鋁合金輪轂?zāi)ｅ懗尚喂に?/h1>
2014-10-10 08:20:05霍威韓海河車奇楠王志國宮顯宇內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限公司
鍛造與沖壓 2014年3期
文/霍威，韓海河，車奇楠，王志國，宮顯宇·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限公司
鋁合金輪轂?zāi)ｅ懗尚喂に?/p>
文/霍威，韓海河，車奇楠，王志國，宮顯宇·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限公司
輪轂是車輛行動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件之一，零件圖如圖1所示，其壽命、可靠性和質(zhì)量對車輛性能的影響很大。因其有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的特點(diǎn)，傳統(tǒng)工藝采用鑄造成形。鑄造成形的輪轂存在組織晶粒粗大、力學(xué)性能差、使用壽命短等缺陷。內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限公司（以下簡稱富成鍛造）針對鑄件存在的缺陷，利用現(xiàn)有生產(chǎn)線，采用模鍛工藝生產(chǎn)2A50鋁合金輪轂鍛件，細(xì)化了組織晶粒度，提高了輪轂力學(xué)性能和使用壽命。
模鍛成形難點(diǎn)分析
⑴鋁合金成形性抗力大。
鋁合金鍛造溫度區(qū)間較窄，理論可鍛溫度范圍在260～480℃之間，實(shí)際可鍛溫度范圍在300～550℃之間。圖2、圖3、圖4為三個溫度下2A50材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，圖5為42CrMo材料在1200℃下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其中應(yīng)變率為1.6、8、40。由圖對比可知，2A50材料在可鍛溫度范圍內(nèi)，變形抗力較大，與42CrMo高溫條件下的變形抗力基本相當(dāng)。
考慮到鋁合金變形抗力的特點(diǎn)，要求鋁合金的加熱溫度較高，但不能超過500℃，防止因變形導(dǎo)致的溫升過高超過材料承受的極限。
⑵潤滑難度較大。
圖1 輪轂零件圖
圖2 260℃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線
圖3 371℃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線
圖4 480℃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線
圖5 42CrMo在1200℃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線
與傳統(tǒng)合金鋼鍛造的潤滑相比，鋁合金鍛造的潤滑特性差異較大，鋁合金粘附力大，流動性差，鍛造過程中成形困難，模具必須經(jīng)過充分潤滑，以改善模具表面狀態(tài)來降低摩擦阻力，保證鍛件表面質(zhì)量和幾何尺寸，選用合適的潤滑劑，不但可以改善金屬流動，避免粘模，減少鍛件表面缺陷，而且可使模鍛時(shí)的壓力降低9%～15%。同時(shí)，潤滑劑還可以冷卻模具，防止模具溫度過高。
⑶模具加工要求高。
借鑒公司以往生產(chǎn)鋁合金鍛件的經(jīng)驗(yàn)，鍛造鋁合金材料所用模具表面粗糙度較鍛鋼用模具的要求更高，型腔需經(jīng)過精拋光或表面處理（氮化），以提高模具表面質(zhì)量，減小鋁合金鍛造過程中表面摩擦力，改善充型效果。
⑷鍛造工藝設(shè)計(jì)難度大。
按照傳統(tǒng)2A50鋁合金的鍛造工藝設(shè)計(jì)要求，此類零件需要6300t以上壓力機(jī)才能滿足生產(chǎn)要求?？紤]到現(xiàn)有壓力機(jī)生產(chǎn)線可用的僅為雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線，最大打擊力為4500t左右且設(shè)備高載荷條件下穩(wěn)定性較差，需要盡量降低成形載荷，將成形載荷控制在4500t左右。
⑸材料性能要求高。
對比2A50鋁合金鑄造材料性能，鍛造材料性能更高，需要嚴(yán)格的熱處理工藝保證。考慮到公司2A50鋁合金熱處理工藝經(jīng)驗(yàn)很少，項(xiàng)目組需要根據(jù)輪轂使用工況設(shè)計(jì)合理的熱處理工藝，以充分發(fā)揮鍛造工藝優(yōu)勢，為進(jìn)一步減重奠定基礎(chǔ)。
工藝設(shè)計(jì)
根據(jù)2A50鋁合金材料的特性，開發(fā)輪轂在雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線的鍛造工藝，生產(chǎn)設(shè)備如圖6所示。經(jīng)過多次仿真分析與工藝優(yōu)化，確定鍛造工藝分為鐓粗制坯→預(yù)鍛→終鍛三部分。
考慮輪轂的對稱性，選1/8比例分析輪轂鍛造工藝過程。借鑒戴卡輪轂公司、FUCHS公司提供的參數(shù)，模具經(jīng)過表面精加工及氮化處理，鍛造過程中使用FUCHS公司高性能水基石墨潤滑劑，模具經(jīng)過有效潤滑，仿真分析參數(shù)見表1。
圖6 生產(chǎn)設(shè)備
■ 表1 輪轂鍛造工藝仿真參數(shù)
鐓粗制坯
鐓粗制坯在80kJ電液錘生產(chǎn)線上進(jìn)行?？紤]到計(jì)算效率，不詳細(xì)設(shè)定80kJ電液錘打擊參數(shù)，按照等速模型計(jì)算，下壓速度為500mm/s。鋁合金采用φ300mm×（225±1）mm規(guī)格的毛坯，始鍛溫度設(shè)定為480℃，模擬結(jié)果如圖7、8所示。
圖7 鐓粗成形毛坯
圖8 鐓粗后毛坯溫度分布
圖9 鐓粗成形的載荷—位移曲線
圖10 鐓粗成形能量—位移曲線
由圖9、10可知，考慮到80kJ電液錘最大打擊力約5000t，遠(yuǎn)高于鐓粗載荷，可知鐓粗后高度105mm可以實(shí)現(xiàn)。仿真分析最高溫度為558℃，稍高于550℃，屬于計(jì)算誤差范圍，認(rèn)為最高溫度不會出現(xiàn)組織畸變。
預(yù)鍛成形
考慮到從80kJ到雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)運(yùn)距離較長且缺乏高效轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，預(yù)鍛仿真分析時(shí)認(rèn)為毛坯經(jīng)過二次加熱，始鍛溫度設(shè)定為480℃。按照等速模型計(jì)算預(yù)鍛件圖(圖11)，下壓速度為500mm/s。
由圖11、12、13、14可知，1/8預(yù)鍛件的預(yù)鍛成形載荷為802t，即實(shí)際成形需要載荷為6416÷1.5=4278t，小于雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線的最大打擊力為4500t，可見預(yù)鍛件成形良好，基本可實(shí)現(xiàn)成形。從另外角度分析，因仿真分析采用Al2014的高溫應(yīng)力—應(yīng)變曲線的最高應(yīng)變率為10，明顯小于實(shí)際成形過程的應(yīng)變率，實(shí)際成形載荷應(yīng)明顯高于仿真結(jié)果，實(shí)際預(yù)鍛成形的高度會高1～2mm。仿真分析最高溫度為596℃，高于550℃。經(jīng)過與DEFORM公司技術(shù)工程師確認(rèn)，軟件對成形過程中界面流動敏感度較高，界面溫度高于實(shí)際溫度且鋁合金散熱速度快，材料在高溫停留時(shí)間很短，材料組織不足以發(fā)生畸變，項(xiàng)目組認(rèn)為不會出現(xiàn)組織畸變。
終鍛成形
考慮到雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線預(yù)鍛與終鍛工步轉(zhuǎn)運(yùn)效率較高，終鍛分析暫不考慮散熱因素，終鍛分析直接沿用預(yù)鍛溫度場。按照等速模型計(jì)算終鍛件圖，下壓速度為500mm/s，如圖16所示。
圖11 預(yù)鍛件圖
圖12 預(yù)鍛件成形
圖13 預(yù)鍛完成時(shí)毛坯溫度分布
按照雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線的最大打擊力的4500t反推，終鍛不能實(shí)現(xiàn)合模，合模間隙為3.5mm?？紤]到終鍛工步可增加一次打擊，最終合模間隙將小于3.5mm。為了保證零件最終尺寸（重量），對于厚度超差鍛件進(jìn)行機(jī)加工。
圖14 預(yù)鍛成形的載荷—位移曲線
圖15 預(yù)鍛成形能量—位移曲線
由圖17、18可知，仿真分析最高溫度為595℃，高于550℃。經(jīng)過與DEFORM公司技術(shù)工程師確認(rèn)，軟件對成形過程中界面流動敏感度較高，界面溫度高于實(shí)際溫度且鋁合金散熱速度快，材料在高溫停留時(shí)間很短，材料組織不足以發(fā)生畸變，項(xiàng)目組認(rèn)為不會出現(xiàn)組織畸變。
圖16 終鍛件圖
■ 表2 輪轂的打擊力與打擊能量的仿真數(shù)據(jù)
圖17 終鍛件成形
圖18 終鍛完成時(shí)毛坯溫度分布
■ 表3 北奔轉(zhuǎn)向節(jié)的打擊力與打擊能量的仿真數(shù)據(jù)
圖19 輪轂樣件
結(jié)束語
通過上述仿真分析得出的數(shù)據(jù)結(jié)果（表2），經(jīng)過與雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的奔馳轉(zhuǎn)向節(jié)仿真模擬數(shù)據(jù)（表3）對比分析可知，鋁合金輪轂的鍛造工藝方案基本可行。
在理論分析、仿真分析與優(yōu)化和借鑒同類產(chǎn)品成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的輪轂工藝設(shè)計(jì)方案經(jīng)生產(chǎn)試制驗(yàn)證切實(shí)可行，輪轂鍛件（圖19）可滿足車輛研制需要，生產(chǎn)成本控制在要求內(nèi)。
霍威，助理工程師，從事鍛造工藝及鍛模設(shè)計(jì)工作，重點(diǎn)研究冷、溫、熱鍛精密成形工藝。
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模鍛成形難點(diǎn)分析
⑴鋁合金成形性抗力大。
鋁合金鍛造溫度區(qū)間較窄，理論可鍛溫度范圍在260～480℃之間，實(shí)際可鍛溫度范圍在300～550℃之間。圖2、圖3、圖4為三個溫度下2A50材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，圖5為42CrMo材料在1200℃下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其中應(yīng)變率為1.6、8、40。由圖對比可知，2A50材料在可鍛溫度范圍內(nèi)，變形抗力較大，與42CrMo高溫條件下的變形抗力基本相當(dāng)。
考慮到鋁合金變形抗力的特點(diǎn)，要求鋁合金的加熱溫度較高，但不能超過500℃，防止因變形導(dǎo)致的溫升過高超過材料承受的極限。
⑵潤滑難度較大。
圖1 輪轂零件圖
圖2 260℃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線
圖3 371℃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線
圖4 480℃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線
圖5 42CrMo在1200℃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線
與傳統(tǒng)合金鋼鍛造的潤滑相比，鋁合金鍛造的潤滑特性差異較大，鋁合金粘附力大，流動性差，鍛造過程中成形困難，模具必須經(jīng)過充分潤滑，以改善模具表面狀態(tài)來降低摩擦阻力，保證鍛件表面質(zhì)量和幾何尺寸，選用合適的潤滑劑，不但可以改善金屬流動，避免粘模，減少鍛件表面缺陷，而且可使模鍛時(shí)的壓力降低9%～15%。同時(shí)，潤滑劑還可以冷卻模具，防止模具溫度過高。
⑶模具加工要求高。
借鑒公司以往生產(chǎn)鋁合金鍛件的經(jīng)驗(yàn)，鍛造鋁合金材料所用模具表面粗糙度較鍛鋼用模具的要求更高，型腔需經(jīng)過精拋光或表面處理（氮化），以提高模具表面質(zhì)量，減小鋁合金鍛造過程中表面摩擦力，改善充型效果。
⑷鍛造工藝設(shè)計(jì)難度大。
按照傳統(tǒng)2A50鋁合金的鍛造工藝設(shè)計(jì)要求，此類零件需要6300t以上壓力機(jī)才能滿足生產(chǎn)要求?？紤]到現(xiàn)有壓力機(jī)生產(chǎn)線可用的僅為雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線，最大打擊力為4500t左右且設(shè)備高載荷條件下穩(wěn)定性較差，需要盡量降低成形載荷，將成形載荷控制在4500t左右。
⑸材料性能要求高。
對比2A50鋁合金鑄造材料性能，鍛造材料性能更高，需要嚴(yán)格的熱處理工藝保證。考慮到公司2A50鋁合金熱處理工藝經(jīng)驗(yàn)很少，項(xiàng)目組需要根據(jù)輪轂使用工況設(shè)計(jì)合理的熱處理工藝，以充分發(fā)揮鍛造工藝優(yōu)勢，為進(jìn)一步減重奠定基礎(chǔ)。
工藝設(shè)計(jì)
根據(jù)2A50鋁合金材料的特性，開發(fā)輪轂在雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線的鍛造工藝，生產(chǎn)設(shè)備如圖6所示。經(jīng)過多次仿真分析與工藝優(yōu)化，確定鍛造工藝分為鐓粗制坯→預(yù)鍛→終鍛三部分。
考慮輪轂的對稱性，選1/8比例分析輪轂鍛造工藝過程。借鑒戴卡輪轂公司、FUCHS公司提供的參數(shù)，模具經(jīng)過表面精加工及氮化處理，鍛造過程中使用FUCHS公司高性能水基石墨潤滑劑，模具經(jīng)過有效潤滑，仿真分析參數(shù)見表1。
圖6 生產(chǎn)設(shè)備
■ 表1 輪轂鍛造工藝仿真參數(shù)
鐓粗制坯
