熱旋壓變形對鋁合金輪轂鑄坯組織性能的影響及旋壓工藝優化（上）

文/宋鴻武，張士宏·中國科學院金屬研究所

熱旋壓變形對鋁合金輪轂鑄坯組織性能的影響及旋壓工藝優化（上）

文/宋鴻武，張士宏·中國科學院金屬研究所

本文系統研究了熱旋壓變形對A356合金組織性能的影響規律，并采用輪轂鑄坯熱旋壓過程的三維有限元模擬，對變形區金屬流動規律進行了分析。研究和分析表明施加熱旋壓變形，可以消除鋁合金的鑄造缺陷，改善共晶Si相的形貌和分布，進而提高合金的強韌性，熱旋壓量及變形均勻性是影響輪轂旋壓后組織性能的關鍵因素。通過數值模擬和工藝優化，可以提高鑄造鋁合金輪轂的熱旋壓變形均勻性。

為了適應汽車更安全、更節能、降低噪聲、污染物排放不斷加嚴的要求，鋁合金輪轂已經全面向大直徑、輕量化、高強度等方向發展。在此背景下為了實現“質量接近鍛造輪轂，成本價格接近鑄造輪轂”的產品目標，日本在20世紀90年代末，將熱旋壓工藝用于鑄造輪轂坯料的成形加工，開發了鋁合金輪轂的鑄旋新工藝。但是，鑄旋輪轂的生產工序較多、生產工藝復雜，國內在批量生產中還存在很多問題，比如鑄旋工藝缺乏穩定性，存在表面裂紋、波紋和變形超差等缺陷，材料利用率、機加成品率較低，產品性能同國外還存在一定差距等。因此針對該技術涉及的關鍵科學問題開展系統性的基礎研究，為掌握鋁合金輪轂鑄旋新工藝的核心技術，全面提高A356合金汽車輪轂品質，最終為實現高品質輕量化鑄旋鋁合金輪轂的國產化及產業化，提高國際市場競爭力奠定基礎。目前輪轂表面缺陷、力學性能，特別是成品延伸率較低和變形較大所致的成品尺寸超差，已成為制約鋁合金輪轂鑄旋技術國產化的幾個關鍵問題。因此需系統掌握鑄旋輪轂組織性能和變形的影響規律，進而通過控制和優化熱旋壓工藝減小缺陷、提高性能。

鋁合金輪轂鑄旋工藝原理

鋁合金輪轂鑄旋成形技術的核心為鑄坯輪輞的熱旋壓工藝，其工藝原理如圖1所示，是用旋輪將回轉體鑄坯進行局部連續旋轉壓縮，以成形其內外截面形狀的成形方法，該過程綜合了普旋和強旋。在旋壓過程中，只有輪輞部分發生變形，輪輻與外輪緣在旋壓時起固定作用，將毛坯同心地適當裝夾在合適的芯模上，當主軸帶動毛坯旋轉后，數控系統根據預先編制的程序自動控制各旋輪運動軌跡，按規定的形狀軌跡作運動，擠壓毛坯，逐步地使毛坯緊貼模具形面，從而得到要求截面尺寸的工件。

圖1 輪轂鑄坯熱旋壓工藝原理圖

熱旋壓對A356組織性能的影響規律

通過金相和掃描電鏡組織觀察和拉伸力學性能測試，系統研究不同的熱旋壓變形量和隨后的熱處理對A356合金組織性能的影響規律和機理，獲得不同旋壓變形量的實驗方案如表1所示。

表1 獲得不同旋壓變形量的實驗方案

不同旋壓變形量對A356合金鑄態和熱處理態的力學性能影響規律如圖2所示。從圖中可以看出，隨旋壓變形量增加，旋壓態的屈服和抗拉強度相比鑄態略有降低，但延伸率增加明顯。經T6熱處理后，無論屈服強度、抗拉強度還是延伸率均隨變形量的增加而提高，特別是延伸率提高明顯，由未經旋壓時的5%提高到15%以上。不同旋壓變形量對應的合金微觀組織如圖3和圖4所示。

