錯(cuò)距旋壓工藝參數(shù)對(duì)輪轂輪輞成形影響規(guī)律探究

文／李萍，劉國(guó)凱，吳信濤，謝瑞，杜勇，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)

錯(cuò)距旋壓工藝參數(shù)對(duì)輪轂輪輞成形影響規(guī)律探究

文／李萍，劉國(guó)凱，吳信濤，謝瑞，杜勇，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)

為系統(tǒng)地研究汽車輪轂強(qiáng)力旋壓成形規(guī)律，在對(duì)輪轂強(qiáng)力旋壓工藝分析的基礎(chǔ)上，建立符合實(shí)際的力學(xué)模型。利用有限元分析軟件對(duì)輪轂的錯(cuò)距旋壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到旋壓成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，分析變形區(qū)金屬流動(dòng)規(guī)律和塑性成形機(jī)理，并對(duì)軸向錯(cuò)距量、徑向壓下量等重要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，找出最優(yōu)工藝參數(shù)。

輪轂是車輛行駛時(shí)的主要部件之一，發(fā)揮著承載車輛重量、體現(xiàn)車輛外觀、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)等重要作用。旋壓是一種綜合了鍛造、擠壓、拉深、彎曲和滾壓等工藝特點(diǎn)的先進(jìn)制造工藝方法，在航空航天、通用機(jī)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。作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，旋壓也開始逐漸應(yīng)用到汽車輪轂的制造和生產(chǎn)中去。

國(guó)外生產(chǎn)鋁合金輪轂已經(jīng)開始廣泛采用強(qiáng)力旋壓和普通旋壓復(fù)合的生產(chǎn)工藝，但其需兩臺(tái)旋壓機(jī)床，兩道次工序增加了影響零件質(zhì)量的因素，使其精度更難控制。錯(cuò)距旋壓采用三旋輪錯(cuò)距分布同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行加工，可以將需要多道次完成的工序在一道次中完成，生產(chǎn)效率得到了大幅度提高，且工件質(zhì)量更容易控制。

有限元模型建立

圖1(a）為輪轂鑄坯，輪輞部分壁厚為10mm，圖1(b）為最終零件，輪輞壁厚為5mm，輪輞厚度減薄率達(dá)到了50%。采用一道次普通旋壓成形工藝，輪輞復(fù)雜曲母線勢(shì)必為成形難點(diǎn)，且零件的精度和成形質(zhì)量難以得到保證。采用錯(cuò)距旋壓工藝，可大大降低每道次坯料減薄率，避免材料在變形過程發(fā)生拉裂、過度減薄等問題，且零件表面質(zhì)量良好。本文輪轂材料選用A356，所用工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 輪轂?zāi)Ｐ?/p>

輪轂錯(cuò)距旋壓成形模擬結(jié)果與分析

錯(cuò)距旋壓應(yīng)力分析

如圖2(a）、(b）所示，在錯(cuò)距旋壓初期，隨著旋輪在軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和徑向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，坯料受到等效應(yīng)力逐漸增大，隨后呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。外表面的等效應(yīng)力呈環(huán)形分布于變形區(qū)，此時(shí)，等效應(yīng)力最大值分布于旋輪作用區(qū)，這是因?yàn)樵谛龎撼跗?，已變形區(qū)域相對(duì)未變形區(qū)域還比較小，旋壓過程中已變形區(qū)受到未變形區(qū)凸緣“剛端”的影響，將更大的偏離正弦律，造成附加的徑向拉應(yīng)力和周向壓應(yīng)力。在旋壓成形的后期，如圖2(c）、(d）所示，已變形區(qū)比未變形區(qū)要大，所受到凸緣“剛端”的影響變小，偏離正弦律變小，因此等效應(yīng)力的分布區(qū)域相對(duì)減小，內(nèi)表面等效應(yīng)力分布規(guī)律與外表面的規(guī)律相同。內(nèi)外表面等效應(yīng)力的最大值始終出現(xiàn)在旋輪的作用區(qū)域范圍。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)方案

