鋁車輪旋壓水冷工藝研究

張立娟 常海平 李國(guó)會(huì)

（①中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院環(huán)境工程系，河北秦皇島066004;②中信戴卡輪轂制造股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部，河北秦皇島 066003）

車輪是汽車的一個(gè)重要安全部件，車輪性能的好壞直接影響到汽車性能和品質(zhì)，關(guān)系到汽車的行駛安全和乘客的人身安全。鑄造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(diǎn)在轎車領(lǐng)域中得到普及。在車輪輕量化趨勢(shì)的要求下，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(jì)適用、最受關(guān)注的一種加工方法。車輪材料均選用A356，輪輞經(jīng)過(guò)熱旋壓成形后其組織有明顯的纖維流線，大大提高了車輪整體強(qiáng)度和耐腐蝕性［1］。

文獻(xiàn)［2－8］對(duì)鋁合金車輪旋壓成形方面影響較大的工藝參數(shù)，如旋輪形狀、道次減薄率、進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、模具設(shè)計(jì)等分別進(jìn)行了研究，得出了一系列重要結(jié)論;而未對(duì)非旋壓區(qū)的變形情況進(jìn)行分析研究，熱旋壓極易造成非旋壓區(qū)，例如車輪輪輻、外輪緣等部位的變形，造成旋壓件質(zhì)量不合格，影響旋壓工藝過(guò)程的平穩(wěn)性和產(chǎn)品的成品率。本文針對(duì)解決輪輻在旋壓過(guò)程中的變形進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗(yàn)分析。

1 材料的熱加工性能研究

A356合金是一種鑄造鋁合金，該合金屬于Al－Si合金。A356合金的組織為初生α－Al固溶體、共晶Si相，其中α－Al有較好的塑性，而共晶Si相硬而脆，當(dāng)鑄件受力時(shí)，在α相與共晶Si相的界面處應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生突變，使該處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，特別當(dāng)共晶Si呈片狀及外形棱角尖銳時(shí)則應(yīng)力集中程度大，易使該處產(chǎn)生微裂紋，使得合金的強(qiáng)韌性不足，限制了該合金的進(jìn)一步應(yīng)用。現(xiàn)有的研究均從細(xì)化晶粒，改善共晶Si相形貌和優(yōu)化Mg2Si強(qiáng)化相的沉淀析出出發(fā)來(lái)提材料的性能。

隨著形變強(qiáng)化理論的發(fā)展，熱塑性變形在提高A356合金性能中的作用規(guī)律和機(jī)理的研究已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

采用250～450℃的高溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為10 mm/min，分析了A356合金的塑性、變形抗力同溫度之間的關(guān)系如圖1所示。

從圖1中可以看出，材料延伸率隨著溫度的增加而逐漸增加，特別是在溫度區(qū)間365～380℃時(shí)增加顯著，由365℃時(shí)的17.7%增加到31%，提高了75.1%，即材料的塑性在380℃及以上有極大的提高，但從提高合金的熱旋壓變形能力來(lái)說(shuō)，熱旋壓加熱溫度在400℃為宜。溫度越高則車輪不需變形部位的抗力較低，加劇了車輪輪輻的變形。因此需配合變形抗力的變化進(jìn)行分析。

隨溫度的升高，鑄造A356合金的變形抗力逐漸降低，特別是當(dāng)溫度從320℃升高到345℃時(shí)，材料的變形抗力急劇降低，屈服強(qiáng)度從75 MPa降至53 MPa降低30%。反言之，若將材料溫度由高溫降到320℃及以下，則可以大大提高材料的屈服強(qiáng)度，進(jìn)而提高材料在高溫時(shí)的承力能力和高溫穩(wěn)定性，為解決熱旋壓過(guò)程中輪輻變形提供了新理論依據(jù)。

因此根據(jù)此研究結(jié)果可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)旋壓工藝提供如下建議:

（1）提高旋壓鑄坯的預(yù)熱溫度為340～400℃，以提高材料的熱旋壓性能;

