鎂合金車輪鍛造成形影響因素研究

文/李建，孫惠學·秦皇島燕大現代集成制造技術開發有限公司

王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

鎂合金車輪鍛造成形影響因素研究

文/李建，孫惠學·秦皇島燕大現代集成制造技術開發有限公司

王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

針對一款16英寸鎂合金車輪的鍛造成形過程，利用有限元軟件對車輪鍛造過程進行模擬，考察了坯料尺寸、坯料及模具初始溫度、摩擦條件等因素對成形過程的影響，研究結果表明：坯料尺寸的改變只影響前期輪輻的成形，對終成形力影響不大，坯料的直徑過小時在鍛造前期易發生折疊缺陷，模具初始溫度從450℃降低至300℃，終成形階段所需成形力提高約1500t，摩擦系數每增加0.1，鍛造終成形力約增加5%。

鎂合金具有密度低、比強度、比剛度高、優越的阻尼性能和吸振性能等優點，已經廣泛地應用于航空、航天、汽車、電子等領域，鎂合金車輪重量輕節能效果顯著，符合目前全球節能、減排、資源再生利用與清潔生產等環保的要求，因此研發及使用鎂合金車輪將成為未來車輪的發展方向。

國內采用塑性方法成形車輪的研究相對較少。鑄造鎂合金車輪雖然具有材料利用率高、生產成本低等優點，但鑄造工藝可能產生縮孔、疏松等缺陷，而且力學性能低于鍛造鎂合金車輪，難以滿足乘用車的使用要求，因此需要開發鎂合金車輪的鍛造工藝。

鍛造模擬

以一款16英寸鎂合金車輪為例，材料為AZ80鎂合金，采用三維建模軟件對鎂合金車輪鍛造模具進行建模，三維模型如圖1所示。

圖1 鎂合金車輪鍛造模具模型

坯料尺寸對成形的影響

初始坯料的尺寸對鍛造過程有較大影響，可能導致坯料在充型過程中產生折疊、穿流等缺陷，根據等體積原則，分別取三組不同尺寸毛坯，尺寸分別為：φ220mm×215mm、φ260mm×155mm、φ300mm×115mm。從圖2可以看到坯料直徑較小時，坯料與上模芯接觸位置容易出現折疊缺陷，圖2a中所示的區域1，隨著成形過程的進行，折疊可能會卷入鍛件內部，對鍛件質量造成較大影響，而隨著坯料尺寸的增大，出現這種折疊的趨勢逐漸降低。

圖2 三種尺寸坯料鍛造前期充型過程

圖3為三種尺寸坯料對成形力的影響，從圖3中可以看出，坯料尺寸的改變只影響前期鐓粗階段的鍛造成形力，而對終成形力影響不大，綜合考慮鍛造缺陷及鐓粗程度等因素，本款車輪的坯料直徑尺寸選擇為φ240～260mm。

圖3 三種尺寸坯料對成形力的影響

溫度因素對成形的影響

變形溫度是影響鎂合金塑性加工性能的關鍵因素，鎂合金具有密排六方晶格結構，其冷態下塑性加工性能較差，當溫度升高到498K以上時，由于原子活動能力增強，合金的塑性變形能力大幅提高，鎂合金的塑性對變形溫度十分敏感，其鍛造溫度范圍比鋁合金的窄，鍛造溫度范圍一般在70～105K之間，將模具溫度設置為380℃保持不變，分別模擬坯料溫度為300℃、350℃、385℃及410℃四種情況下的鍛造成形過程，分析得到的坯料溫度與成形力的關系曲線如圖4所示。

圖4 坯料溫度對成形力的影響

模具溫度分別設置為300℃、350℃、400℃及450℃，坯料溫度設置為385℃保持不變，分析得到的模具溫度與成形力的關系曲線如圖5所示。

圖5 模具溫度對成形力的影響

從圖4、圖5可以看出，鍛造的初始階段坯料溫差較大，坯料溫度只影響鍛造前期的成形力，隨著鍛造的進行，坯料溫度逐漸傳遞至模具，因此終成形力基本相同。模具溫度因素對鍛造成形力影響較大，成形力隨著模具溫度的降低而升高，由于模具體積較大，隨著鍛造的進行，模具將大量吸收坯料的熱量，以至于到成形后期（即輪輞部位成形階段），所需成形力劇增，模具初始溫度為300℃和450℃兩種情況相比，終成形階段所需成形力相差約1500t，由于成形力過大對毛坯充型以及模具壽命都會有影響，因此應該嚴格控制模具溫度，生產時需要考慮增設模具保溫及補溫裝置。

摩擦條件對成形的影響

鎂合金由于黏性較大，鍛造前模具的潤滑情況將對坯料流動產生較大影響，因此需要考察摩擦條件對鍛造成形的影響。將模具溫度設置為400℃，坯料溫度為385℃，壓力機下壓速度保持不變，分別考察摩擦系數為0.1、0.3及0.6三種情況對成形力的影響，摩擦條件對鍛造成形力的影響曲線如圖6所示。

圖6 摩擦條件對成形力的影響

從圖6可以看出，成形過程的前期（即輪輻成形階段）摩擦情況對成形力的影響較小，而到了后半階段（即輪輞成形階段）成形力隨摩擦系數的增大劇增，因此摩擦條件對鍛造成形力影響較大，即摩擦系數每增加0.1，鍛造終成形力約增加5%，實際生產時應在模具型腔內部均勻噴灑潤滑劑，并盡量提高模具型腔的表面粗糙度，模具各型面需要拋光處理，從而降低坯料鍛造成形力，提高模具的使用壽命。

結論

⑴坯料尺寸的改變只影響前期鐓粗階段的成形力，而對終成形所需成形力的影響不大，小直徑坯料在輪輻成形階段可能發生折疊缺陷，但坯料直徑的增大將導致鐓粗變形程度的降低，因此適合于本款車輪的坯料直徑為φ240～260mm。

⑵坯料初始溫度對終成形力影響較小，而模具初始溫度對終成形力影響較大，模具溫度從450℃降低至300℃，終成形力提高約1500t，摩擦條件對鍛造成形力影響較大，摩擦系數每增加0.1，鍛造終成形力約增加5%。