文/王東亞，侯旭，馬臣，陳登鶴·一汽鍛造（吉林）有限公司

6082 鋁合金屬于Аl-Si-Mg-Mn 系耐熱鍛鋁，具有良好的可成形性、可加工性和熱處理后(T6狀態(tài))具有較高的機(jī)械性能，化學(xué)成分見表1，廣泛應(yīng)用于航空固定裝置及卡車、船舶類的零部件。本文以6082 鋁合金后輪輪轂為研究對象，針對鍛造輪轂成形質(zhì)量，利用有限元數(shù)值模擬軟件對主要成形工步進(jìn)行模擬計(jì)算，分析成形過程金屬流動(dòng)特點(diǎn)及缺陷產(chǎn)生條件，從而優(yōu)化鋁合金輪轂成形過程。

圖1 為鋁合金輪轂鍛件圖。該鋁合金鍛件帶有高度88mm、寬度50mm 的凸臺(tái)；頭部存在凹槽和凸臺(tái)，圓周方向肋薄而長，需要的材料少，材料流動(dòng)距離遠(yuǎn)；終鍛拔模和充填較難，在鍛造成形過程中，由于冷卻快導(dǎo)致材料流動(dòng)性差，易出現(xiàn)折疊、充不滿等缺陷；鍛件截面在高度方向上變化較大，復(fù)雜等級為S3 級，10 個(gè)加強(qiáng)肋成形難度較大。

有限元模擬分析

為解決鍛件成形難點(diǎn)、縮短工藝調(diào)試周期，對鋁合金輪轂鍛件的鍛造成形過程進(jìn)行有限元模擬分析，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，來獲得各工步合理的鍛造成形結(jié)構(gòu)，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，以達(dá)到縮短鍛件生產(chǎn)周期的目的。結(jié)合我司設(shè)備特點(diǎn)，確定了鋁合金輪轂的鍛造工藝方案為壓扁→預(yù)鍛→終鍛，通過有限元分析軟件對各工步進(jìn)行模擬分析。

表1 6082 鋁合金化學(xué)成分(%)

圖1 鋁合金輪轂鍛件圖

參數(shù)化設(shè)置

⑴定義坯料屬性。

依據(jù)工藝設(shè)計(jì)導(dǎo)入所需規(guī)格尺寸的坯料幾何模型，對坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義材料屬性、摩擦條件及熱傳導(dǎo)。

坯料網(wǎng)格劃分采用面網(wǎng)格+體網(wǎng)格，為提高模擬的準(zhǔn)確性，對坯料幾何面網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，導(dǎo)入6082 鋁合金材料屬性，坯料初始溫度設(shè)置為520℃,摩擦條件為水基石墨潤滑，熱交換定義為強(qiáng)交換。

⑵模具初始條件設(shè)置。

成形上、下模設(shè)置為剛性模型，進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，定義模具初始溫度為250℃。

⑶接觸定義。

通過軟件自帶位置調(diào)整功能對模具及坯料進(jìn)行位置關(guān)系定義，保持坯料位置不變，改變上、下模位置對其進(jìn)行調(diào)整，通過選擇接觸信息屬性檢查模具與坯料接觸狀態(tài)，當(dāng)最小值小于或等于零，通常為極小負(fù)數(shù)，表示坯料與模具表面略有接觸。

⑷運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置。

模具運(yùn)動(dòng)參數(shù)屬性主要是選擇壓力機(jī)和確定最大壓量，選取上模作為運(yùn)動(dòng)單元定義壓力機(jī)基本參數(shù)，根據(jù)各工位成形設(shè)計(jì)高度設(shè)置各工位初始高度和最終高度。設(shè)置模擬計(jì)算步長及存儲(chǔ)模式參數(shù)后，保存數(shù)據(jù)后提交計(jì)算。三維仿真模型如圖2 所示。

模擬結(jié)果分析

圖2 三維仿真模型

圖3 為各成形工位最終成形接觸示意圖，從圖中可以看出，終鍛工位最終成形時(shí)，鍛件底部肋位置部分區(qū)域出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象，主要原因是由于壓扁工位分料在預(yù)鍛成形時(shí)，坯料通過飛邊排出體積大，降低了終鍛工位閉合高度，充不滿未得到改善。

優(yōu)化成形工藝

考慮到鋁合金材料流動(dòng)特點(diǎn)，為得到良好的鍛件成形質(zhì)量，對壓扁、預(yù)鍛工位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)解決鍛件充不滿問題，通過增加壓扁成形高度，減少預(yù)鍛工位飛邊排料體積，同時(shí)在預(yù)鍛下模增加肋結(jié)構(gòu)，來改進(jìn)預(yù)鍛工位分料狀態(tài)。改進(jìn)結(jié)構(gòu)后模擬結(jié)果如圖4 所示，通過對壓扁、預(yù)鍛工位優(yōu)化，終鍛件充填狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)鍛件充不滿。鍛件折紋趨勢分析結(jié)果如圖5 所示，鍛件未出現(xiàn)折疊，說明改進(jìn)后工藝參數(shù)滿足鍛件成形需求。

