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      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(guó)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
      關(guān)鍵詞:壓力機(jī)輪轂鍛件

      文/霍威,韓海河,車奇楠,王志國(guó),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(guó),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(dòng)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(duì)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(jiