郭瀚澤，王永飛，范淑琴，王立忠，李澤源，趙升噸,，陳超

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.中南大學(xué) 輕合金研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 前言

車輪鋁合金支撐盤是當(dāng)今自重輕量化的重型貨車上主要采用的輪轂部件，車輪鋁合金支撐盤對(duì)保證在重型貨車在行駛過(guò)程中的平順和安全性至關(guān)重要。

如圖1所示，車輪鋁合金支撐盤上、下表面各有均布的凸臺(tái)及花瓣結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)附近金屬在鍛造過(guò)程中流動(dòng)受阻，容易出現(xiàn)充形不完整和折疊的問(wèn)題，且原材料的流動(dòng)性一般，產(chǎn)品整體鍛造成型難度大。目前該重型貨車車輪鋁合金支撐盤主要采用熱模鍛工藝，其具體工藝流程為：下料→加熱→鐓粗→預(yù)、終鍛鍛造成型→切邊→技術(shù)檢驗(yàn)→探傷→固溶時(shí)效→表面清理→鍛件終檢→轉(zhuǎn)機(jī)加工。這種傳統(tǒng)的固態(tài)熱成型工藝存在著工藝流程復(fù)雜、成形力大、鍛后余量大造成后續(xù)切削加工材料浪費(fèi)嚴(yán)重、能耗高等不足[1-3]。

圖1 重型貨車輕量化車輪鋁合金支撐盤示意圖

針對(duì)鋁合金車輪支撐盤傳統(tǒng)熱模鍛工藝存在的問(wèn)題，本文提出了鋁合金車輪支撐盤半固態(tài)模鍛成型新工藝方案，該工藝具有工藝流程短、對(duì)成型設(shè)備噸位要求低、一次近凈成型、能耗低等優(yōu)勢(shì)[4-6]。本文以某型號(hào)的重型貨車輕量化車輪用6061鋁合金支撐盤為例，主要采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)車輪支撐盤半固態(tài)模鍛成型新的工藝方案進(jìn)行了深入的研究[7-9]。同時(shí)，本文提出該車輪鋁合金支撐盤半固態(tài)成型新工藝方案。依據(jù)該鋁合金支撐盤零件圖，通過(guò)分析后制訂出合理的鍛件圖，進(jìn)一步確定出該鋁合金支撐盤半固態(tài)模鍛合理的工藝流程技術(shù)方案。通過(guò)商用數(shù)值模擬Deform軟件平臺(tái)進(jìn)行半固態(tài)模鍛成型過(guò)程的模擬，采用正交試驗(yàn)的方法，研究了不同工藝參數(shù)下對(duì)支撐盤成型的影響，獲得了支撐盤件的半固態(tài)模鍛成型變形規(guī)律，得到了半固態(tài)模鍛變形過(guò)程中的數(shù)據(jù)結(jié)果，從而確定最佳半固態(tài)模鍛合理的工藝參數(shù)。新的半固態(tài)模鍛工藝節(jié)材節(jié)能，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化、帶動(dòng)重卡汽車以調(diào)鋼拓鋁為政策指引的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要的生產(chǎn)價(jià)值[10-13]。

1 材料及研究方案

圖2所示為某型號(hào)重型貨車所采用的鋁合金支撐盤鍛件圖。

圖2 鋁合金支撐盤圖

本文所研究車輪支撐盤所用的材料牌號(hào)具體為鋁合金6 061，其化學(xué)成分如表1所示，該材料的半固態(tài)固溫度區(qū)間為599～650 ℃，熱傳導(dǎo)系數(shù)為72 N·℃/S，熱容量為1.9 N·℃/mm2，彈性模量為89.1 MPa，泊松比為0.35，熱發(fā)射率為0.7。其他情況下除應(yīng)力應(yīng)變曲線外，物理性能和Deform材料庫(kù)中的鋁合金參數(shù)保持一致，不再贅述。根據(jù)流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變曲線，在軟件中進(jìn)行回歸分析并擬合，獲得材料的本構(gòu)方程為

表1 6061鋁合金的成分 %

本文提出的節(jié)能高效半固態(tài)模鍛車輪鋁合金支撐盤成型工藝方案示意圖如圖3所示。該新工藝方案首先是半固態(tài)材料的制備，其次為模鍛加工，包含半固態(tài)模鍛及后續(xù)處理。根據(jù)鍛件圖，結(jié)合對(duì)稱結(jié)構(gòu)的具體形狀，采用鍛造模具進(jìn)行生產(chǎn)。設(shè)計(jì)模具時(shí)綜合考慮拔模斜度、圓角、分模面、對(duì)心問(wèn)題及排出的問(wèn)題，選取1 mm的孔部連皮，鍛造模具如圖4所示。新的半固態(tài)模鍛工藝流程為：下料→加熱→鐓粗→半固態(tài)等溫?zé)崽幚怼牍虘B(tài)模鍛→鍛后熱處理→切削加工。