圖2 成形過程中內(nèi)外表面的等效應(yīng)力分布

錯(cuò)距旋壓應(yīng)變分析

如圖3所示，在旋壓變形過程中，外表面的等效塑性應(yīng)變?cè)谧冃纬跗诔尸F(xiàn)增大的趨勢(shì)，隨后隨著變形的進(jìn)行逐漸減小，由圖可見，在坯料的中間部位出現(xiàn)了一個(gè)塑性應(yīng)變極大值集中區(qū)——應(yīng)變環(huán)，且應(yīng)變分布比較均勻。

應(yīng)變環(huán)產(chǎn)生與材料減薄率有關(guān)，主要由以下兩方面原因造成：

⑴旋壓成形初、中期，已變形區(qū)相比凸緣“剛端”較小，變形區(qū)受到凸緣“剛端”的影響較大，坯料的內(nèi)錐角會(huì)相對(duì)增大，如圖3(a）、(b）所示，壁厚減薄率與坯料內(nèi)錐角正相關(guān)，此時(shí)旋壓件的壁厚減薄率亦增大；在旋壓成形中后期，變形區(qū)受到凸緣的影響逐漸減小，內(nèi)錐角變化將隨之減小，如圖3(c）、(d）所示，旋壓成形逐漸恢復(fù)正常，實(shí)際的減薄率也相應(yīng)減小。

圖3 成形過程中內(nèi)外表面的等效塑性應(yīng)變分布

⑵旋壓變形中以剪切變形為主，變形金屬向旋輪后方流動(dòng)，但在金屬流動(dòng)阻力的作用下，少量變形區(qū)金屬將流向旋輪前方，在旋輪前方產(chǎn)生隆起。變形初期，已變形區(qū)相比凸緣“剛端”較小，變形區(qū)受到凸緣“剛端”的影響較大，形成的隆起較高，如圖3(a）、(b）所示，坯料隆起使得工件變形區(qū)的坯料厚度增大，厚度減薄率增大，即旋壓變形程度增大，等效塑性應(yīng)變相應(yīng)增大。隨著旋壓變形的進(jìn)行，變形區(qū)受凸緣“剛端”的影響逐漸減小，旋輪前方形成的隆起逐漸減少，如圖3(c）、(d）所示，金屬堆積減小，使得等效塑性應(yīng)變相應(yīng)減小。

錯(cuò)距值對(duì)輪轂旋壓成形的影響

⑴軸向錯(cuò)距量對(duì)旋壓力的影響。

軸向錯(cuò)距值的合理分配，在保證金屬的正常流動(dòng)時(shí)，還需保證各個(gè)旋輪的受力均勻。圖4為旋輪間錯(cuò)距值與各個(gè)旋輪軸向、徑向、切向旋壓力之間的關(guān)系。由圖4(a）、(b）、(c）可知，在三個(gè)方向上的旋壓力均在錯(cuò)距值為2mm時(shí)取的最小值。在三個(gè)方向上旋壓力的變化趨勢(shì)相同，當(dāng)錯(cuò)距值由1mm增大到2mm時(shí)，三個(gè)方向上的旋壓力均由大變?。欢螽?dāng)錯(cuò)距值由2mm增大到3mm時(shí)，三個(gè)方向上的旋壓力均由小變大。且三個(gè)方向上的旋壓力分配均為：1號(hào)旋輪＞2號(hào)旋輪＞3號(hào)旋輪，可見各個(gè)旋輪的負(fù)荷較為均勻。因此在鋁合金輪轂錯(cuò)距旋壓數(shù)值模擬時(shí)，錯(cuò)距值選擇為2mm較為合理，有助于降低旋壓力。

⑵軸向錯(cuò)距量對(duì)等效應(yīng)力的影響。

軸向錯(cuò)距量對(duì)等效應(yīng)力的影響如圖5所示。由等效應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)軸向錯(cuò)距量為2mm時(shí)，等效應(yīng)力分布區(qū)域相對(duì)較小，且較為均勻。軸向錯(cuò)距量為1mm和3mm時(shí)，等效應(yīng)力分布區(qū)域相對(duì)較大且不均勻，易導(dǎo)致坯料變形失穩(wěn)。

