鋁車輪旋壓模具優(yōu)化設(shè)計

張立娟

(中國環(huán)境管理干部學院環(huán)境工程系，河北秦皇島 066004)

旋壓是一種綜合了鍛造、擠壓、拉深、彎曲和滾壓等工藝特點的先進制造工藝方法，在航空航天、通用機械、汽車和化工等金屬精密加工技術(shù)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。

鋁合金車輪以其散熱快、重量輕、節(jié)能、舒適性好和外觀漂亮等優(yōu)點在轎車領(lǐng)域中得到普及。在車輪輕量化趨勢的要求下，作為一種先進的制造技術(shù)，旋壓也開始逐漸應(yīng)用到汽車輪輞的制造和生產(chǎn)中去。車輪正面采用低壓鑄造、輪輞采用熱旋壓加工是目前車輪加工中最安全、最經(jīng)濟適用、最受關(guān)注的一種加工方法，車輪材料均選用A356。A356經(jīng)過熱旋壓后金屬晶粒變細，并具有明顯的纖維組織，大大提高了車輪的整體強度和耐腐蝕性［1－3］。

文獻［4－6］對鋁合金車輪旋壓成形影響較大的工藝參數(shù)，如旋壓道次匹配、旋輪形狀、旋輪進給速度和旋壓力等分別進行了模擬分析和試驗研究，得出了一系列重要結(jié)論。但均未對旋壓模具優(yōu)化改進進行過研究。旋壓模具與車輪毛坯的貼合狀態(tài)對旋壓成形起到至關(guān)重要的作用。

本文通過對車輪改進前后的旋壓模具和毛坯進行了有限元模擬，討論了模具改進前后對車輪成形造成的影響，并對改進后的模具和毛坯進行了旋壓成形試驗驗證。

1 有限元模型建立

1.1 材料模型

A356合金其室溫塑性較差，需熱態(tài)下成形。旋壓溫度的選擇對其成形性和成形質(zhì)量有很大影響。已有分析表明，采用高溫拉伸實驗測定合金在不同溫度下的力學性能，如圖1所示。可以看出隨著溫度升高，合金的強度下降，塑性提高，特別是在350℃時，其塑性隨溫度的升高急劇增加，而強度也快速降低，因此旋壓溫度一般選擇在350℃以上。同時，若溫度過高，則金屬強度太低，也容易引起車輪輪輻處的變形且旋壓時的金屬流動不容易控制。因此，旋壓成形溫度一般控制在350～400℃之間。

車輪材料:Aluminum_A356，溫度350℃，材料性能:密度為 2.604 ×10－6kg/mm3，楊氏模量為 40 867 MPa，泊松比為 0.366。

旋壓下模材料為Steel－H13，溫度為220℃。

1.2 網(wǎng)格模型及邊界條件

以某款19英寸車輪為研究對象，將車輪毛坯與旋壓模具貼合，車輪法蘭處和旋壓模具底部固定，模擬分析在軟件UG模塊中進行，網(wǎng)格劃分采用四面體單元，車輪材料采用A356合金，有限元模型如圖2所示。

(1)分析鑄旋車輪旋壓過程中，在旋輪的作用下，當相同的旋壓載荷(徑向50 kN，軸向50 kN)作用在輪輻下方，與作用在窗口下方時，比較車輪產(chǎn)生的應(yīng)力及塑性變形的變化情況。

(2)優(yōu)化模具及毛坯造型后，在相同的載荷(徑向50 kN，軸向50 kN)作用下，與傳統(tǒng)旋壓方式進行比較，分析應(yīng)力及塑性變形的變化情況。

2 模擬分析

2.1 傳統(tǒng)模式

傳統(tǒng)設(shè)計方法為，旋壓毛坯先經(jīng)過預(yù)機加工序，然后與旋壓模具進行貼合。兩者之間的配合間隙是靠調(diào)整預(yù)機加補償來實現(xiàn)。對于窗口小輪輻多的車輪該旋壓方式能夠適用，但對于本文所述窗口大輪輻少的車輪則不適用。旋壓過程中模具對車輪在窗口部位起不到支撐作用，在旋壓力的作用下，窗口部位較輪輻部位沿軸向變形大，造成了車輪端面不平，機加后出現(xiàn)花瓣形狀，如圖3所示。

