文/劉鑫鑫，孫惠學(xué)·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司李建·燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

半固態(tài)鋁合金車輪成形分模模具

文/劉鑫鑫，孫惠學(xué)·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司李建·燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

車輪作為汽車的重要安全部件，對其多種性能有影響，特別是對其安全性和可靠性有重要影響。目前，鋁合金逐漸成為車輪的首選，采用半固態(tài)成形工藝可解決低壓鑄造成形工藝存在廢品率高、生產(chǎn)率低等問題，而且國外一些汽車制造廠家對車輪強度的要求也在逐漸提高，半固態(tài)成形車輪相比于鑄造車輪的力學(xué)性能有很大提高，解決了鋁合金鑄造車輪在某些力學(xué)性能方面無法滿足要求的問題。

半固態(tài)成形作為一種加工材料的新技術(shù)，以其產(chǎn)品組織致密、性能好、成形容易等一系列優(yōu)點，受到材料成形界的普遍重視。近年來半固態(tài)成形技術(shù)得到了迅速發(fā)展，被譽為21世紀(jì)前沿性金屬加工技術(shù)，成為極具應(yīng)用潛力的材料成形新技術(shù)，半固態(tài)成形與鍛造相比，金屬變形抗力小，具有加工復(fù)雜和近凈成形零件鍛造負(fù)載低，機(jī)加工余量小等優(yōu)點；與鑄造成形相比，零件機(jī)械性能好，產(chǎn)品顯微組織細(xì)化缺陷和偏析減少等優(yōu)點。

20世紀(jì)90年代歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家采用半固態(tài)成形工藝生產(chǎn)的汽車零件已進(jìn)入市場，目前美國的半固態(tài)成形技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位。目前，秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司采用半固態(tài)鋁合金車輪閉式模鍛成形技術(shù)，與傳統(tǒng)的閉式模鍛相比，使原本需要兩步以上才能成形的車輪一次就可成形，從而降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

我們針對半固態(tài)鋁合金車輪成形模具進(jìn)行研究，建立了車輪模具模型，對車輪鍛造成形過程進(jìn)行了有限元模擬，并考察了鍛造模具分模角度及分模數(shù)量兩個因素對模具外環(huán)最薄表面的影響，為半固態(tài)鋁合金車輪模具的設(shè)計提供了理論參考依據(jù)。

有限元模型的建立

本文采用UG軟件完成二分模具及四分模具實體模型的建立，模具針對56.67cm（17寸）車輪設(shè)計，外環(huán)尺寸為φ1100mm×350mm，半固態(tài)鋁合金車輪成形模具模型如圖1所示。

圖1 半固態(tài)車輪成形分模模具模型

材料屬性及網(wǎng)格單元劃分

選用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，模具材料為鋼，密度設(shè)置為7.8×10-9t/mm3，彈性模量為2.1×104MPa，泊松比取值為0.3，外環(huán)采用六面體C3D8R單元劃分，由于模具下模內(nèi)表面為車輪型面，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以采用四面體C3D4單元劃分。

載荷施加以及邊界條件

首先在模具內(nèi)環(huán)內(nèi)表面均勻施加面載荷，然后將模具外環(huán)底圈施加法向位移約束，允許模具在切線方向自由運動，模具內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1，試驗采用靜態(tài)隱式算法分析，模具載荷加載如圖2所示。

圖2 模具載荷加載

分模角θ與外環(huán)分模力

模具外環(huán)及下模受力分析

半固態(tài)車輪成形分模模具的分模角θ是指模具外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間配合平面與數(shù)值平面所形成的角度，如圖3所示。

圖3 半固態(tài)車輪成形模具結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)f為外環(huán)與下模之間的摩擦系數(shù)，P為脹模力，N2為鎖模力，θ為分模角度，模具外環(huán)及下模受力如圖4所示。

圖4 模具外環(huán)及下模受力分析

當(dāng)θ角的正切值剛好等于摩擦系數(shù)時，模具處于臨界自鎖狀態(tài)。當(dāng)θ角正切值小于摩擦系數(shù)時，模具處于自鎖狀態(tài)，當(dāng)θ角的正切值大于摩擦系數(shù)時，模具需施加鎖模力。即模具鎖模力隨分模角θ的增大而增大，當(dāng)f=0.1、θ的值在7°～20°之間變化時，鎖模力在（2%～25%）P之間變化。

θ對節(jié)點切向拉應(yīng)力的影響

以二分模具為例，分別建立分模角θ為7°、10°、13°、15°、18°、20°五個模具模型，如圖5所示，依次取模具外環(huán)最薄表面沿分模面的8個節(jié)點，考察不同分模角對外環(huán)最薄表面這些節(jié)點所受拉應(yīng)力的影響，有限元分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 模具外環(huán)薄弱表面考察節(jié)點

圖6 二分模具外環(huán)最薄表面節(jié)點切向拉應(yīng)力

圖7 半固態(tài)車輪成形四分模具模型

圖8 四分模具外環(huán)最薄表面節(jié)點切向拉應(yīng)力

分模角θ對節(jié)點拉應(yīng)力產(chǎn)生很大的影響，模具外環(huán)隨著模具分模角θ的增加，最薄表面節(jié)點切向拉應(yīng)力均逐漸減小,各節(jié)點切向拉應(yīng)力大小由1到8依次減小，當(dāng)模具分模角度過大時，模具所需的鎖模力很大，而且模具外環(huán)整體尺寸也會隨之增大，加大了制造成本；當(dāng)模具分模角度過小時，有可能發(fā)生自鎖導(dǎo)致成形完畢后工件不容易退模，所以半固態(tài)車輪成形模具分模角度推薦取值在10°～13°之間。

分模數(shù)對外環(huán)分模力的影響

半固態(tài)鋁合金車輪成形過程中，可采用如圖7所示的四分模具，現(xiàn)考察四分模具與二分模具對模具外環(huán)最薄表面產(chǎn)生拉應(yīng)力的影響，邊界條件與二分模具相同，有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)如圖8所示。

表1為不同角度二分模具以及四分模具最薄表面節(jié)點拉應(yīng)力，從表中數(shù)據(jù)可知，模具分模角θ在7°～18°之間的四分模具最薄表面節(jié)點平均拉應(yīng)力均小于二分模具，而且相比二分模具四分模具具有工件容易退模等優(yōu)點，所以車輪半固態(tài)成形選擇四分模具更為合適。

結(jié)束語

為了研究半固態(tài)鋁合金車輪成形過程，建立了二分模具和四分模具模型，利用有限元軟件模擬車輪鍛造成形過程，考察了模具分模角度及不同分模數(shù)對外環(huán)最薄表面節(jié)點的影響。通過研究得出以下兩點結(jié)論：

⑴模具外環(huán)表面最薄表面節(jié)點切向拉應(yīng)力隨著模具分模角度θ的增加而逐漸減小，模具分模角度過大，模具所需鎖模力大而且模具外環(huán)整體尺寸增大，增加了制造成本；分模角度過小，可能發(fā)生自鎖導(dǎo)致工件不容易退模，所以半固態(tài)車輪成形模具分模角度推薦取值在10°～13°之間。

⑵四分模具最薄表面節(jié)點的平均拉應(yīng)力均小于二分模具，而且相比二分模具，四分模具具有工件容易退模等優(yōu)點，所以車輪半固態(tài)成形選擇四分模具更為合適。

劉鑫鑫，助理工程師，主要研究方向為車輪裝備制造，獲得2009年度河北省科技進(jìn)步二等獎。