基于熱模擬試驗(yàn)的大尺寸6061鋁合金輪轂旋壓工藝

王建華，季云浩，李亨

（1.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，福建 龍巖 364021; 2.美的集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心；3.合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009）

1 背景

2020年9月我國(guó)明確提出了2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，“雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式，綠色出行也逐漸成為新時(shí)尚，在這種大環(huán)境下，我國(guó)新能源汽車技術(shù)異軍突起、迅速發(fā)展。新能源汽車電池安裝于底盤上，所以底盤高度要求要高一些。因此，大部分新能源汽車都以SUV的形式面世。而近日全球首款原生純電豪華MPV極氪009問世，并將馬上實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨，必將推動(dòng)新能源汽車的大型化技術(shù)更加成熟。這就帶動(dòng)輪轂的大型化。新能源汽車考慮輕量化效應(yīng)，基本都使用鋁合金輪轂，而大型化的鋁合金輪轂，壓鑄工藝會(huì)有不少缺陷，高端的車型會(huì)考慮采用鍛壓和旋壓的方式生產(chǎn)。徐圓義、李亨等運(yùn)用等效試驗(yàn)方法，研究了鋁合金輪轂的鍛造工藝，提高了薄弱區(qū)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。李亨、季云浩等針對(duì)商用鋁合金輪轂法蘭盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)鍛造工藝及模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將鍛壓模具設(shè)計(jì)成波浪形，并對(duì)鍛造工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得段壓成形力降低了20%。周正、楊莎等利用Deform軟件對(duì)鋁合金輪轂預(yù)鍛和終鍛過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并進(jìn)行了微觀晶粒模擬,分析了結(jié)果,為鍛造工藝的優(yōu)化提供了參考。范宏軍通過胎環(huán)旋壓的方式來達(dá)到輕量化的目的,同時(shí)通過旋壓工藝的改善以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的量產(chǎn)。玄令祥、徐恒秋采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)輪轂旋壓成形的過程進(jìn)行仿真模擬,獲取相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變情況,在相對(duì)較短的時(shí)間里,完成對(duì)于工藝方案的驗(yàn)證工作,提高加工效率。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)6061鋁合金輪轂的旋壓成形工藝。

2 熱模擬試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)采用6061鋁合金作為研究對(duì)象，6061鋁合金是Al-Mg-Si系鋁合金，也是現(xiàn)在商用鋁合金輪轂最常用的材料，其主要的化學(xué)成分如表1所示。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位：%）

實(shí)驗(yàn)選用6061鋁合金小圓柱作為試樣，直徑為8mm，高度為10mm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，需將試樣進(jìn)行打磨，小圓柱上下表面打磨到砂紙600，側(cè)面打磨到砂紙400，在Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)。因流變應(yīng)力和應(yīng)變、應(yīng)變速率、變形溫度相關(guān)，將該實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定為真應(yīng)變0.65，應(yīng)變速率為0.01、0.1、1，變形溫度為380℃、420℃、460℃，為了防止在熱壓縮過程中，由于存在較大摩擦力而導(dǎo)致的變形不均勻，實(shí)驗(yàn)前將試樣兩端面均勻涂抹石墨以降低摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，本次實(shí)驗(yàn)采用熱電偶加熱，加熱速度為10℃/s，加熱后保溫5min，實(shí)驗(yàn)完成后以水淬冷卻降溫。

2.2 6061鋁合金真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括時(shí)間、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、變形過程中每時(shí)刻的溫度，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析可以擬合出真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1。

圖1 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

對(duì)熱模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同溫度、不同應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力，如表2。

表2 不同條件下的峰值應(yīng)力

利用Oringin軟件對(duì)熱壓縮實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到6061鋁合金在高溫條件下的本構(gòu)方程和含Z函數(shù)的應(yīng)力應(yīng)變方程：

帶有Z參數(shù)的應(yīng)力應(yīng)變方程：

3 鋁合金輪轂旋壓工藝的設(shè)計(jì)與分析

研究的鋁合金輪轂旋壓件輪轂直徑達(dá)到669mm，高度達(dá)到278mm，尺寸較大，輪輞軌跡較長(zhǎng)，選用熱旋增加材料的流動(dòng)性，提高成品率。通過對(duì)輪轂的幾何特征的分析，需要采用兩種旋輪分兩道次旋壓的方式成形輪轂。

4 旋壓方案：輪輞上下部分同時(shí)旋壓

通過分析確定旋壓方案為輪輞上下部分同時(shí)旋壓，利用旋輪同時(shí)向上向下旋壓，盡管旋輪上下旋壓時(shí)軌跡不同，向上為斜直線，向下為復(fù)雜的曲線，但基本上兩旋輪旋壓時(shí)產(chǎn)生的Z向成形力可以相互平衡。

