铝合金轮毂连铸连锻成形及有限元模拟

文/张琦，张帅，曹苗，赵升吨·西安交通大学机械工程学院

孙珏·苏州三基铸造装备股份有限公司

铝合金轮毂连铸连锻成形及有限元模拟

文/张琦，张帅，曹苗，赵升吨·西安交通大学机械工程学院

孙珏·苏州三基铸造装备股份有限公司

随着汽车工业的发展，高性能铝合金轮毂的需求量逐渐增加，虽然传统的轮毂铸造工艺有所改善，但是对于轮毂铸件内部组织及材料力学性能的提高并不明显。经锻造成形出的铝合金轮毂性能好、质量高且重量轻，但锻造工艺复杂，投资大，制造成本高，并未推广应用。而基于液态模锻技术和连铸连轧技术的连铸连锻技术可以在低投入、较简单的工艺条件下成形出性能接近锻件的铝合金轮毂。

连铸连锻技术及轮毂成形工艺简介

连铸连锻技术是指在同一套模具内，先进行铸造，然后立即进行锻造的铸—锻联合成形工艺，此工艺在日本和美国已经得到应用并且取得较好的成效，如日本宇部公司和美国SPX公司。国内齐丕骧、陈炳光等对铝合金轮毂的连铸连锻进行了探讨；蒋凯雁对连铸连锻技术的缺陷提出了防范方法。连铸连锻工艺的核心在于锻造，第一步的铸造只需保证顺利充满型腔即可，后续的锻造将对工件性能进行改善，合理的工艺参数可以将工件铸造的力学性能转换成锻造的力学性能。实际生产中所采用的连铸连锻的工作过程如图1所示，主要分合模、浇注，充型、凝固，锻造，开模、取件4个主要步骤，锻造时多余的料可以从冒口处挤出。

从图1可知，连铸连锻过程较简单，在工件充型、凝固后，立即进行锻造，由于在封闭模内锻造，零件性能好、精度高，该工艺适合成形形状复杂且力学性能要求高的零件。金属在封闭模内先铸造后锻造，始锻温度很高，所需锻造力比一般锻造时要小；锻造时工件在封闭模内处于三向压应力状态，不易产生裂纹；在锻造力作用下工件表面与模壁紧密相贴，表面质量较高，尺寸精确。

汽车铝合金轮毂常用的成形工艺有重力铸造、低压铸造、压力铸造、液态模锻和锻造等方法，上述工艺的优缺点如下。

⑴重力铸造：历史悠久、工艺简单、成本最低；缺点是金属晶粒较大、强度较低、重量较大、表面处理工作量大、材料利用率低。

⑵低压铸造：广泛使用的工艺，适合大批量生产，生产效率高、合格率高、材料利用率较高；缺点是铸造时间长，表面质量欠佳，成本较重力铸造高。

⑶压力铸造：铸件组织致密，机械性能好，强度和表面硬度较高，铸件的尺寸精确、表面光洁；缺点是充型速度过快，铸件容易产生卷气、鼓包等现象，且不能通过热处理来进一步提高性能。

⑷液态模锻：铸件表面光洁度、金相组织、力学性能接近锻件；缺点是传统的液态模锻技术铸件只在压力下结晶，锻造效果不明显，工件组织仍是铸态组织。

图1 连铸连锻工艺过程图

⑸锻造：有致密的金相组织和良好的力学性能，重量最轻、尺寸精确、加工量少、抗腐蚀性好且表面最光洁；缺点是生产工序多而复杂，成本高，生产效率低，现阶段技术不是很成熟，成品率低。

由以上分析可知，基于液态模锻和连铸连轧技术的连铸连锻技术是可以在较低的成本、较简单的工序下使产品性能高于铸造产品而接近锻造产品的铝合金轮毂成形新工艺。

铝合金轮毂连铸连锻试验研究

模具设计

铝合金轮毂连铸连锻模具结构如图2所示，在装配后的模具内实现轮毂先铸造、后锻造的成形工艺，充型时由进出料口10进料，工件凝固后，动模8下移锻造，从而使轮毂预留螺栓孔处的凸台部位得到锻造，工件凝固后锻造过程产生的余料在进出料口10处推动压射活塞11向下移动，从而被挤出模具。

图2 铝合金轮毂连铸连锻模具结构图

成形试验

连铸连锻成形中锻造工艺的参数主要有锻造力、锻造时间、待锻时间、锻造量和模具温度。试验所用材料为铝合金A356，在铸造充型、凝固后，根据铝合金锻造工艺要求来制定锻造参数。如图3所示是连铸连锻成形加工出的铝合金轮毂，如图4所示是铝合金轮毂连铸连锻成形用挤压铸造设备（挤压铸造机改造后可用来进行连铸连锻加工）。

