基于點(diǎn)追蹤的AZ80鎂合金輪轂復(fù)合擠壓規(guī)律仿真研究

豆素勤，雷同飛

DOU Su-qin, LEI Tong-fei

（西京學(xué)院 機(jī)電工程系，西安 710123）

0 引言

隨著汽車性能不斷提高和輕量化發(fā)展趨勢，鎂合金以其輕質(zhì)、阻尼性能高好等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車輪轂等主體功能部件的首選材料[1～3]。但其密排六方晶體結(jié)構(gòu)決定了室溫下成形困難，而作為鎂合金主要的成型工藝，壓鑄成型易產(chǎn)生縮孔和疏松等缺陷，開裂傾向大，極大降低了零件性能質(zhì)量[4,5]。基于擠壓工藝三向壓應(yīng)力可提高鎂合金塑性變形能力和產(chǎn)品力學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)，殷銀銀[6,7]等提出了擠壓和脹形工藝來成形鎂合金輪轂，但未對擠壓過程中坯料金屬流動(dòng)情況、輪輞應(yīng)變歷史演變等進(jìn)行深入研究。

有限元數(shù)值模擬技術(shù)不但可以獲取塑性變形過程中金屬的各狀態(tài)變量值，還可以通過點(diǎn)追蹤功能，獲取各金屬節(jié)點(diǎn)變量指標(biāo)的歷史演變規(guī)律，對優(yōu)化成形工藝、提高產(chǎn)品性能質(zhì)量具有重要意義。因此，針對某一規(guī)格AZ80鎂合金汽車輪轂復(fù)合擠壓工藝進(jìn)行了有限元建模仿真研究，并通過點(diǎn)追蹤功能，獲得了材料金屬的流動(dòng)情況和輪輞等效應(yīng)變的歷史演變過程，以期對于提高鎂合金輪轂擠壓制品性能、優(yōu)化成形工藝，為下一步的脹形工藝提供更為優(yōu)良的擠壓件提供數(shù)據(jù)支持。

1 擠壓方案

輪轂輪輻表面形狀簡單、容易實(shí)現(xiàn)擠壓成形，主要成形難點(diǎn)在于較長的薄壁輪輞的成形，首先輪輞壁厚較薄，變形程度較大，導(dǎo)致擠壓成形力過大；另外，輪輞為曲面形狀，截面變化較大，如果直接擠壓成形，坯料在曲面的模腔內(nèi)流動(dòng)困難，容易卡死，造成模具破裂和成形失敗。因此，工序可分為復(fù)合擠壓和脹形兩部分，先將鑄態(tài)圓柱坯料擠壓成形為輪輞為直壁的輪轂雙杯形件，然后采用脹形技術(shù)把直壁輪輞成形為與輪轂輪輞外形輪廓一致的零件，如圖1所示。

擠壓工序工藝參數(shù)主要包括坯料和模具的初始溫度、擠壓速度、摩擦狀態(tài)等。鎂合金最佳的塑性變形溫度350～410℃[8]，因此，選取坯料溫度T billet =380℃，為減弱摩擦生熱、塑性變形功熱效應(yīng)引起的溫度快速上升，采用模具溫度低于坯料溫度T die =350℃。為了在盡可能降低擠變形抗力的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)效率，選取擠壓速度v=2mm/s。將石墨水劑潤滑劑均勻地涂在擠壓筒內(nèi)壁、模具工作表面，以保證擠出雙杯件的光潔度。