（2）在旋壓前，將輪輻以外的非旋壓區(qū)域的溫度降至320℃，則可大大提高該區(qū)域的屈服強(qiáng)度，減少由于壓料不良導(dǎo)致的變形問(wèn)題。

2 水霧冷卻模擬

根據(jù)材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果，將加熱到370℃的旋壓毛坯進(jìn)行噴水冷卻模擬，降溫至320℃。

2.1 有限元模型

取19英寸的鋁合金車輪，首先在3D造型軟件UG中完成三維實(shí)體造型及網(wǎng)格劃分;然后導(dǎo)入有限元分析軟件ProCAST中進(jìn)行模擬分析，分析時(shí)將車輪的一道內(nèi)輪緣進(jìn)行固定，中心法蘭面內(nèi)側(cè)采用水汽冷卻，如圖2所示;網(wǎng)格劃分采用四面體單元，模型如圖3所示。車輪材料為A356，初始整體均勻溫度為370℃，水汽溫度為30℃，換熱系數(shù)采用5 000 W/（m℃）時(shí)，其他位置處于20℃空氣狀態(tài)下自然冷卻。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 溫度場(chǎng)變化情況

車輪輪輻正面溫度變化，取不同輪輻正面同一節(jié)圓上3點(diǎn)（圖4～6），3點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線（圖7）。由圖7可以看出，采用法蘭面內(nèi)側(cè)水汽冷卻情況下，關(guān)注點(diǎn)的溫度大約在20 s降到320℃。

2.2.2 等效應(yīng)力分布

溫度降到320℃的等效應(yīng)力分布如圖8、9所示。由圖8、9可知，正面的等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在法蘭面與輪輻連接處以及中心孔附近，背面的等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在輪輻上，且均超過(guò)了120 MPa。所以存在潛在的裂紋產(chǎn)生傾向。

2.2.3 第一主應(yīng)力分布

由圖10、11可以看出，輪輻正面的第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在法蘭面與輪輻連接處，且超過(guò)了160 MPa;背面的等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在輪輻上，在140～150 MPa之間。

2.2.4 塑形應(yīng)變分布

溫度降到320℃的塑形應(yīng)變分布如圖12、圖13所示。

由圖12、13可以看出旋壓毛坯經(jīng)過(guò)冷卻后，毛坯整體塑形應(yīng)變很小，正面集中在法蘭面和輪輻連接處，變形量不足0.2%;背面集中在輪輻上，變形量為0.6%左右，其變形量均不到1%。

2.3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)不同輪輻3點(diǎn)的降溫模擬，車輪溫度場(chǎng)是均勻變化的;等效應(yīng)力與第一主應(yīng)力數(shù)值較大，增加了毛坯產(chǎn)生裂紋的機(jī)率;冒口周圍螺栓孔附近以及輪輻內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了很小的塑形變形，冷卻自身對(duì)車輪變形影響不大。

3 試驗(yàn)

根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)旋壓車輪進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，在冷卻水噴射量不變的情況下，只改變噴射時(shí)間。共分3種情況:噴射時(shí)間為15 s、20 s和25 s。車輪變形情況如圖14～16所示。由圖中可以看出:車輪背腔噴水，能夠降低車輪輪輻旋壓前的溫度，解決旋壓輪輻變形，冷卻水噴射時(shí)間越長(zhǎng)，車輪降溫越多，變形越不明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)鋁合金A356進(jìn)行了熱拉伸試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)旋壓前毛坯進(jìn)行了水霧冷卻模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證，得出:車輪旋壓最佳溫度區(qū)間為340～400℃;旋壓前對(duì)車輪降溫，能夠基本解決車輪輪輻變形，溫度應(yīng)控制在320℃以下。為鋁合金車輪旋壓工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

本文不足之處在于文章中未對(duì)車輪噴水方式作更深層次的討論，今后還需要從這些方面進(jìn)行優(yōu)化，完善鋁合金車輪熱旋壓成形工藝。

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