鐓粗制坯在80kJ電液錘生產(chǎn)線上進(jìn)行?？紤]到計(jì)算效率，不詳細(xì)設(shè)定80kJ電液錘打擊參數(shù)，按照等速模型計(jì)算，下壓速度為500mm/s。鋁合金采用φ300mm×（225±1）mm規(guī)格的毛坯，始鍛溫度設(shè)定為480℃，模擬結(jié)果如圖7、8所示。
圖7 鐓粗成形毛坯
圖8 鐓粗后毛坯溫度分布
圖9 鐓粗成形的載荷—位移曲線
圖10 鐓粗成形能量—位移曲線
由圖9、10可知，考慮到80kJ電液錘最大打擊力約5000t，遠(yuǎn)高于鐓粗載荷，可知鐓粗后高度105mm可以實(shí)現(xiàn)。仿真分析最高溫度為558℃，稍高于550℃，屬于計(jì)算誤差范圍，認(rèn)為最高溫度不會出現(xiàn)組織畸變。
預(yù)鍛成形
考慮到從80kJ到雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)運(yùn)距離較長且缺乏高效轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，預(yù)鍛仿真分析時(shí)認(rèn)為毛坯經(jīng)過二次加熱，始鍛溫度設(shè)定為480℃。按照等速模型計(jì)算預(yù)鍛件圖(圖11)，下壓速度為500mm/s。
由圖11、12、13、14可知，1/8預(yù)鍛件的預(yù)鍛成形載荷為802t，即實(shí)際成形需要載荷為6416÷1.5=4278t，小于雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線的最大打擊力為4500t，可見預(yù)鍛件成形良好，基本可實(shí)現(xiàn)成形。從另外角度分析，因仿真分析采用Al2014的高溫應(yīng)力—應(yīng)變曲線的最高應(yīng)變率為10，明顯小于實(shí)際成形過程的應(yīng)變率，實(shí)際成形載荷應(yīng)明顯高于仿真結(jié)果，實(shí)際預(yù)鍛成形的高度會高1～2mm。仿真分析最高溫度為596℃，高于550℃。經(jīng)過與DEFORM公司技術(shù)工程師確認(rèn)，軟件對成形過程中界面流動敏感度較高，界面溫度高于實(shí)際溫度且鋁合金散熱速度快，材料在高溫停留時(shí)間很短，材料組織不足以發(fā)生畸變，項(xiàng)目組認(rèn)為不會出現(xiàn)組織畸變。
終鍛成形
考慮到雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線預(yù)鍛與終鍛工步轉(zhuǎn)運(yùn)效率較高，終鍛分析暫不考慮散熱因素，終鍛分析直接沿用預(yù)鍛溫度場。按照等速模型計(jì)算終鍛件圖，下壓速度為500mm/s，如圖16所示。
圖11 預(yù)鍛件圖
圖12 預(yù)鍛件成形
圖13 預(yù)鍛完成時(shí)毛坯溫度分布
按照雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線的最大打擊力的4500t反推，終鍛不能實(shí)現(xiàn)合模，合模間隙為3.5mm?？紤]到終鍛工步可增加一次打擊，最終合模間隙將小于3.5mm。為了保證零件最終尺寸（重量），對于厚度超差鍛件進(jìn)行機(jī)加工。
圖14 預(yù)鍛成形的載荷—位移曲線
圖15 預(yù)鍛成形能量—位移曲線
由圖17、18可知，仿真分析最高溫度為595℃，高于550℃。經(jīng)過與DEFORM公司技術(shù)工程師確認(rèn)，軟件對成形過程中界面流動敏感度較高，界面溫度高于實(shí)際溫度且鋁合金散熱速度快，材料在高溫停留時(shí)間很短，材料組織不足以發(fā)生畸變，項(xiàng)目組認(rèn)為不會出現(xiàn)組織畸變。
圖16 終鍛件圖
■ 表2 輪轂的打擊力與打擊能量的仿真數(shù)據(jù)
圖17 終鍛件成形
圖18 終鍛完成時(shí)毛坯溫度分布
■ 表3 北奔轉(zhuǎn)向節(jié)的打擊力與打擊能量的仿真數(shù)據(jù)
圖19 輪轂樣件
結(jié)束語
通過上述仿真分析得出的數(shù)據(jù)結(jié)果（表2），經(jīng)過與雙2500t壓力機(jī)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的奔馳轉(zhuǎn)向節(jié)仿真模擬數(shù)據(jù)（表3）對比分析可知，鋁合金輪轂的鍛造工藝方案基本可行。
在理論分析、仿真分析與優(yōu)化和借鑒同類產(chǎn)品成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的輪轂工藝設(shè)計(jì)方案經(jīng)生產(chǎn)試制驗(yàn)證切實(shí)可行，輪轂鍛件（圖19）可滿足車輛研制需要，生產(chǎn)成本控制在要求內(nèi)。
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