圖1 AZ80鎂合金輪轂成形工序和輪轂尺寸簡圖

圖2 AZ80鎂合金輪轂復(fù)合擠壓幾何裝配模型

2 FEM模型

選用DEFORM-2D軟件進(jìn)行建模仿真研究，在同一坐標(biāo)系下將所有部件按照現(xiàn)實(shí)的裝配關(guān)系應(yīng)用AutoCAD軟件進(jìn)行實(shí)體建模的過程中，以dxf格式導(dǎo)入到有限元軟件中，保證各個(gè)部件在有限元軟件中的相互位置關(guān)系的準(zhǔn)確性。為了提高計(jì)算結(jié)果的精度、節(jié)省計(jì)算時(shí)間以及保證模擬過程中的網(wǎng)格質(zhì)量，采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)。因?yàn)樾枰紤]模具與坯料之間的接觸傳熱，所以還需要對模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。金屬坯料與環(huán)境的對流系數(shù)為0.02N/ (s·mm·℃)，與模具接觸傳熱系數(shù)為11N/ (s·mm·℃)，環(huán)境溫度為20℃，選取摩擦因子m=0.2。坯料金屬為AZ80鎂合金，采用基于熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)得到的流變應(yīng)力及應(yīng)變數(shù)據(jù)[6,7]，以離散點(diǎn)方式輸入而獲取的材料模型。

3 結(jié)果與討論

3.1 金屬流動(dòng)規(guī)律

由于輪轂擠壓過程中，在擠壓風(fēng)孔過程中會引起材料流動(dòng)的不均勻性，輪輻與下端輪輞交接處易產(chǎn)生輕微拉塌缺陷。因此，本文采用無風(fēng)孔擠壓方案，風(fēng)孔在脹形完成后有機(jī)械加工獲得。圖3為AZ80鎂合金輪轂復(fù)合擠壓成形過程圖，可以看出，擠壓開始后上模具輪幅凸臺和下模具輪輻凸臺首先與坯料接觸，輪輻表面逐漸成形；隨著擠壓不斷進(jìn)行，坯料開始沿著模具型腔向四周不斷流動(dòng)，行成上下端薄壁；當(dāng)下端薄壁充滿型腔后停止流動(dòng)，上薄壁仍不斷延長，最終成形件如圖3(d)所示。

圖3 AZ80鎂合金輪轂復(fù)合擠壓成形

利用逆向點(diǎn)追蹤功能，可以獲得輪轂各個(gè)部分材料在坯料的原始位置和流動(dòng)過程。輪輞壁厚較薄，變形程度較大，為擠壓變形難點(diǎn)所在，因此，獲取輪輞部位材料流動(dòng)情況和在坯料的原始位置非常重要。 圖4給出了逆向點(diǎn)追蹤輪輞材料流動(dòng)過程，可以看出，組成輪輞材料主要來自于坯料外徑Φ300～Φ380mm的范圍內(nèi)。因此，可以通過對該部位金屬材料進(jìn)行特殊處理、提高基體材料性能，進(jìn)而綜合提高輪輞的綜合性能。

3.2 應(yīng)變演變規(guī)律

等效應(yīng)變的大小對于金屬材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制有著重要影響，等效應(yīng)變大的部位動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制激發(fā)充分，組織細(xì)小均勻，性能優(yōu)良；等效應(yīng)變小的部位動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制得不到充分激發(fā)，性能較鑄態(tài)組織提高不明顯。圖5給出了輪輞節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變的歷史演變規(guī)律，可以看出：1) 上端輪輞金屬節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變明顯大于下端，尤其是靠近輪輻端的輪輞材料，說明該工藝條件下上端輪輞塑性變形大于下端，金屬晶粒細(xì)化會較為明顯；2)沿著軸向由輪輞斷面向輪輻方向，上、下輪輞金屬節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變均不斷增大。

圖4 輪輞材料流動(dòng)逆向點(diǎn)追蹤

圖5 輪輞材料等效應(yīng)變點(diǎn)追蹤

4 結(jié)論

建立了某規(guī)格AZ80鎂合金輪轂復(fù)合擠壓FEM模型，并通過點(diǎn)追蹤功能對于輪轂擠壓過程中金屬材料的流動(dòng)情況、等效應(yīng)變歷史演變規(guī)律等進(jìn)行了仿真研究：

1) 利用逆向點(diǎn)追蹤功能，揭示了組成輪輞材料主要來自于坯料外徑Φ300～Φ380mm的范圍內(nèi),可以通過對該部位金屬材料進(jìn)行特殊處理、提高基體材料性能，進(jìn)而綜合提高輪輞的綜合性能；2) 上端輪輞金屬節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變明顯大于下端，尤其是靠近輪輻端的輪輞材料，且沿著軸向由輪輞斷面向輪輻方向，上、下輪輞金屬節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變均不斷增大。

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