鋁合金輪轂旋壓成形的有限元分析與研究

玄令祥

(1.長春理工大學，吉林 長春 130022；2.長春設備工藝研究所，吉林 長春 130022)

為了適應汽車行業的新需求，保證旋壓成形的鋁合金輪轂在精度和性能上符合要求，就必須要盡可能保證所制定的旋壓加工方案足夠合理。但是傳統的單純依靠現場加工的方式來進行數據的收集，已經無法滿足現在對于加工經濟性的要求。采用ABAQUS有限元分析軟件模擬7A04鋁合金車輪輪轂的旋壓成形過程，輔助完成對于初期制定的旋壓成形工藝方案的驗證。采用這樣的一種方式，將能夠極大的縮短發現問題，完成方案修改優化所需要耗費的時間，進而在保證旋壓成形質量的同時，提高鋁合金輪轂旋壓成形的效率，降低生產成本。

一、旋壓工藝簡述

鋁合金車輪輪轂旋壓的大致工藝過程：在旋壓的過程中，鋁合金坯料的筒底部分被尾頂壓緊固定在芯模上，旋壓時基本上沒有發生太大的變化。而鋁合金坯料的其他部分，由于受到來自旋輪的旋壓力作用而向著靠近芯模的方向傾倒，直到坯料最終完成貼膜。主要的表現就是坯料由最開始的平板狀逐漸壓倒，坯料內側貼合在芯模上變為筒形的形狀。旋輪不斷將旋壓力施加于鋁合金坯料之上，最終得到符合圖紙要求尺寸規格的旋壓成形件。

在旋壓材料方面選擇的是7A04鋁合金。7A04鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系超高強度鋁合金(亦稱超硬鋁)，是超硬鋁當中研究發展相對比較成熟，使用時間較長，應用范圍比較廣的一個合金，其廣泛應用于飛機蒙皮，螺釘，大梁桁架、起落架等受力構件[1]。其相關參數如表1中所示。

表1 7A04鋁合金主要性能參數

二、旋壓成形的有限元模型建立

首先利用軟件，按照工藝方案中的參數進行設置，完成鋁合金車輪輪轂旋壓各部分模型構建，根據旋壓所用坯料的減薄率等因素的影響[2]，對坯料、芯模以及旋輪之間的相對位置進行調整，建立的車輪輪轂旋壓的有限元模型如圖1所示。

為了提高模擬運算的速度，設置時對模型進行一定的簡化。在定義材料屬性時把旋壓坯料定義為彈塑性變形體[3]，采用的八節點六面體單元(C3D8R)對材料進行網格劃分。理想情況下，認為芯模和旋輪在旋壓過程當中是不會發生變形的，因此把芯模和旋輪定義為剛體。實際的旋壓加工過程當中，坯料、芯模以及旋輪之間的相對運動是相當的復雜的。主要的運動是旋壓坯料被壓在芯模上，與芯模一起由主軸帶動作旋轉運動。旋輪則是沿著坯料的軸向進行運動，當旋輪與坯料接觸以后，在摩擦力的作用下，旋輪也會產生旋轉運動。為了便于模擬進行，在模擬時設置：坯料、芯模是固定不運動的，而是旋輪在作進給運動的同時也作著繞坯料表面的旋轉運動。

圖1 有限元模型圖

三、旋壓模擬仿真結果分析

在利用ABAQUS軟件完成鋁合金車輪輪轂的旋壓成形加工過的數值模擬仿真之后，通過得到的應力應變分布圖對旋壓過程中的應力應變情況進行分析。

圖2 坯料表面等效應力分布圖

圖3 坯料表面等效應變分布圖

圖2為旋壓過程中的應力變化分布圖。通過觀察等效應力變化分布圖，能夠明顯看出：鋁合金坯料的底部基本沒有應力變化。這是由于該部分處于芯模和尾頂的固定之下，基本上沒有參與旋壓變形，不存在金屬的流動。而底部之外的坯料部分，在旋輪的作用下發生較大的塑性變形，應力變化比較明顯。旋壓過程中，等效應力的最大的區域主要集中在旋輪和旋壓坯料發生接觸的區域，即正在進行旋壓加工成形的區域。隨著旋壓的進行，坯料在旋輪作用下，形狀逐漸由皮板狀變為圓筒形狀，貼膜部分越來越大，直至完全貼膜。坯料變形量增大，等效應變也以逐漸增大的趨勢進行變化。

圖3旋壓過程中的應變分布圖。通過觀察等效應變分布圖，能夠發現：坯料的底部由于芯模和尾頂的固定作用，在旋壓過程當中沒有發生變形，等效應變沒有變化。而旋壓過程中，坯料變形區出現了比較明顯的應變變形區，而且在變形區中的應變分布較為均勻。隨著旋壓的不斷進行，最大應變變形區隨著旋輪的移動而移動，而且等效應變呈現出一個先增大后變小的一個過程。主要是有兩個方面的原因，一個是因為在旋壓過程中，存在一定的金屬流向旋輪的前方，表現為坯料金屬少量堆積，之后堆積的部分又會被旋輪壓下，這就使得實際過程中的減薄率短暫增加，等效應變也就表現為增加的情況。隨著旋壓的繼續進行，堆積的金屬就會剬減少，等效應變趨于減小的一個趨勢，旋壓坯料的變形情況會恢復到正常，旋壓得以正常進行。另一個最主要的原因是坯料在由板狀到被壓倒，再到完成貼膜的一個過程當中，經歷的就是一個變形量先大后變小的一個過程。

四、結論

通過對于旋壓仿真結果的分析，能夠發現：在模擬過程中，車輪輪轂的旋壓是能夠正常進行的，沒有出現明顯的加工缺陷。這也證明了前期制定的旋壓加工成形方案在理論上是合理的，是能夠采用的。

同時，仿真模擬在幫助驗證旋壓工藝方案時，體現出了對于傳統的試驗驗證方法在時間等方面具有一定的優勢。但對于本方面的研究還是不夠深入，今后還需要更多的研究者加入，促進相關工藝技術的發展與成熟。

[1]張保昌.有色金屬及其熱處理[M].北京：國防工業出版社，1981：196-198.

[2]李學光，張治峰，徐恒秋，等.筒形件旋壓加工中材料隆起情況分析研究[J].長春理工大學學報：自然科學版，2016，39(1)：56-60.

[3]劉來英，馬澤恩，孔永明.彈塑性體的理想變形[J].西北工業大學學報，1999，17(2)：205-209.