图3 成形出的铝合金轮毂

图4 试验用挤压铸造机

组织分析

对成形出的零件进行金相组织分析，如图5所示，轮辐和轮辋交界部位（图5a）、壁厚较厚的轮毂中心（图5b）、轮辐（图5c、d）晶粒较粗大，但是轮毂中心的凸台部位（图5b）晶粒较均匀，局部比较致密且无明显树状晶，具有锻造效果。壁厚较薄的轮辋处（图5e～h）晶粒较细，但是不均匀，锻造效果不明显。

图5 轮毂各部位的金相组织

图6 凝固时轮毂的温度场分布

图7 锻造后轮毂的应力云图

图8 锻造后轮毂的应变云图

铝合金轮毂连铸连锻有限元模拟

在模具和工件三维造型的基础上，建立了连铸连锻成形有限元模型，重点分析工件凝固过程的温度场变化（图6）和锻造后轮毂的应力（图7）及应变（图8）。

由图6可知，凝固时工件的厚壁部位温度较高、冷却慢、后凝固，薄壁的轮辋部位温度低、冷却快、先凝固，故温度高的区域晶粒较粗大，温度低的区域晶粒较细。从图7中可以看出，轮毂中心部位应力较大，而其余部位很低；由图8可知，轮毂中心凸台部位应变较大。这是由于连铸连锻成形只是对轮毂中心局部实施了锻造，其他部位未实施锻造，模拟分析和金相组织试验都表明，在轮毂的中心区域有锻造效果，其他部位锻造不明显。由于该连铸连锻模具的锻造区域较小，对轮毂的整体性能提高有限，因此，需要对其成形模具和工艺进行优化。

轮毂结构优化及新模具的设计

运用拓扑优化技术和有限元仿真相结合的思想对轮毂结构进行了拓扑优化设计，优化后的轮毂如图9所示，它在轮辐上开了槽，在保证轮毂刚度和强度的条件下，降低了轮毂的重量。为了扩大锻造区域，设计出了可实现除轮辋部位的整体轮毂锻造模具，如图10所示，浮动模4的增加使得轮辐部位的整体锻造得以实现。当动模3（图11）开始下移锻造时，锻造力超过浮动模4的阻力后，浮动模4将和动模3一起下移，轮辐部位得到锻造，多余的料将从底部的进出料口处挤出。

图9 优化后的轮毂模型

图10 新连铸连锻模具

图11 新模具的动模

优化后轮毂的连铸连锻有限元模拟

对优化后的轮毂模型和连铸连锻模具处理后建立新的有限元模型，并对连铸连锻工艺的锻造过程进行了有限元模拟，分析了模具温度和压射活塞压力对锻造工艺的影响。

模具温度的影响

压铸充型方式的连锻模具温度范围一般在150～300℃，为了研究模具温度对锻造力的影响，在相同的锻造参数下，模具温度分别取150℃、200℃、250℃、300℃。模拟所得的锻造力表明，动模的锻造力随模具温度的升高而降低，在适当的温度范围内取较高的温度可降低锻造力。

压射活塞压力的影响

连铸连锻工艺在铸造充型后，其压射活塞还将继续为金属施加一定的预压力，用来获得致密度高的轮毂件。工件凝固后锻造过程产生的余料在进出料口处推动压射活塞向下移动，从而被挤出模具。压射活塞预压力的大小对工件的力学性能有较大的影响，研究不同的预压力对锻件力学性能的影响有较大意义。在相同的锻造参数下，活塞底部的压强分别取50MPa、100MPa、150MPa、200MPa时，模拟获得的工件压强分布如图12～15所示。

由图12～15可知，压射活塞压力较小时，工件所受压力较小，轮辋局部压力小，锻造效果不明显，锻造过程中多余的料很容易从进出料口处被挤出。活塞压力增大，锻造力增大，工件受到的压力显著增大，工件的性能得到提高。但压射活塞预压力超过150MPa后，工件内部压强增加的幅度较低，而且在模具接触及动模和上模的交界处，容易产生飞边现象。故活塞压力取值不宜过大，在150MPa左右较好。

图12 50MPa时锻件的压强分布云图

图13 100MPa时锻件的压强分布云图

图14 150MPa时锻件的压强分布云图

图15 200MPa时锻件的压强分布云图

结束语

运用连铸连锻工艺对铝合金A356轮毂进行了成形试验及有限元模拟研究，结果表明，连铸连锻成形的轮毂的中心凸台处有明显的锻造效果，此处的组织状态也较好。为了改进轮毂的性能，对连铸连锻模具结构进行了优化设计，新模具能实现轮毂除轮辋部位的整体锻造，通过有限元模拟获得了模具温度和压射活塞压力对锻造工艺的影响规律，为后期铝合金轮毂的结构优化、模具设计和工艺改进奠定了基础。

张琦，车辆工程系主任，副教授，主要从事先进成形技术及其装备的研究，承担或参加国家及省部级项目6项，发表学术论文30余篇，已获发明专利2项。