是至关重要的，其提供的阻力迫使金属流动至难填充的边角处，以获得满足要求的锻件，因此飞边槽尺寸的确定也是设计中至关重要的一步，飞边槽的尺寸设计见上节。影响开式模锻成形的因素有很多，但是其中最主要的一共有以下几个，分别是有模膛形状、摩擦以及设备工作速度[13]。以图2.9[13]为例，坯料在模膛中首先经历自由变形成形，之后被挤压流动填充整个型腔，如果出现金属流入模膛充型的情况，则有可能是因为靠近中心向部分的型腔产生的应力值小于或等于飞边槽处，反之，靠近中心向部分的型腔产生的应力值大于飞边槽处，则会出现大量金属流入飞边槽的情况，金属损失率增大，而且可能出现填不满的现象，因此模膛形状的设计对于模锻成形至关重要。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s19一种典型的开式模锻示意图[13]模锻成形所需的力可以近似的看做由两部分组成，一部分是金属流动至飞边槽处发生形变产生的力F1，另一部分为在金属变形直至充满整个模膛所需的力F2。F1的影响因素有飞边槽桥部的形状及摩擦力的大小，若想使锻件成形的效果尽可能好，则需要使飞边槽桥部所提供的阻力尽量大，但是如若提供的阻力过大，则会产生能源的浪费，加剧模具的磨损，因此需要恰当得设置飞边槽的尺寸形状。除此之外，坯料的体积要略大于目标产品的体积，其目的是给飞边槽部分留出加工余量。在使用润滑剂时，就现有技术而言，很难达到在飞边槽处与模膛内的摩擦系数不同，因此润滑在某种程度上会促使金属流入飞边槽，合理的使用润滑剂也是在设计工艺中需要考虑的重要步骤[14]。模具下压速度也是影响模锻成形的重要因素之一，随着模具下压速度的增加，金属流动速度加快，其惯性与变形热效应更有利于充型完整，但是如果速度过快，也易形成折叠，断裂等缺陷，同时会加剧模具磨损，因此选定模具运动速度需要合理。Deform软件[15]是本文在数值模拟时注意运用到的软件，是由美国SFTC公司开发的一款基于有限元的分析软件，其在用于金属塑性成形分析和热处理工艺分析上的功能非常完善。通过使用该软件，设计人员可以大大减少工艺流程的开发成本，提高工作效率。Deform软件内部具有一个自动划分网格的系统，使得其分析结果更加精准可视，其系统内部结构如图2.10所示。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s110Deform系统内部结构图[15]在进行模拟时，在Deform软件中进行参数设置，参考之前学者相关研究的文献，将工艺参数初步设置为坯料始锻温度450℃，模具预热温度300℃，锻件与模具之间的摩擦系数设置为0.3，换热系数设置为11，模具下压速度设定为10mm/s，外界温度设置为20℃[16]。飞边槽设置于外轮唇处的工艺路线探究首先进行第一种模膛设计工艺方案的仿真模拟。在该种工艺方案中，飞边槽与分型面设置于轮毂的外轮唇处，如图2.11所示。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s111飞边槽设置于外轮唇处模具示意图调整飞边槽的桥高分别设置为2.50mm、2.25mm、2.00mm、1.75mm与1.50mm，并将每一组不同飞边槽桥高的锻压模拟再分为金属流动方向与模具运动方向相同（下文简称为“正挤压”）及金属流动方向与模具运动方向相反（下文简称为“反挤压”）两种情况在Deform中进行仿真。如图2.12所示，观察金属流动方向矢量图可知，当上模下移的过程中，由于飞边槽设置位置过于靠下，当金属流动到飞边槽时其桥部高度尚未到达预设值，并不能提供帮助金属充形完整的阻力，部分金属流入上下模之间；随着上模的继续下压，飞边槽桥部高度逐渐接近预设值，此时由于型腔内阻力更小，部分金属回流，如图2.13所示，在发生金属回流的过程中，载荷也同样大幅增长，观察图2.14，锻压成品在飞边槽桥部的温度达到490℃，远高于其余部分，也同样佐证了金属在飞边槽桥部处形变量较大，可能导致断裂等缺陷的发生。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s112金属流动矢量图图STYLEREF1\s2.SEQpic\s113金属流动矢量图图STYLEREF1\s2.SEQpic\s114温度分布图将本种工艺方案的十组模拟数据的成形载荷绘制折线图如图2.15，可见由于飞边槽桥部在此种方案中帮助充形的作用发挥不显著，当金属流动到难以充形的外轮缘处时，飞边槽已经失去了提供阻力帮助金属充形完整的作用，如图2.16所示，当本方案中飞边槽桥高设置到最小值1.50mm时，外轮缘处仍存在充形不完整的情况。1.5mm桥高飞边槽在改组实验设置中已经是能提供阻力最大的实验组，因此说明该种将飞边槽设置于外轮唇处的模锻工艺路线设计很难使得金属将模膛充型完整。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s115模拟结果折线图 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s116外轮唇处重新不完整的模拟结果及局部放大图因此，将飞边槽与分型面设置于轮毂的外轮唇处的方案不适合22.5英寸铝合金卡车轮毂进行锻造。