圖2 不同旋壓變形量對鑄態和熱處理態的力學性能影響規律

圖3 不同旋壓變形量對應的鑄態微觀組織

圖4 不同旋壓變形量對應的熱處理態微觀組織

從圖3和圖4中可以看出，隨著旋壓變形量增大，初始的鑄造枝晶轉變為具有方向性的帶狀結構，枝晶排列的方向性更加明顯，枝晶間距減小同時產生細化，共晶硅被打碎，呈彌散狀分布。特別是當變形量為30%時，枝晶開始發生明顯細化，被拉長且呈流線分布，Si顆粒彌散分布；隨著變形量的增加，枝晶間距減小，Si顆粒進一步變小。這表明熱旋壓的主要作用是使得共晶Si相由原先的網狀分布變成帶狀分布，而且共晶Si顆粒更加圓整化，分布更彌散化，因此大大提高了材料的延伸率，由鑄態時的5%可提高到17%。而旋壓后強度較鑄態時略有下降，這是由于高溫導致析出強化相長大或部分溶解所致；而T6熱處理后，旋壓使得材料的抗拉強度和延伸率均有明顯提高，屈服強度無明顯變化，因此熱旋壓變形的主要作用為提高材料的延伸率，同時提高熱處理后的抗拉強度（由于變形可促進Mg2Si強化相的析出）；同時從圖2中可以看出，熱旋壓變形量超過30%時才對材料的性能起到明顯的作用。而從旋壓輪輞在壁厚方向上的變形流線（圖5）可以看出變形不均勻，心部變形明顯小于外表面和內表面的變形。因此如何保證坯料的變形均勻性并使得各處的變形量均達到30%時發揮熱旋壓變形作用成為關鍵點。旋壓生產實踐表明，除了合理選擇變形溫度、應變速率以及變形量等旋壓工藝參數之外，鑄坯形狀尺寸、旋輪結構尺寸等因素也是影響金屬流動和變形均勻性的重要原因。

圖5 旋壓輪輞沿厚度方向上的變形分布

鑄坯熱旋壓工藝的有限元分析及改善變形均勻性的工藝優化

鋁合金輪轂鑄坯的熱旋壓成形是個集幾何、物理和邊界條件的三重非線性為一體的復雜變形過程。影響鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓成形的工藝參數有很多，如材料性能、旋輪形狀、旋輪進給率、輪輞壁厚減薄率、潤滑及加工方法等。其中旋壓成形溫度、旋輪形狀、鑄坯開口角、旋輪軌跡、旋輪之間的錯距等關鍵參數對成形影響較大。如果單純依靠試驗的方法來研究輪轂的鑄旋工藝，可能造成耗資大、研究周期長、試驗過程中的隨機干擾因素多等缺點。如果只采用理論解析的方法，卻又常常很難快速、準確地解決生產中出現的各種問題。而數值模擬技術的廣泛應用，為旋壓工藝的制定和優化提供了先進的分析方法。

有限元模型建立

⑴幾何模型建立。

實際旋壓初始坯料的輪輻和外輪緣表面比較復雜，不利于有限元網格的劃分和計算求解，所以將這些復雜的空間曲面簡化為簡單的平面和球面，最終建立的旋壓初始坯料如圖6(a）所示。而芯模，頂模以及旋輪皆按照實際形狀繪制，建立好的旋壓裝配圖如圖6(b）所示。

圖6 有限元模型中的坯料與旋壓裝配圖

⑵材料模型建立。

由于旋壓為一種逐點、高速成形工藝，其應變速率較高，本文中輪轂旋壓過程的等效應變速率采用下式計算：

式中，t0為初始坯料厚度（三個道次的坯料厚度變化為23～18～11～7mm）；v0為進給速度（1.1mm/轉）；αρ為旋輪成形角（三道次分別為86°，12.7°，7.5°）；φt為厚度減薄率（三道次分別為21.7%，38.9%，36.4%）。通過計算可得，三道次的有效應變速率分別約為40.5s-1，18.9s-1，16.8s-1。而目前關于鑄造鋁合金A356的熱塑性變形行為研究較少，特別是缺乏高應變速率下熱變形行為方面的研究，因此采用熱壓縮試驗測定了溫度范圍為300～450℃、應變速率范圍為0.1～50s-1的真實應力應變曲線，建立了本構模型，如式（2）～（4）。

⑶有限元模型的其他處理。

根據實測結果，坯料溫度在整個變形過程變化不大，因此將變形假設為等溫過程（坯料溫度320℃）。在實際旋壓過程中，芯模自轉帶動坯料做高速旋轉，但這樣不便于計算。本文的有限元模型中芯模以及坯料不旋轉，靠旋輪繞坯料芯軸的高速公轉來實現旋壓，同時旋輪也會在摩擦力的作用下繞自己的芯軸自轉，這樣并不改變金屬的受力狀態和變形規律。另外劃分網格時，對于要經歷大變形的輪輞處的網格劃分則比較細小，而對于不參與大變形的輪輻以及外輪緣的網格劃分比較粗，減少網格的總數量，以便減少計算時間。

《熱旋壓變形對鋁合金輪轂鑄坯組織性能的影響及旋壓工藝優化》(下）見《鍛造與沖壓》2017年第23期

宋鴻武，副研究員，主要從事塑性成形理論及先進成形技術領域的研究，特別關注材料本構、成形性、組織演化等的表征及模型建立，承擔國家自然基金、國際合作及企業委托等項目多項，發表論文40余篇，獲授權發明專利8項。