圖3 半固態(tài)模鍛成型新工藝流程

圖4 鍛造模具

為了研究不同工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)成型的影響，設(shè)計(jì)了模擬方案，以鍛造溫度600 ℃、610 ℃、620 ℃、630 ℃，模具運(yùn)行速度25 mm/s、50 mm/s、75 mm/s,模具溫度300 ℃、450 ℃等參數(shù)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，如表2所示，分別在Deform中進(jìn)行模擬。并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析。

表2 半固態(tài)成型正交實(shí)驗(yàn)表

2 結(jié)果分析

2.1 車輪支撐盤有限元仿真結(jié)果分析

在前處理中分別進(jìn)行模型導(dǎo)入、定義材料屬性和劃分網(wǎng)格，其中對(duì)坯料劃分網(wǎng)格時(shí)采用Absolute法，單元體的最小尺寸為2.1 mm左右，尺寸比為3。定義上模為主動(dòng)模具，模擬步長(zhǎng)為最小單元體尺寸的1/3即0.7 mm，步數(shù)為100步。

模擬結(jié)果顯示，相同成型方法，即使在不同的參數(shù)組合下，得到的上模成型載荷力-位移曲線的形狀基本上是相同的。圖5為半固態(tài)成型仿真車輪支撐盤鍛壓過(guò)程中上模的成型載荷力-位移曲線，成型溫度為610 ℃。

圖5 610 ℃位移成形力與成型效果圖

從圖5中可以看出，在鍛壓過(guò)程中，一開(kāi)始在上模作用下坯料被鐓粗?jǐn)D扁，底面凸起部分最先形成，其余部分逐漸填充入模。隨著位移的增大，成形力逐漸增大且趨勢(shì)平穩(wěn)，此時(shí)車輪支撐盤正面弧形結(jié)構(gòu)基本形成，底座和孔部分出現(xiàn)成型趨勢(shì)。當(dāng)上模位移達(dá)到大約50 mm時(shí)，底部結(jié)構(gòu)基本成型，坯料需流動(dòng)到正面的成型復(fù)雜的花瓣和凸臺(tái)處，故成形力急劇增大。隨著上模位移繼續(xù)增大，花瓣和凸臺(tái)處成型完整，在整個(gè)型腔即將被填充滿、余料開(kāi)始充填的最后階段，即到達(dá)保壓狀態(tài)的階段，成形力出現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)，趨勢(shì)逐漸劇烈。從圖5中可以看出，在最后階段隨著凸模的位移增大，成型載荷力急劇增加，為保證成型質(zhì)量，對(duì)凸模的位移須進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，防止過(guò)大凸模位移造成模具或者擠壓機(jī)的損壞。

2.2 各因素對(duì)半固態(tài)成型載荷的影響

以溫度為分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)組進(jìn)行了模擬仿真。由輸出結(jié)果可知，各因素都對(duì)成形力有不同的影響，而且半固態(tài)成型方法的載荷小的特點(diǎn)十分明顯，模擬仿真試驗(yàn)中最大成形力均不超過(guò)300 N。從圖6中可知，最終的成形力即選在上模與下模合模的位置，在此位置的成形力即為最終的成形力。在Deform-3D后處理中獲得最大成形力的數(shù)據(jù)，根據(jù)此判別標(biāo)準(zhǔn)，制定穩(wěn)定成形力的試驗(yàn)指標(biāo)，可以得到處理過(guò)數(shù)據(jù)的正交試驗(yàn)表見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)指標(biāo)為載荷的正交試驗(yàn)表

為了直觀地發(fā)現(xiàn)各因素影響的大小，將表3的結(jié)果繪制指標(biāo)-因素圖，如圖6所示。

圖6 成形力指標(biāo)-因素圖

從圖6中可知，模具溫度對(duì)成形力的影響最大。隨著模具溫度的升高，成形力急劇減少。而上模速度對(duì)成形力的影響呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，隨著上模速度的增大，成形力略微減小，這與平時(shí)的認(rèn)知相違背，需要考慮到半固態(tài)成型溫度場(chǎng)的變化。因?yàn)樵诔尚瓦^(guò)程中模具的溫度低于坯料溫度，所以在成型的過(guò)程中坯料的溫度并不是恒定的。當(dāng)速度越低，模具與坯料接觸時(shí)間越長(zhǎng)，那么坯料的溫度越低，與開(kāi)始坯料溫度相差有100 ℃以上。但是又由于成型部分與模具接觸摩擦產(chǎn)熱，所以車輪支撐盤成型部分的溫度會(huì)保持不變甚至?xí)S著時(shí)間有所升高。同時(shí)半固態(tài)溫度對(duì)于成形力的影響基本呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，隨著半固態(tài)溫度的增加，液相率增加，成形力必然逐漸減小。由此得出，在成型過(guò)程中，為了減少成形力，應(yīng)該首先保證高的模具溫度，即450 ℃，其次考慮較大的上模速度和半固態(tài)溫度。