飞边槽设置于轮辋中部的工艺路线探究在第二种模膛设计工艺方案中，将飞边槽与分型面设置于轮辋的中段靠近内轮缘处，如图2.17所示，同样将飞边槽桥高尺寸设置为2.50mm至1.50mm共五种情况，并将每组设计分为正挤压、反挤压两种，一共十种情况进行模拟。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s117飞边槽设置于轮辋中部模具示意图以飞边槽桥部高度2.00mm，正挤压情况为例，其时间——载荷曲线如图2.18，该种情况模拟的模锻成形载荷在10100吨左右。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s118时间——载荷曲线图如图2.19所示，观察在成形过程中的金属流动方向可知，在飞边槽桥部处并未出现金属回流的情况。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s119金属流动矢量图其温度分布图如图2.20所示，在飞边槽桥部的金属温度未有陡增至过高，如图2.21可知，该种工艺生产出的轮毂在轮辋中部（即设置飞边槽处）出现了一处区域应变较低，塑性较差，而轮辋处与轮胎直接接触，此处塑性较差可能会导致轮毂在受到较大冲击时发生断裂，具有一定的安全风险。 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s120温度分布图 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s121应变分布图飞边槽设置于内轮缘处的工艺路线探究在第三种模膛设计工艺方案中，将飞边槽与分型面设置于内轮缘处，如图2.22所示。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s122飞边槽设置于内轮缘处模具示意图飞边槽桥部高度的设置以及正挤压、反挤压的分组同以上两组的情况，将模拟结果的模锻成形载荷绘制曲线，如图2.23所示。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s123模拟结果折线图分析该曲线可知，其成形载荷与飞边槽桥部高度的相关性并不大，由于该组设计使得金属流动至内轮缘处难充形位置时，成形压力已经由模膛内壁来提供，飞边仍旧未充分发挥其帮助充形的设计作用，因此飞边槽桥部高度对于此种模膛设计而言意义不大。闭式模锻工艺路线探究与开式模锻相比，闭式模锻没有飞边，整个模膛是封闭的，因此成形效果相比于开式模锻更加贴近零件的最终形状，因为没有预留飞边槽的设定，对于金属材料的利用率也同样高于开式模锻。闭式模锻可分为自由变形式和挤压式两类。影响闭式模锻成形的因素有圆角半径的大小、接触摩擦的大小等方面。具体工艺参数设计同上述开式模锻中的设置。分型面设置于轮辐处的工艺路线探究将分型面设置于轮辐处时（如图2.24所示），以金属正挤压为例，在该种工艺路线设计中，上模沿绿色箭头所示方向下移时，由于模具设置原因，在上模底部移动到下模顶部所在平面之前，有大量金属已经沿图中黑色箭头所指方向被挤出，大大降低了金属的利用率，在初始坯料体积大于产品体积的情况下，最终充形率很低，且在该种情况下坯料高度过高，挤压成形过程中受到的阻力会更大，导致成形载荷的上升。因此此种方案不适合用于22.5英寸铝合金卡车轮毂的锻造。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s124分型面设置于轮辐处的模具示意图分型面设置于外轮唇处的工艺路线探究将分型面设置于外轮唇处时（如图2.25所示），以金属反挤压为例。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s125分型面设置于外轮唇出的模具示意图该种情况的时间——载荷曲线如图2.26所示，模锻成形载荷在13700吨左右。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s126时间——载荷图如图2.27及图2.28所示，其产品温度分布大部分区域温差小于10℃，在轮辋处应变在3，能够提供较好的塑性性能。 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s127温度分布图 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s128应变分布图各模锻工艺路线对比及选定综上所述，以开式模锻成形原理为理论基础的三种工艺方案中，第一种方案飞边槽未完全发挥作用，金属出现回流情况易产生缺陷且模锻成形载荷过大；第二种方案设置飞边槽处的轮辋应变较小，可能造成安全隐患，且在实际生产中取模困难，需要设计特殊的模具方能顺利取出，对模具要求过高；第三种方案飞边槽未完全发挥其作用，从过程上看与闭式模锻差别不大。以闭式模锻成形原理为理论基础的两种工艺方案中，第一种方案材料损失率过大，不满足预期目标；第二种方案从模锻成形载荷和性能上较优；因此，后续设计中采用该种工艺方案进行22.5英寸铝合金卡车轮毂的模锻工艺模拟分析，进一步降低其模锻成形载荷。