4.1 輪轂輪輞上下同時(shí)旋壓過程分析

依照上述的條件設(shè)置好進(jìn)行模擬，X、Z向旋壓力如圖2所示。

圖2 旋壓過程中X、Z向旋壓力

由圖2(a)、(b)知，在劈開階段，旋輪2的周向、徑向旋壓力迅速增加，徑向旋壓力增加的更大，達(dá)到了180KN，旋壓坯料被切開，此時(shí)旋壓坯料存在一個(gè)“豁口”，便于旋輪1的進(jìn)入，旋輪1的旋壓力增加的也很快，但相對(duì)于旋輪2有一個(gè)延后，兩個(gè)旋輪之間有旋壓時(shí)間差。劈開階段后，旋輪2繼續(xù)向上進(jìn)給，旋輪1開始徑向進(jìn)給并接觸旋壓坯料，兩個(gè)旋輪全部進(jìn)入工作狀態(tài)。此后旋壓力大致成下降趨勢(shì)，隨著旋壓的進(jìn)行，旋輪前方堆積的材料逐漸減少，減薄率也在逐漸減少，導(dǎo)致旋壓力成下降趨勢(shì)，但也可看出旋輪1的旋壓力，無論是周向旋壓力還是徑向旋壓力都下降的較為緩慢，原因?yàn)樾?成形的輪輞上部分，形狀較為簡(jiǎn)單為一條斜直線，而旋輪1成形的輪輞下部分是較為復(fù)雜的曲線，造成旋壓力下降的較為緩慢。

4.2 輪輞上下部分同時(shí)旋壓過程中應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)分析

（1）應(yīng)變場(chǎng)。圖3是旋壓過程應(yīng)變分布圖，由圖知，旋壓過程的應(yīng)變大體呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)旋壓進(jìn)程為25%時(shí)，由于旋輪的徑向進(jìn)給，與旋輪接觸的部分產(chǎn)生了較大的塑性變形，應(yīng)變也主要集中在與旋壓接觸部分，應(yīng)力值達(dá)到了2；隨著旋壓的進(jìn)行，由旋壓進(jìn)程為50%和75%時(shí)知，整個(gè)旋壓坯料應(yīng)變最大值出現(xiàn)在旋壓過程的中后期且在旋輪后方，最大值達(dá)到了7，主要因?yàn)殡S著旋輪的進(jìn)給，旋輪前方材料堆積，造成厚度增加，減薄率也增加，導(dǎo)致應(yīng)變逐步增大，且正在變形區(qū)域?qū)σ炎冃螀^(qū)域依然有一個(gè)強(qiáng)大的拉應(yīng)力，造成已變形區(qū)域再次減薄，這也是最大值出現(xiàn)在旋輪后方的原因，而旋壓坯料中間部分一直會(huì)受到這樣的一個(gè)拉應(yīng)力，故在設(shè)計(jì)時(shí)把輪轂的中間部分增加了一個(gè)加強(qiáng)筋，以防止過度減薄造成的缺陷；當(dāng)旋壓進(jìn)程達(dá)到100%時(shí)，可以明顯的從圖中看出輪輞上下部分的應(yīng)變大小不同，上部分應(yīng)變?yōu)?.5，下部分為2，造成應(yīng)力不同的原因?yàn)楸敬涡龎簩儆趶?qiáng)力旋壓，盡管輪輞下部分變形較為復(fù)雜，但整體的減薄率是小于上部分，輪輞上部分減薄率大，應(yīng)變大。

圖3 旋壓過程中應(yīng)變場(chǎng)分布圖

（2）應(yīng)力場(chǎng)。圖4是旋壓過程應(yīng)力場(chǎng)分布，如圖所示，旋壓進(jìn)程在25%時(shí)，應(yīng)力主要分布在旋壓坯料的中部和上部，原因是在劈開階段旋壓坯料中部和上部最早和旋輪2接觸產(chǎn)生應(yīng)力；隨著旋壓的進(jìn)行，由旋壓進(jìn)程為50%和75%時(shí)圖知，輪輞上部分成形處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，應(yīng)力值基本保持不變，應(yīng)力大小為50MPa，輪輞下部分進(jìn)入全面塑形變形后，應(yīng)力從剛開始的10MPa迅速增加到50MPa；當(dāng)旋壓進(jìn)程達(dá)到100%時(shí)，可以看出輪輞上部分應(yīng)力值大于下部分，其原因和輪輞上部分應(yīng)變值偏大一樣，上部分變形較大，而輪輞成形終了階段，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在中間部分，其原因是旋壓過程中正在變形部分對(duì)相鄰材料有軸向的拉應(yīng)力的作用，而這種作用是相互傳替的，無論是向上旋壓還是向下旋壓，輪輞中間部分都是這種軸向拉應(yīng)力作用效果的累積，所以在旋壓的中后期，輪輞中間部分應(yīng)力值最大，達(dá)到了60MPa。

圖4 旋壓過程中應(yīng)力場(chǎng)分布圖

5 結(jié)語

利用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)6061鋁合金進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了6061鋁合金真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，擬合出6061鋁合金的本構(gòu)方程。

利用有限元軟件Simufact對(duì)商用鋁合金輪轂旋壓過程進(jìn)行數(shù)值分析確定采用輪輞上下同時(shí)旋壓方案來制造輪轂，結(jié)合成形力和材料流動(dòng)分析了輪輞旋壓過程，理論上證明了設(shè)計(jì)的輪轂成形工藝方案。