铝合金轮毂模锻成形数值模拟优化分析

文/王东亚，侯旭，马臣，陈登鹤·一汽锻造（吉林）有限公司

6082 铝合金属于Аl-Si-Mg-Mn 系耐热锻铝，具有良好的可成形性、可加工性和热处理后(T6状态)具有较高的机械性能，化学成分见表1，广泛应用于航空固定装置及卡车、船舶类的零部件。本文以6082 铝合金后轮轮毂为研究对象，针对锻造轮毂成形质量，利用有限元数值模拟软件对主要成形工步进行模拟计算，分析成形过程金属流动特点及缺陷产生条件，从而优化铝合金轮毂成形过程。

图1 为铝合金轮毂锻件图。该铝合金锻件带有高度88mm、宽度50mm 的凸台；头部存在凹槽和凸台，圆周方向肋薄而长，需要的材料少，材料流动距离远；终锻拔模和充填较难，在锻造成形过程中，由于冷却快导致材料流动性差，易出现折叠、充不满等缺陷；锻件截面在高度方向上变化较大，复杂等级为S3 级，10 个加强肋成形难度较大。

有限元模拟分析

为解决锻件成形难点、缩短工艺调试周期，对铝合金轮毂锻件的锻造成形过程进行有限元模拟分析，通过优化工艺参数，来获得各工步合理的锻造成形结构，从而指导实际生产，以达到缩短锻件生产周期的目的。结合我司设备特点，确定了铝合金轮毂的锻造工艺方案为压扁→预锻→终锻，通过有限元分析软件对各工步进行模拟分析。

表1 6082 铝合金化学成分(%)

图1 铝合金轮毂锻件图

参数化设置

⑴定义坯料属性。

依据工艺设计导入所需规格尺寸的坯料几何模型，对坯料进行网格划分、定义材料属性、摩擦条件及热传导。

坯料网格划分采用面网格+体网格，为提高模拟的准确性，对坯料几何面网格进行细化，导入6082 铝合金材料属性，坯料初始温度设置为520℃,摩擦条件为水基石墨润滑，热交换定义为强交换。

⑵模具初始条件设置。

成形上、下模设置为刚性模型，进行面网格划分，定义模具初始温度为250℃。

⑶接触定义。

通过软件自带位置调整功能对模具及坯料进行位置关系定义，保持坯料位置不变，改变上、下模位置对其进行调整，通过选择接触信息属性检查模具与坯料接触状态，当最小值小于或等于零，通常为极小负数，表示坯料与模具表面略有接触。

⑷运动参数设置。

模具运动参数属性主要是选择压力机和确定最大压量，选取上模作为运动单元定义压力机基本参数，根据各工位成形设计高度设置各工位初始高度和最终高度。设置模拟计算步长及存储模式参数后，保存数据后提交计算。三维仿真模型如图2 所示。

模拟结果分析

图2 三维仿真模型

图3 为各成形工位最终成形接触示意图，从图中可以看出，终锻工位最终成形时，锻件底部肋位置部分区域出现充不满现象，主要原因是由于压扁工位分料在预锻成形时，坯料通过飞边排出体积大，降低了终锻工位闭合高度，充不满未得到改善。

优化成形工艺

考虑到铝合金材料流动特点，为得到良好的锻件成形质量，对压扁、预锻工位进行优化设计解决锻件充不满问题，通过增加压扁成形高度，减少预锻工位飞边排料体积，同时在预锻下模增加肋结构，来改进预锻工位分料状态。改进结构后模拟结果如图4 所示，通过对压扁、预锻工位优化，终锻件充填状态良好，未发现锻件充不满。锻件折纹趋势分析结果如图5 所示，锻件未出现折叠，说明改进后工艺参数满足锻件成形需求。

图3 成形工位接触示意图

图4 改进后接触示意图

通过对成形工位结构优化，在变形过程中，从图6 温度分布图可知，锻模首先与坯料凸台及肋位置接触，在锻打成形初始阶段，这部分坯料由于首先与锻模接触，温度损耗较大。成形过程中，轮毂由正挤压肋部和反挤压轮毂内壁等方式充填模膛，坯料变形热及与锻模摩擦产生的热量对温度损耗进行了补偿，因此锻件温度下降较少。在锻打结束后，锻件温度分布较为均匀，整体温度依然较高，能够满足锻件成形及后续热切边对锻件温度的要求。

图5 终锻件折纹示意图

从图6 载荷曲线可知，载荷曲线可以分为缓慢上升和急剧上升两个阶段，成形开始阶段锻造载荷缓慢上升，该过程坯料主要以正挤压方式成形，坯料流动较为容易，在成形后期，坯料成形方式由正挤压转变为反挤压，充填轮毂内壁型腔及端面的圆角位置，加之锻模桥部对变形金属外流阻碍作用加强，成形载荷随锻模行程加大而急剧增加。

图6 终锻温度及载荷曲线分布

模具结构设计

设计分体结构

轮毂锻件为轴类回转体锻件，产品质量要求高。而锻模中心的冲头位置坯料流动较为剧烈。坯料急剧流动对模具表面冲刷严重，容易导致模具失效，造成锻件形状尺寸和表面质量不符合产品要求，失效模具整体更换导致模具成本增加。现将锻模冲头设计为镶块结构，如图7 所示，选用合适的锻模材料制造，我司采用H13 材料，因其具有较好的强度、红硬性和高的耐磨性，能保证冲头模具寿命。冲头模具分体后加工制造方便，同时模具失效时，更换方便，提高生产效率。

平衡摩擦力

图7 轮毂锻模简图

锻件产品肋位置的壁厚较薄，外壁为非加工面，此处出模角度为1°，在生产中会出现锻件粘在下模，出模困难问题。考虑到设备顶出机构及轮毂锻件为回转体，设计顶出方式为下模中心顶杆顶出。加之铝合金材质相对钢材较软，生产中可能出现顶杆顶穿连皮而锻件粘在下模型腔的情况。因此在模具设计考虑上增加锻件在上模型腔的摩擦力，来减小锻件出模阻力。将下模镶块顶端出模角度设计为7°，上模镶块顶端出模角度设计为5°，上模镶块顶端拔模长度相对下模镶块增加15 ～20mm。

生产调试

根据CАE 工艺参数分析结果，完成模具制造，通过实际生产调试，调整压扁→预锻→终锻各成形工位封闭高度，为保证锻件成形过程稳定，采用锻件凸台结构进行定位。图8 为轮毂锻件实物，锻件成形尺寸和表面质量满足锻件图纸要求。

图8 轮毂锻件实物

结束语

在开发前期，通过对铝合金轮毂锻件成形的仿真分析及优化，可以有效节约产品调试周期及模具制造费用，同时需要将CАE 模拟与生产现场相结合，在模拟参数设置时考虑设备特点进行适当优化。对现场经验积累可以提高参数优化的合理性，工艺设计及分析要符合“简单、高效”原则。通过对CАE 仿真分析数据及现场生产经验的不断积累，我司对铝合金锻件开发经验会越来越丰富，进一步适应市场需求。