模锻工艺路线成形载荷优化在上述选定的将分型面设置于外轮唇处的闭式模锻方案的基础上，为了进一步降低模锻成形载荷，考虑到22.5英寸铝合金卡车轮毂轮辋部分长度较长，在改进模锻工艺路线中可以参考挤压管工艺，降低坯料的横断面积，在改进过程中，先将圆柱形铝坯制成环状坯料，再放入模具中进行锻压，如图2.28所示，以此来降低模锻成形力。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s129工艺改良后模具示意图如图2.30所示，反挤压情况模拟所得模锻成形力约为8910吨，相比于其余方案，模锻成形力显著降低，与该方案的正挤压情况模拟相比，反挤压情况模锻成形吨位略低，因此采用金属反挤压的工艺路线。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s130时间——载荷图如图2.31与图2.32所示，其锻压成品整体大部分区域温度差异在10℃以内，大部分轮辋及部分轮辐的应变在2.3左右，能够提供较好的力学性能。 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s131温度分布图 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s132应变分布图如图2.30所示，在该种方案中，整个金属成形过程可分为四个阶段：自由变形阶段（OA）、挤压阶段1（AB）、挤压阶段2（BC）、最终成形阶段（CD），由于在各个阶段的条件不同，因此载荷的大小和流动的方式也不相同。（1） 自由变形成形阶段（OA）为了坯料能够放置在模具中心，不发生偏置，坯料的直径小于最终产品的外径，因此在最初一段时间，坯料在上模和下模的挤压过程中发生自由变形，在时间——载荷曲线上呈现为一条斜率较小的线。（2） 挤压成型阶段1（AB）在自由变形后，金属流动至接近外轮缘部分结构，上模继续下压，将金属挤压充形外轮缘处模膛至充形接近完整，此时由于轮辋处模膛厚度较小，阻力较大是导致成形载荷在该阶段增加的主要原因，只有少部分金属在该阶段末期进入轮辋处模膛，而且随着轮辐处充型的逐渐完整，金属与模膛内壁接触的面积也逐步增大，而由于模具的温度低于坯料，随着散热，金属的大部分区域温度显著下降，其变形抗力也在提升，这些均是导致载荷增大的原因，在时间——载荷曲线上呈现为一条斜率较大的线。（3） 挤压成型阶段2（BC）在该阶段，随着上模的持续下移，金属开始流入轮辋处型腔，由于轮辋处型腔内径不变，因此在时间——载荷曲线上呈现为一条近似水平的线。（4） 最终成形阶段（CD）在该阶段，金属开始填充外轮缘处的角落并在外轮唇处发生转弯，并且有多余的金属从上下模合模处流出，这时阻力很大，因此载荷会发生一定的波动并以很大的涨幅增加，在时间——载荷曲线上呈现为一条斜率很大的波动的线。在数值模拟的过程中，坯料的速度场和应力场也在不断的发生变化，结果及分析如下：成形过程中的速度场如图2.33所示，可以看出在锻造过程中在自由变形成形阶段，坯料被迅速自由变形，向四周流动，金属流动至轮胎座和外轮缘区域，少部分留向轮辋区域，之后金属同时流向轮辋区域以及完成外轮缘区域的填充，最后金属填满整个型腔，由于整体温度下降，只有少数未充满的边角部分及合模缝隙处有金属流动。 (a)自由变形成形阶段金属流动图 (b)挤压成形阶段1金属流动图 (c)挤压成形阶段2金属流动图 (d)最终成形阶段金属流动图图STYLEREF1\s2.SEQpic\s133成形过程中速度场变化图成形过程中的等效应力场如图2.34所示。在开始阶段，在与模具发生接触的地方应力较高，随着变形的加剧，整个坯料的应力都在上升，在最终成形后，整体锻件在发生弯曲的部位应力较为集中，此外，与型腔接触的金属部分因为摩擦力较大也产生了更高的应力。这些较为集中的应力分布对于整个轮毂性能的影响是负面的，因此减少小转角的产生是在设计模锻工艺时需要注意的要点，这样可以避免应力的集中分布，提升产品的性能水平。 (a)自由变形成形阶段等效应力场 (b)挤压成形阶段1等效应力场 (c)挤压阶段2等效应力场 (d)最终成形阶段等效应力场图STYLEREF1\s2.SEQpic\s134成形过程中等效应力场变化图对该方案进行三维锻压模拟验证，取整体的1/4在DEFORM中进行模拟如图2.35所示，最终得到的时间——载荷曲线如2.36图所示，可知三维锻压模拟得到的模锻成形力在7900吨左右，与二维仿真结果近似。 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s135三维锻压模拟图 图STYLEREF1\s2.SEQpic\s136时间——载荷曲线图在该种改进下，成功将原方案的模锻成形载荷降低了38%左右，并且达到了最终锻压成形载荷在10000吨以下的课题目标。由于上述改良过后采用的方案为先将圆柱形铝坯锻为环状，因此为实现此工艺需要增设预锻步骤，以制作环状铝合金预锻件。在进行环状铝合金预锻件锻压模拟时，工艺参数设定与上一步相同，首先进行从圆柱坯料到环状铝合金预锻件的一步模拟，其上、下模及坯料形状设置如图2.37，仿真模拟可得其时间——载荷曲线如图2.38，观察可