H型鋁合金車輪旋壓過程模擬

文／李建，孫惠學(xué)·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司王世洲·燕山大學(xué)

H型鋁合金車輪旋壓過程模擬

文／李建，孫惠學(xué)·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司王世洲·燕山大學(xué)

針對某款H型鋁合金車輪，利用有限元軟件對車輪輪輞強(qiáng)力旋壓過程進(jìn)行模擬，得到了旋壓過程坯料的流動(dòng)充型情況，并考察了旋輪錯(cuò)距對旋壓成形的影響，得出: H型車輪旋壓過程中如果錯(cuò)距過大則坯料容易堆積，減小錯(cuò)距可以減少旋輪之間的坯料堆積，有利于坯料流動(dòng)，本研究為鋁合金H型車輪旋壓提供了工藝參數(shù)參考。

近年來人們對車輛的節(jié)能減排越來越重視，因此重量輕的鋁合金車輪逐漸替代鋼車輪應(yīng)用在各種車輛上，商用車車輪由于與地面接觸面積大，摩擦產(chǎn)生大量的熱，容易發(fā)生爆胎和剎車失靈等事故，鋁合金的傳熱系數(shù)是鋼的3倍，可以快速散熱，而且鋁合金車輪還具有良好的附著性和緩沖性能等特點(diǎn)，在大型車市場具有廣闊的前景，吸引著越來越多的輪轂廠家投入生產(chǎn)和研發(fā)。

隨著車輪輪輞旋壓技術(shù)迅速發(fā)展，旋壓技術(shù)制造的車輪以其重量輕、強(qiáng)度高、造型美觀越來越受到各個(gè)制造廠家及車主的青睞，輪輞部位經(jīng)過強(qiáng)力旋壓后，晶粒得到細(xì)化，力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高，車輛的使用安全性能進(jìn)一步得到了保障。

旋壓工藝介紹

H型車輪的生產(chǎn)流程如圖1所示，從圖中可以看出6061鋁合金棒料經(jīng)過鍛造及擴(kuò)口沖孔工序后即可進(jìn)入旋壓，旋壓采用熱旋壓，旋壓后的毛坯再經(jīng)過熱處理、機(jī)加工等工序完成整個(gè)生產(chǎn)過程。

圖1 鋁合金H型車輪成形工藝路線

旋壓過程有限元模擬

以一款20寸的H型車輪為例對其強(qiáng)力旋壓成形過程進(jìn)行有限元模擬，考察坯料在旋壓過程中的流動(dòng)填充情況，以及旋壓錯(cuò)距對輪輞部位坯料流動(dòng)的影響，為H型車輪強(qiáng)力旋壓工藝的制定提供可靠依據(jù)。

旋壓模型建立

該款H型鋁合金車輪尺寸為20英寸，輪寬為14英寸，材料為6061鋁合金，模擬過程中采用雙旋輪對坯料進(jìn)行旋壓，在旋壓過程中上模及下模是將輪輻部位緊緊壓住的，只有輪輞部分參與旋壓變形，為了提高計(jì)算效率，將旋壓模型進(jìn)行必要簡化，進(jìn)而提高計(jì)算分析效率，簡化后的模型如圖2所示。

旋壓模擬參數(shù)

旋壓模型如圖3所示，模擬分析過程中將上模、下模和定位塊設(shè)置為主動(dòng)，坯料和旋輪設(shè)置為從動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)速300r/min，摩擦系數(shù)0.1。旋輪及模具溫度設(shè)置為250℃，坯料溫度為350℃，坯料網(wǎng)格數(shù)量劃分為18000個(gè)。

旋壓過程中旋輪運(yùn)動(dòng)為軸向和徑向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為一條曲線。以成品輪的輪輞外側(cè)型線為基礎(chǔ)，分別繪制旋輪1和旋輪2的軌跡，將軌跡的坐標(biāo)點(diǎn)輸入軟件的運(yùn)動(dòng)控制中，以此得到分析過程中旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖2 簡化后的H型車輪旋壓模具1-旋輪2 2-上模 3-旋輪1 4-下模 5坯料

圖3 旋壓簡化模型

圖4 旋壓成形過程

旋壓模擬結(jié)果

計(jì)算得到的H型車輪旋壓過程如圖4所示。

圖4a為上側(cè)始旋階段，旋輪沿Z向及X向進(jìn)給，旋輪1與坯料的接觸面積不斷變大，旋輪2也開始對輪坯進(jìn)行旋壓；圖4b為穩(wěn)旋階段，成形輪輞直筒部位，此階段坯料變形量較為均勻，在旋輪的作用下坯料逐漸貼靠上模；圖4c為終旋階段，輪輞上側(cè)及內(nèi)輪緣部位旋壓完畢，整個(gè)輪輞上部分旋壓結(jié)束；圖4d為下側(cè)始旋階段，隨著旋輪沿Z向及X向的進(jìn)給，旋輪1與坯料接觸面積不斷變大，旋輪2也開始對輪坯進(jìn)行旋壓；圖4e為穩(wěn)旋階段，主要成形輪輞直筒部位，此階段坯料變形較為均勻，在旋輪壓力下坯料逐漸貼靠下模；圖4f為終旋階段，輪輞下側(cè)及內(nèi)輪緣部位旋壓完畢，整個(gè)車輪下側(cè)旋壓過程結(jié)束，從模擬中可以看出整個(gè)旋壓過程坯料成形較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)折疊缺陷。

旋輪形狀及旋輪錯(cuò)距對輪輞成形的影響分析

錯(cuò)距旋壓是將多個(gè)旋輪在軸向互相錯(cuò)開，而在徑向又依次使毛坯減薄的一種旋壓方式。從而增加了對變形區(qū)的約束，使工件的直徑精度也得到了改善。由于上側(cè)的旋輪軌跡長度較長，且直線部分較多、斜度較小如圖5所示，因此在輪輞旋壓過程中容易產(chǎn)生坯料的堆積和翻料。所以旋輪錯(cuò)距的選擇對上側(cè)的輪輞成形有非常重要的影響。

圖5 旋輪2上側(cè)軌跡

模擬中上側(cè)始旋階段坯料剛開始沿Z軸向上運(yùn)動(dòng)，坯料堆積較少，在上側(cè)穩(wěn)旋階段由于軌跡長且斜度較小容易堆積坯料。分別對旋輪錯(cuò)距為30mm和50mm兩種情況進(jìn)行模擬，考察錯(cuò)距大小對坯料成形的影響。

從圖6中可以得出，H型輪輞長度較長且斜度較小，旋壓過程中，當(dāng)旋輪錯(cuò)距為50mm時(shí)，旋輪1和旋輪2的距離較大，旋輪旋壓時(shí)在直線階段容易造成坯料的堆積和翻料。當(dāng)旋輪錯(cuò)距為30mm時(shí)，旋輪1和旋輪2的距離較小，因此旋輪1旋壓時(shí)能壓住旋輪2旋壓后的坯料，使坯料往旋輪1上側(cè)的方向堆積，旋輪2上側(cè)沒有坯料堆積，成形良好。

圖6 不同錯(cuò)距對坯料成形的影響

結(jié)論

⑴利用數(shù)值模擬技術(shù)，可以得到按照各種工藝參數(shù)下輪坯的成形填充情況，有利于觀測坯料的成形缺陷，為車輪開發(fā)和設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

⑵旋輪之間的錯(cuò)距過大時(shí)坯料容易堆積翻料，減小錯(cuò)距有利于減少坯料堆積。