铝合金轮毂旋压成形的有限元分析与研究

2018-05-31玄令祥

山西青年 2018年11期

玄令祥

(1.长春理工大学，吉林长春 130022；2.长春设备工艺研究所，吉林长春 130022)

为了适应汽车行业的新需求，保证旋压成形的铝合金轮毂在精度和性能上符合要求，就必须要尽可能保证所制定的旋压加工方案足够合理。但是传统的单纯依靠现场加工的方式来进行数据的收集，已经无法满足现在对于加工经济性的要求。采用ABAQUS有限元分析软件模拟7A04铝合金车轮轮毂的旋压成形过程，辅助完成对于初期制定的旋压成形工艺方案的验证。采用这样的一种方式，将能够极大的缩短发现问题，完成方案修改优化所需要耗费的时间，进而在保证旋压成形质量的同时，提高铝合金轮毂旋压成形的效率，降低生产成本。

一、旋压工艺简述

铝合金车轮轮毂旋压的大致工艺过程：在旋压的过程中，铝合金坯料的筒底部分被尾顶压紧固定在芯模上，旋压时基本上没有发生太大的变化。而铝合金坯料的其他部分，由于受到来自旋轮的旋压力作用而向着靠近芯模的方向倾倒，直到坯料最终完成贴膜。主要的表现就是坯料由最开始的平板状逐渐压倒，坯料内侧贴合在芯模上变为筒形的形状。旋轮不断将旋压力施加于铝合金坯料之上，最终得到符合图纸要求尺寸规格的旋压成形件。

在旋压材料方面选择的是7A04铝合金。7A04铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金(亦称超硬铝)，是超硬铝当中研究发展相对比较成熟，使用时间较长，应用范围比较广的一个合金，其广泛应用于飞机蒙皮，螺钉，大梁桁架、起落架等受力构件[1]。其相关参数如表1中所示。

表1 7A04铝合金主要性能参数

二、旋压成形的有限元模型建立

首先利用软件，按照工艺方案中的参数进行设置，完成铝合金车轮轮毂旋压各部分模型构建，根据旋压所用坯料的减薄率等因素的影响[2]，对坯料、芯模以及旋轮之间的相对位置进行调整，建立的车轮轮毂旋压的有限元模型如图1所示。

为了提高模拟运算的速度，设置时对模型进行一定的简化。在定义材料属性时把旋压坯料定义为弹塑性变形体[3]，采用的八节点六面体单元(C3D8R)对材料进行网格划分。理想情况下，认为芯模和旋轮在旋压过程当中是不会发生变形的，因此把芯模和旋轮定义为刚体。实际的旋压加工过程当中，坯料、芯模以及旋轮之间的相对运动是相当的复杂的。主要的运动是旋压坯料被压在芯模上，与芯模一起由主轴带动作旋转运动。旋轮则是沿着坯料的轴向进行运动，当旋轮与坯料接触以后，在摩擦力的作用下，旋轮也会产生旋转运动。为了便于模拟进行，在模拟时设置：坯料、芯模是固定不运动的，而是旋轮在作进给运动的同时也作着绕坯料表面的旋转运动。

图1 有限元模型图

三、旋压模拟仿真结果分析

在利用ABAQUS软件完成铝合金车轮轮毂的旋压成形加工过的数值模拟仿真之后，通过得到的应力应变分布图对旋压过程中的应力应变情况进行分析。

图2 坯料表面等效应力分布图

图3 坯料表面等效应变分布图

图2为旋压过程中的应力变化分布图。通过观察等效应力变化分布图，能够明显看出：铝合金坯料的底部基本没有应力变化。这是由于该部分处于芯模和尾顶的固定之下，基本上没有参与旋压变形，不存在金属的流动。而底部之外的坯料部分，在旋轮的作用下发生较大的塑性变形，应力变化比较明显。旋压过程中，等效应力的最大的区域主要集中在旋轮和旋压坯料发生接触的区域，即正在进行旋压加工成形的区域。随着旋压的进行，坯料在旋轮作用下，形状逐渐由皮板状变为圆筒形状，贴膜部分越来越大，直至完全贴膜。坯料变形量增大，等效应变也以逐渐增大的趋势进行变化。

图3旋压过程中的应变分布图。通过观察等效应变分布图，能够发现：坯料的底部由于芯模和尾顶的固定作用，在旋压过程当中没有发生变形，等效应变没有变化。而旋压过程中，坯料变形区出现了比较明显的应变变形区，而且在变形区中的应变分布较为均匀。随着旋压的不断进行，最大应变变形区随着旋轮的移动而移动，而且等效应变呈现出一个先增大后变小的一个过程。主要是有两个方面的原因，一个是因为在旋压过程中，存在一定的金属流向旋轮的前方，表现为坯料金属少量堆积，之后堆积的部分又会被旋轮压下，这就使得实际过程中的减薄率短暂增加，等效应变也就表现为增加的情况。随着旋压的继续进行，堆积的金属就会剬减少，等效应变趋于减小的一个趋势，旋压坯料的变形情况会恢复到正常，旋压得以正常进行。另一个最主要的原因是坯料在由板状到被压倒，再到完成贴膜的一个过程当中，经历的就是一个变形量先大后变小的一个过程。