圖3 成形工位接觸示意圖

圖4 改進(jìn)后接觸示意圖

通過對成形工位結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在變形過程中，從圖6 溫度分布圖可知，鍛模首先與坯料凸臺(tái)及肋位置接觸，在鍛打成形初始階段，這部分坯料由于首先與鍛模接觸，溫度損耗較大。成形過程中，輪轂由正擠壓肋部和反擠壓輪轂內(nèi)壁等方式充填模膛，坯料變形熱及與鍛模摩擦產(chǎn)生的熱量對溫度損耗進(jìn)行了補(bǔ)償，因此鍛件溫度下降較少。在鍛打結(jié)束后，鍛件溫度分布較為均勻，整體溫度依然較高，能夠滿足鍛件成形及后續(xù)熱切邊對鍛件溫度的要求。

圖5 終鍛件折紋示意圖

從圖6 載荷曲線可知，載荷曲線可以分為緩慢上升和急劇上升兩個(gè)階段，成形開始階段鍛造載荷緩慢上升，該過程坯料主要以正擠壓方式成形，坯料流動(dòng)較為容易，在成形后期，坯料成形方式由正擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉磾D壓，充填輪轂內(nèi)壁型腔及端面的圓角位置，加之鍛模橋部對變形金屬外流阻礙作用加強(qiáng)，成形載荷隨鍛模行程加大而急劇增加。

圖6 終鍛溫度及載荷曲線分布

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)分體結(jié)構(gòu)

輪轂鍛件為軸類回轉(zhuǎn)體鍛件，產(chǎn)品質(zhì)量要求高。而鍛模中心的沖頭位置坯料流動(dòng)較為劇烈。坯料急劇流動(dòng)對模具表面沖刷嚴(yán)重，容易導(dǎo)致模具失效，造成鍛件形狀尺寸和表面質(zhì)量不符合產(chǎn)品要求，失效模具整體更換導(dǎo)致模具成本增加?，F(xiàn)將鍛模沖頭設(shè)計(jì)為鑲塊結(jié)構(gòu)，如圖7 所示，選用合適的鍛模材料制造，我司采用H13 材料，因其具有較好的強(qiáng)度、紅硬性和高的耐磨性，能保證沖頭模具壽命。沖頭模具分體后加工制造方便，同時(shí)模具失效時(shí)，更換方便，提高生產(chǎn)效率。

平衡摩擦力

圖7 輪轂鍛模簡圖

鍛件產(chǎn)品肋位置的壁厚較薄，外壁為非加工面，此處出模角度為1°，在生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)鍛件粘在下模，出模困難問題。考慮到設(shè)備頂出機(jī)構(gòu)及輪轂鍛件為回轉(zhuǎn)體，設(shè)計(jì)頂出方式為下模中心頂桿頂出。加之鋁合金材質(zhì)相對鋼材較軟，生產(chǎn)中可能出現(xiàn)頂桿頂穿連皮而鍛件粘在下模型腔的情況。因此在模具設(shè)計(jì)考慮上增加鍛件在上模型腔的摩擦力，來減小鍛件出模阻力。將下模鑲塊頂端出模角度設(shè)計(jì)為7°，上模鑲塊頂端出模角度設(shè)計(jì)為5°，上模鑲塊頂端拔模長度相對下模鑲塊增加15 ～20mm。

生產(chǎn)調(diào)試

根據(jù)CАE 工藝參數(shù)分析結(jié)果，完成模具制造，通過實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試，調(diào)整壓扁→預(yù)鍛→終鍛各成形工位封閉高度，為保證鍛件成形過程穩(wěn)定，采用鍛件凸臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位。圖8 為輪轂鍛件實(shí)物，鍛件成形尺寸和表面質(zhì)量滿足鍛件圖紙要求。

圖8 輪轂鍛件實(shí)物

結(jié)束語

在開發(fā)前期，通過對鋁合金輪轂鍛件成形的仿真分析及優(yōu)化，可以有效節(jié)約產(chǎn)品調(diào)試周期及模具制造費(fèi)用，同時(shí)需要將CАE 模擬與生產(chǎn)現(xiàn)場相結(jié)合，在模擬參數(shù)設(shè)置時(shí)考慮設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。對現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)積累可以提高參數(shù)優(yōu)化的合理性，工藝設(shè)計(jì)及分析要符合“簡單、高效”原則。通過對CАE 仿真分析數(shù)據(jù)及現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，我司對鋁合金鍛件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)會(huì)越來越豐富，進(jìn)一步適應(yīng)市場需求。