镁合金车轮锻造成形影响因素研究

2016-06-23李建孙惠学秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司

锻造与冲压 2016年9期

关键词：坯料镁合金摩擦系数

文/李建，孙惠学·秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司

王利梅·秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司

镁合金车轮锻造成形影响因素研究

文/李建，孙惠学·秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司

王利梅·秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司

针对一款16英寸镁合金车轮的锻造成形过程，利用有限元软件对车轮锻造过程进行模拟，考察了坯料尺寸、坯料及模具初始温度、摩擦条件等因素对成形过程的影响，研究结果表明：坯料尺寸的改变只影响前期轮辐的成形，对终成形力影响不大，坯料的直径过小时在锻造前期易发生折叠缺陷，模具初始温度从450℃降低至300℃，终成形阶段所需成形力提高约1500t，摩擦系数每增加0.1，锻造终成形力约增加5%。

镁合金具有密度低、比强度、比刚度高、优越的阻尼性能和吸振性能等优点，已经广泛地应用于航空、航天、汽车、电子等领域，镁合金车轮重量轻节能效果显著，符合目前全球节能、减排、资源再生利用与清洁生产等环保的要求，因此研发及使用镁合金车轮将成为未来车轮的发展方向。

国内采用塑性方法成形车轮的研究相对较少。铸造镁合金车轮虽然具有材料利用率高、生产成本低等优点，但铸造工艺可能产生缩孔、疏松等缺陷，而且力学性能低于锻造镁合金车轮，难以满足乘用车的使用要求，因此需要开发镁合金车轮的锻造工艺。

锻造模拟

以一款16英寸镁合金车轮为例，材料为AZ80镁合金，采用三维建模软件对镁合金车轮锻造模具进行建模，三维模型如图1所示。

图1 镁合金车轮锻造模具模型

坯料尺寸对成形的影响

初始坯料的尺寸对锻造过程有较大影响，可能导致坯料在充型过程中产生折叠、穿流等缺陷，根据等体积原则，分别取三组不同尺寸毛坯，尺寸分别为：φ220mm×215mm、φ260mm×155mm、φ300mm×115mm。从图2可以看到坯料直径较小时，坯料与上模芯接触位置容易出现折叠缺陷，图2a中所示的区域1，随着成形过程的进行，折叠可能会卷入锻件内部，对锻件质量造成较大影响，而随着坯料尺寸的增大，出现这种折叠的趋势逐渐降低。

图2 三种尺寸坯料锻造前期充型过程

图3为三种尺寸坯料对成形力的影响，从图3中可以看出，坯料尺寸的改变只影响前期镦粗阶段的锻造成形力，而对终成形力影响不大，综合考虑锻造缺陷及镦粗程度等因素，本款车轮的坯料直径尺寸选择为φ240～260mm。

图3 三种尺寸坯料对成形力的影响

温度因素对成形的影响

变形温度是影响镁合金塑性加工性能的关键因素，镁合金具有密排六方晶格结构，其冷态下塑性加工性能较差，当温度升高到498K以上时，由于原子活动能力增强，合金的塑性变形能力大幅提高，镁合金的塑性对变形温度十分敏感，其锻造温度范围比铝合金的窄，锻造温度范围一般在70～105K之间，将模具温度设置为380℃保持不变，分别模拟坯料温度为300℃、350℃、385℃及410℃四种情况下的锻造成形过程，分析得到的坯料温度与成形力的关系曲线如图4所示。

图4 坯料温度对成形力的影响

模具温度分别设置为300℃、350℃、400℃及450℃，坯料温度设置为385℃保持不变，分析得到的模具温度与成形力的关系曲线如图5所示。

图5 模具温度对成形力的影响

从图4、图5可以看出，锻造的初始阶段坯料温差较大，坯料温度只影响锻造前期的成形力，随着锻造的进行，坯料温度逐渐传递至模具，因此终成形力基本相同。模具温度因素对锻造成形力影响较大，成形力随着模具温度的降低而升高，由于模具体积较大，随着锻造的进行，模具将大量吸收坯料的热量，以至于到成形后期（即轮辋部位成形阶段），所需成形力剧增，模具初始温度为300℃和450℃两种情况相比，终成形阶段所需成形力相差约1500t，由于成形力过大对毛坯充型以及模具寿命都会有影响，因此应该严格控制模具温度，生产时需要考虑增设模具保温及补温装置。

摩擦条件对成形的影响

镁合金由于黏性较大，锻造前模具的润滑情况将对坯料流动产生较大影响，因此需要考察摩擦条件对锻造成形的影响。将模具温度设置为400℃，坯料温度为385℃，压力机下压速度保持不变，分别考察摩擦系数为0.1、0.3及0.6三种情况对成形力的影响，摩擦条件对锻造成形力的影响曲线如图6所示。

图6 摩擦条件对成形力的影响

从图6可以看出，成形过程的前期（即轮辐成形阶段）摩擦情况对成形力的影响较小，而到了后半阶段（即轮辋成形阶段）成形力随摩擦系数的增大剧增，因此摩擦条件对锻造成形力影响较大，即摩擦系数每增加0.1，锻造终成形力约增加5%，实际生产时应在模具型腔内部均匀喷洒润滑剂，并尽量提高模具型腔的表面粗糙度，模具各型面需要抛光处理，从而降低坯料锻造成形力，提高模具的使用寿命。