鋁合金輪轂模鍛成形數值模擬優化分析

文/王東亞，侯旭，馬臣，陳登鶴·一汽鍛造（吉林）有限公司

6082 鋁合金屬于Аl-Si-Mg-Mn 系耐熱鍛鋁，具有良好的可成形性、可加工性和熱處理后(T6狀態)具有較高的機械性能，化學成分見表1，廣泛應用于航空固定裝置及卡車、船舶類的零部件。本文以6082 鋁合金后輪輪轂為研究對象，針對鍛造輪轂成形質量，利用有限元數值模擬軟件對主要成形工步進行模擬計算，分析成形過程金屬流動特點及缺陷產生條件，從而優化鋁合金輪轂成形過程。

圖1 為鋁合金輪轂鍛件圖。該鋁合金鍛件帶有高度88mm、寬度50mm 的凸臺；頭部存在凹槽和凸臺，圓周方向肋薄而長，需要的材料少，材料流動距離遠；終鍛拔模和充填較難，在鍛造成形過程中，由于冷卻快導致材料流動性差，易出現折疊、充不滿等缺陷；鍛件截面在高度方向上變化較大，復雜等級為S3 級，10 個加強肋成形難度較大。

有限元模擬分析

為解決鍛件成形難點、縮短工藝調試周期，對鋁合金輪轂鍛件的鍛造成形過程進行有限元模擬分析，通過優化工藝參數，來獲得各工步合理的鍛造成形結構，從而指導實際生產，以達到縮短鍛件生產周期的目的。結合我司設備特點，確定了鋁合金輪轂的鍛造工藝方案為壓扁→預鍛→終鍛，通過有限元分析軟件對各工步進行模擬分析。

表1 6082 鋁合金化學成分(%)

圖1 鋁合金輪轂鍛件圖

參數化設置

⑴定義坯料屬性。

依據工藝設計導入所需規格尺寸的坯料幾何模型，對坯料進行網格劃分、定義材料屬性、摩擦條件及熱傳導。

坯料網格劃分采用面網格+體網格，為提高模擬的準確性，對坯料幾何面網格進行細化，導入6082 鋁合金材料屬性，坯料初始溫度設置為520℃,摩擦條件為水基石墨潤滑，熱交換定義為強交換。

⑵模具初始條件設置。

成形上、下模設置為剛性模型，進行面網格劃分，定義模具初始溫度為250℃。

⑶接觸定義。

通過軟件自帶位置調整功能對模具及坯料進行位置關系定義，保持坯料位置不變，改變上、下模位置對其進行調整，通過選擇接觸信息屬性檢查模具與坯料接觸狀態，當最小值小于或等于零，通常為極小負數，表示坯料與模具表面略有接觸。

⑷運動參數設置。

模具運動參數屬性主要是選擇壓力機和確定最大壓量，選取上模作為運動單元定義壓力機基本參數，根據各工位成形設計高度設置各工位初始高度和最終高度。設置模擬計算步長及存儲模式參數后，保存數據后提交計算。三維仿真模型如圖2 所示。

模擬結果分析

圖2 三維仿真模型

圖3 為各成形工位最終成形接觸示意圖，從圖中可以看出，終鍛工位最終成形時，鍛件底部肋位置部分區域出現充不滿現象，主要原因是由于壓扁工位分料在預鍛成形時，坯料通過飛邊排出體積大，降低了終鍛工位閉合高度，充不滿未得到改善。

優化成形工藝

考慮到鋁合金材料流動特點，為得到良好的鍛件成形質量，對壓扁、預鍛工位進行優化設計解決鍛件充不滿問題，通過增加壓扁成形高度，減少預鍛工位飛邊排料體積，同時在預鍛下模增加肋結構，來改進預鍛工位分料狀態。改進結構后模擬結果如圖4 所示，通過對壓扁、預鍛工位優化，終鍛件充填狀態良好，未發現鍛件充不滿。鍛件折紋趨勢分析結果如圖5 所示，鍛件未出現折疊，說明改進后工藝參數滿足鍛件成形需求。

圖3 成形工位接觸示意圖

圖4 改進后接觸示意圖

通過對成形工位結構優化，在變形過程中，從圖6 溫度分布圖可知，鍛模首先與坯料凸臺及肋位置接觸，在鍛打成形初始階段，這部分坯料由于首先與鍛模接觸，溫度損耗較大。成形過程中，輪轂由正擠壓肋部和反擠壓輪轂內壁等方式充填模膛，坯料變形熱及與鍛模摩擦產生的熱量對溫度損耗進行了補償，因此鍛件溫度下降較少。在鍛打結束后，鍛件溫度分布較為均勻，整體溫度依然較高，能夠滿足鍛件成形及后續熱切邊對鍛件溫度的要求。

圖5 終鍛件折紋示意圖

從圖6 載荷曲線可知，載荷曲線可以分為緩慢上升和急劇上升兩個階段，成形開始階段鍛造載荷緩慢上升，該過程坯料主要以正擠壓方式成形，坯料流動較為容易，在成形后期，坯料成形方式由正擠壓轉變為反擠壓，充填輪轂內壁型腔及端面的圓角位置，加之鍛模橋部對變形金屬外流阻礙作用加強，成形載荷隨鍛模行程加大而急劇增加。

圖6 終鍛溫度及載荷曲線分布

模具結構設計

設計分體結構

輪轂鍛件為軸類回轉體鍛件，產品質量要求高。而鍛模中心的沖頭位置坯料流動較為劇烈。坯料急劇流動對模具表面沖刷嚴重，容易導致模具失效，造成鍛件形狀尺寸和表面質量不符合產品要求，失效模具整體更換導致模具成本增加。現將鍛模沖頭設計為鑲塊結構，如圖7 所示，選用合適的鍛模材料制造，我司采用H13 材料，因其具有較好的強度、紅硬性和高的耐磨性，能保證沖頭模具壽命。沖頭模具分體后加工制造方便，同時模具失效時，更換方便，提高生產效率。

平衡摩擦力

圖7 輪轂鍛模簡圖

鍛件產品肋位置的壁厚較薄，外壁為非加工面，此處出模角度為1°，在生產中會出現鍛件粘在下模，出模困難問題。考慮到設備頂出機構及輪轂鍛件為回轉體，設計頂出方式為下模中心頂桿頂出。加之鋁合金材質相對鋼材較軟，生產中可能出現頂桿頂穿連皮而鍛件粘在下模型腔的情況。因此在模具設計考慮上增加鍛件在上模型腔的摩擦力，來減小鍛件出模阻力。將下模鑲塊頂端出模角度設計為7°，上模鑲塊頂端出模角度設計為5°，上模鑲塊頂端拔模長度相對下模鑲塊增加15 ～20mm。

生產調試

根據CАE 工藝參數分析結果，完成模具制造，通過實際生產調試，調整壓扁→預鍛→終鍛各成形工位封閉高度，為保證鍛件成形過程穩定，采用鍛件凸臺結構進行定位。圖8 為輪轂鍛件實物，鍛件成形尺寸和表面質量滿足鍛件圖紙要求。

圖8 輪轂鍛件實物

結束語

在開發前期，通過對鋁合金輪轂鍛件成形的仿真分析及優化，可以有效節約產品調試周期及模具制造費用，同時需要將CАE 模擬與生產現場相結合，在模擬參數設置時考慮設備特點進行適當優化。對現場經驗積累可以提高參數優化的合理性，工藝設計及分析要符合“簡單、高效”原則。通過對CАE 仿真分析數據及現場生產經驗的不斷積累，我司對鋁合金鍛件開發經驗會越來越豐富，進一步適應市場需求。