2.3 各因素對(duì)半固態(tài)成型等效應(yīng)力的影響

在Deform中可以對(duì)成型過(guò)程中的等效應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本文統(tǒng)計(jì)的步數(shù)為圖5中最后填充點(diǎn)的步數(shù)，也就是車輪支撐盤成型已經(jīng)較為完整的最后階段。在后處理中獲得正交實(shí)驗(yàn)十六組等效應(yīng)力元素含量柱狀圖，分布趨勢(shì)較為相似。

車輪支撐盤整體等效應(yīng)力分布比較均勻，且主要在3～6 MPa之間，數(shù)值相對(duì)較小，底部弧形部分和孔部結(jié)構(gòu)與下模接觸的鍛壓部分的應(yīng)力比較大，但是數(shù)值也不超過(guò)8 MPa。與下模接觸的鍛壓部分流動(dòng)復(fù)雜，所以這部分的應(yīng)力比成型部分的應(yīng)力稍大，約為7.84 MPa。且等效應(yīng)力的分布區(qū)間比較集中，便于統(tǒng)計(jì)，相比于平均等效應(yīng)變，平均等效應(yīng)力更適合作為考量各因素影響的指標(biāo)。因此，可以得出正交試驗(yàn)表表4和指標(biāo)-因素圖7。

表4 試驗(yàn)指標(biāo)為等效應(yīng)力的正交試驗(yàn)表

圖7 等效應(yīng)力指標(biāo)-因素圖

從圖7中可知，各個(gè)因素對(duì)于應(yīng)力都會(huì)有一定的影響，但是影響最大的是模具溫度的影響，其次是成型溫度。

經(jīng)過(guò)同樣的數(shù)據(jù)處理，可以得到各因素對(duì)半固態(tài)成型等效應(yīng)變的影響，上模速度和模具溫度對(duì)平均等效應(yīng)變的影響較小，成型溫度對(duì)于平均等效應(yīng)變的影響比較明顯。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)及上述指標(biāo)-因素分析，綜合考量各因素對(duì)成形力、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力的影響，取半固態(tài)成型最佳工藝參數(shù)：成型溫度為620 ℃、模具溫度為450 ℃、上模速度75 mm/s。

2.4 常規(guī)熱模鍛成型對(duì)比

以相同模具進(jìn)行熱模鍛對(duì)比，分析半固態(tài)工藝與常規(guī)熱模鍛工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)樣品生產(chǎn)工藝資料，取常規(guī)熱模鍛成型溫度為450 ℃、模具溫度為300 ℃，上模速度為500 mm/s，成形力與成型效果及能量消耗示意圖如圖8所示。

由圖8可知，常規(guī)熱模鍛成形力極大，最終成形力超過(guò)35 MN，而半固態(tài)鍛造成型僅需2.54 MN，極大降低了成型設(shè)備的需求，減少了大量成本。數(shù)值對(duì)比如表6所示。

表6 常規(guī)模鍛與半固態(tài)模鍛對(duì)比表

圖8 熱模鍛成形力與成型效果與能量消耗示意圖

成型效果如圖9所示，半固態(tài)成型相比常規(guī)熱模鍛成型，其流動(dòng)應(yīng)力更低，易于成型并填充模腔。半固態(tài)模鍛成型可以較好地充填形狀復(fù)雜的花瓣和凸臺(tái)處。若采用常規(guī)熱模鍛成型，其底部支撐處、花瓣底部、凸臺(tái)邊界處均有充形尚不完全部分。

圖9 半固態(tài)模鍛成型效果圖

3 結(jié)論

(1)重型貨車的輕量化鋁合金車輪支撐盤的節(jié)能高效式半固態(tài)模鍛工藝流程為：下料→加熱→鐓粗→半固態(tài)等溫?zé)崽幚怼牍虘B(tài)模鍛→鍛后熱處理→切削加工，相比預(yù)鍛后再終鍛的傳統(tǒng)工藝流程有著短流程的特點(diǎn)。

(2)對(duì)比鋁合金鋁合金車輪支撐盤常規(guī)的熱模鍛工藝與新的半固態(tài)模鍛兩種不同的工藝的成形力大小，結(jié)果表明，常規(guī)熱模鍛成形力極大，最終成形力超過(guò)35 MN，而半固態(tài)鍛造成型僅需2.54 MN，成形力降低14倍多，能量消耗降低15倍多，從而大幅

度降低了模鍛成型設(shè)備規(guī)格，節(jié)約了能量。

(3)該鋁合金車輪支撐盤的半固態(tài)成型最佳工藝參數(shù)為成型溫度為620 ℃、模具溫度為450 ℃、上模速度75 mm/s。

(4)鋁合金車輪支撐盤半固態(tài)模鍛成型可以較好地充填形狀復(fù)雜的花瓣和凸臺(tái)處。若采用常規(guī)熱模鍛成型，其底部支撐處、花瓣底部、凸臺(tái)邊界處均有充型尚不完全部分。因此半固態(tài)成型填充模具效果比常規(guī)成型更具優(yōu)勢(shì)。