各旋輪下壓量對(duì)旋壓成形的影響

⑴徑向壓下量對(duì)旋壓力的影響。

各旋輪壓下量的不同分配勢(shì)必引起旋壓力的不同。表2中第一組壓下量采用等量分配法，Δt1=Δt2=Δt3=1.67mm，錯(cuò)距旋壓過程中三旋輪的徑向力F1＞F2＞F3，這是由于坯料經(jīng)前一個(gè)旋輪成形后造成坯料加工硬化，坯料的強(qiáng)度得到一定提高，后道次旋壓力增加。此外在第一組壓下量的分配下，旋輪徑向力的均方差為三組中最大，各旋輪之間的徑向力分配不平衡導(dǎo)致成形時(shí)工件的變形不均勻。

圖4 旋輪間錯(cuò)距值對(duì)三旋輪旋壓力的影響

圖5 旋輪間錯(cuò)距值對(duì)等效應(yīng)力的影響

第二組壓下量分配為Δt1＞Δt2=Δt3，因?yàn)?#旋輪的壓下量明顯大于2#、3#旋輪的壓下量，所以1#旋輪所受的徑向力最大；2#旋輪和3#旋輪的壓下量相同，但2#旋輪的徑向力要比3#旋輪的徑向力略大，這與第一組的原因相同；但在第二組壓下量分配下，各旋輪徑向力的均方差為三組中最小，各旋輪之間的徑向力分配相對(duì)平衡，有利于坯料的均勻變形。

表2 不同壓下量對(duì)徑向旋壓力的影響

圖6 壓下量對(duì)等效應(yīng)力的影響圖

第三組壓下量分配為Δt1＞Δt2＞Δt3，三旋輪的徑向力F1＞F2＞F3，徑向力的均方差略大，各旋輪之間的徑向力分配相對(duì)不平衡。

⑵徑向壓下量對(duì)等效應(yīng)力的影響。

圖6為不同壓下量2#旋輪變形區(qū)的等效應(yīng)力狀態(tài)。2#旋輪作為中間旋輪，其作用區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)能夠較好的反映整個(gè)坯料的變形情況。圖6(b）和(c）的紅色區(qū)域分布較為相似，且明顯比圖(a）中的區(qū)域分布要小，等效應(yīng)力狀態(tài)更加均勻，坯料變形亦更為均勻；而圖(b）中的紅色區(qū)域相對(duì)于圖(c）更均勻一點(diǎn)，即變形更均勻。這與在徑向旋壓力對(duì)比中得到的結(jié)論相同。

試驗(yàn)驗(yàn)證

選用錯(cuò)距量為2mm，壓下量選擇第二組的工藝參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將A356鑄坯輪輞進(jìn)行錯(cuò)距旋壓成形，得到工件如圖7所示，輪輞在成形過程中無折疊、起皺，表面質(zhì)量良好。

圖7 輪轂錯(cuò)距旋壓實(shí)物圖

結(jié)論

⑴在錯(cuò)距旋壓過程中，應(yīng)力值由坯料的外表面向內(nèi)表面逐漸減小；等效應(yīng)力隨著變形程度的增加而增大，而等效應(yīng)變的分布則經(jīng)歷了先增大后減小的過程。

⑵旋輪作用區(qū)受到三向壓應(yīng)力作用，由于在三個(gè)方向上受力的不同，迫使變形坯料在軸向上以伸長(zhǎng)變形為主，徑向上坯料以發(fā)生壓縮變形為主。作用區(qū)的下方區(qū)域，坯料在軸向處于伸長(zhǎng)變形，作用區(qū)的上方區(qū)域，坯料在徑向上發(fā)生伸長(zhǎng)變形，軸向上發(fā)生壓縮變形。

⑶旋壓力隨著錯(cuò)距值的增大先變小后增大，在錯(cuò)距值為2mm時(shí)旋壓力最?。粡较驂合铝υ趶较驂合铝繛?mm、1.5mm、1.5mm時(shí)均方差最小，此時(shí)坯料變形均勻，變形區(qū)等效應(yīng)力亦在此組壓下量作用下最為均勻。