2.1.1 載荷作用在輪輻下方

由圖4、圖5可知，應(yīng)力主要分布在加載區(qū)域及毛坯與模具相接觸的區(qū)域，同時車輪毛坯發(fā)生了塑性應(yīng)變，應(yīng)變的產(chǎn)生說明毛坯在卸掉載荷后將產(chǎn)生不可還原的塑性變形。

卸掉載荷時產(chǎn)生的塑性變形量如圖6、圖7所示。

2.1.2 載荷作用在窗口下方

當載荷作用在車輪窗口下方時，模擬結(jié)果如圖8～11所示。

由上述可知:卸掉載荷后，載荷作用在輪輻上的總變形量為0.315 7 mm，軸向變形量為0.307 6 mm;載荷作用在窗口上的總變形量為0.533 4 mm，軸向變形量為0.489 3 mm。即當相同載荷作用在輪輻下方時產(chǎn)生的不可還原的塑性變形量要小于作用在窗口下方時產(chǎn)生的變形量?？梢?，旋壓工藝的特殊性容易導(dǎo)致車輪毛坯產(chǎn)生花瓣式的變形缺陷。

2.2 模具優(yōu)化

鑒于上述在旋壓過程中旋壓模具對毛坯無支撐作用，易導(dǎo)致窗口大輪輻少的車輪在端面產(chǎn)生變形，依此對現(xiàn)有模具進行優(yōu)化設(shè)計，更改毛坯預(yù)機加方式，在旋壓過程中使模具對毛坯有支撐力，避免毛坯端面變形過大。

2.2.1 載荷作用在輪輻下方

由圖12、圖13可以看出，應(yīng)力更加集中在加載區(qū)域及毛坯與模具相接觸的區(qū)域，而車輪毛坯塑性應(yīng)變僅產(chǎn)生在載荷作用的附近區(qū)域，說明車輪端面不易產(chǎn)生塑性變形。

卸掉載荷時產(chǎn)生的塑性變形量如圖14、圖15所示。

2.2.2 載荷作用在窗口下方

當載荷作用在車輪窗口下方時，模擬結(jié)果如圖16～19所示。

由上可知:卸掉載荷后，載荷作用在輪輻上的總變形量為0.048 9 mm，軸向變形量為0.042 mm，作用在窗口上的總變形量為0.089 mm，軸向變形量為0.088 mm?？梢?，優(yōu)化后的毛坯與模具結(jié)構(gòu)形式，對車輪輪輻有一定的定位支撐作用，塑性變形量要遠小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生的塑性變形量。

由于上述模擬分析采用的是靜態(tài)分析，該分析存在局限性，并沒有進行完全的旋壓模擬，與實際旋壓條件有一定差距，但從分析結(jié)果來考慮不同條件下，車輪毛坯的應(yīng)力及變形量的變化趨勢還是有很大的參考意義。

3 試驗

根據(jù)模擬結(jié)果，對旋壓毛坯和旋壓模具進行了優(yōu)化(圖20、21)，并進行了試驗驗證(圖22)。

經(jīng)過驗證，優(yōu)化后的旋壓模具能夠解決車輪端面變形。現(xiàn)該設(shè)計方法已經(jīng)應(yīng)用于其他車輪的模具設(shè)計中。

4 結(jié)語

本文對改進前后的旋壓模具進行了有限元模擬。根據(jù)模擬結(jié)果對旋壓模具和毛坯進行了優(yōu)化和改進，解決了旋壓過程中車輪的端面變形問題，為鋁車輪旋壓模具設(shè)計提供了參考依據(jù)。

［1］孔玲，張立娟，常海平，等.鑄旋鋁合金輪轂旋壓模具設(shè)計及壓料方式研究［J］.制造技術(shù)與機床，2011(3):142 －143，147.

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［3］彭子明.強力旋壓工藝分析軟件及旋壓力和偏載力研究［D］.秦皇島:燕山大學，2004.

［4］孫麗麗.汽車輪轂旋壓過程的數(shù)值模擬［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2008.

［5］張立娟，周宏偉，韓云，等.鑄旋鋁合金輪轂對旋壓設(shè)備的需求分析［J］.鍛壓技術(shù)，2010(8).

［6］何維均，宋鴻武，張立娟，等.鑄造鋁合金輪轂旋壓過程的數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化［J］.精密成形工程，2011，3(2).