H型铝合金车轮旋压过程模拟

2017-06-06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世洲燕山大学

锻造与冲压 2017年7期

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世洲·燕山大学

H型铝合金车轮旋压过程模拟

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世洲·燕山大学

针对某款H型铝合金车轮，利用有限元软件对车轮轮辋强力旋压过程进行模拟，得到了旋压过程坯料的流动充型情况，并考察了旋轮错距对旋压成形的影响，得出: H型车轮旋压过程中如果错距过大则坯料容易堆积，减小错距可以减少旋轮之间的坯料堆积，有利于坯料流动，本研究为铝合金H型车轮旋压提供了工艺参数参考。

近年来人们对车辆的节能减排越来越重视，因此重量轻的铝合金车轮逐渐替代钢车轮应用在各种车辆上，商用车车轮由于与地面接触面积大，摩擦产生大量的热，容易发生爆胎和刹车失灵等事故，铝合金的传热系数是钢的3倍，可以快速散热，而且铝合金车轮还具有良好的附着性和缓冲性能等特点，在大型车市场具有广阔的前景，吸引着越来越多的轮毂厂家投入生产和研发。

随着车轮轮辋旋压技术迅速发展，旋压技术制造的车轮以其重量轻、强度高、造型美观越来越受到各个制造厂家及车主的青睐，轮辋部位经过强力旋压后，晶粒得到细化，力学性能得到进一步提高，车辆的使用安全性能进一步得到了保障。

旋压工艺介绍

H型车轮的生产流程如图1所示，从图中可以看出6061铝合金棒料经过锻造及扩口冲孔工序后即可进入旋压，旋压采用热旋压，旋压后的毛坯再经过热处理、机加工等工序完成整个生产过程。

图1 铝合金H型车轮成形工艺路线

旋压过程有限元模拟

以一款20寸的H型车轮为例对其强力旋压成形过程进行有限元模拟，考察坯料在旋压过程中的流动填充情况，以及旋压错距对轮辋部位坯料流动的影响，为H型车轮强力旋压工艺的制定提供可靠依据。

旋压模型建立

该款H型铝合金车轮尺寸为20英寸，轮宽为14英寸，材料为6061铝合金，模拟过程中采用双旋轮对坯料进行旋压，在旋压过程中上模及下模是将轮辐部位紧紧压住的，只有轮辋部分参与旋压变形，为了提高计算效率，将旋压模型进行必要简化，进而提高计算分析效率，简化后的模型如图2所示。

旋压模拟参数

旋压模型如图3所示，模拟分析过程中将上模、下模和定位块设置为主动，坯料和旋轮设置为从动，主轴转速300r/min，摩擦系数0.1。旋轮及模具温度设置为250℃，坯料温度为350℃，坯料网格数量划分为18000个。

旋压过程中旋轮运动为轴向和径向的复合运动，运动轨迹为一条曲线。以成品轮的轮辋外侧型线为基础，分别绘制旋轮1和旋轮2的轨迹，将轨迹的坐标点输入软件的运动控制中，以此得到分析过程中旋轮的运动轨迹。

图2 简化后的H型车轮旋压模具1-旋轮2 2-上模 3-旋轮1 4-下模 5坯料

图3 旋压简化模型

图4 旋压成形过程

旋压模拟结果

计算得到的H型车轮旋压过程如图4所示。

图4a为上侧始旋阶段，旋轮沿Z向及X向进给，旋轮1与坯料的接触面积不断变大，旋轮2也开始对轮坯进行旋压；图4b为稳旋阶段，成形轮辋直筒部位，此阶段坯料变形量较为均匀，在旋轮的作用下坯料逐渐贴靠上模；图4c为终旋阶段，轮辋上侧及内轮缘部位旋压完毕，整个轮辋上部分旋压结束；图4d为下侧始旋阶段，随着旋轮沿Z向及X向的进给，旋轮1与坯料接触面积不断变大，旋轮2也开始对轮坯进行旋压；图4e为稳旋阶段，主要成形轮辋直筒部位，此阶段坯料变形较为均匀，在旋轮压力下坯料逐渐贴靠下模；图4f为终旋阶段，轮辋下侧及内轮缘部位旋压完毕，整个车轮下侧旋压过程结束，从模拟中可以看出整个旋压过程坯料成形较为平稳，未出现折叠缺陷。

旋轮形状及旋轮错距对轮辋成形的影响分析

错距旋压是将多个旋轮在轴向互相错开，而在径向又依次使毛坯减薄的一种旋压方式。从而增加了对变形区的约束，使工件的直径精度也得到了改善。由于上侧的旋轮轨迹长度较长，且直线部分较多、斜度较小如图5所示，因此在轮辋旋压过程中容易产生坯料的堆积和翻料。所以旋轮错距的选择对上侧的轮辋成形有非常重要的影响。

图5 旋轮2上侧轨迹

模拟中上侧始旋阶段坯料刚开始沿Z轴向上运动，坯料堆积较少，在上侧稳旋阶段由于轨迹长且斜度较小容易堆积坯料。分别对旋轮错距为30mm和50mm两种情况进行模拟，考察错距大小对坯料成形的影响。

从图6中可以得出，H型轮辋长度较长且斜度较小，旋压过程中，当旋轮错距为50mm时，旋轮1和旋轮2的距离较大，旋轮旋压时在直线阶段容易造成坯料的堆积和翻料。当旋轮错距为30mm时，旋轮1和旋轮2的距离较小，因此旋轮1旋压时能压住旋轮2旋压后的坯料，使坯料往旋轮1上侧的方向堆积，旋轮2上侧没有坯料堆积，成形良好。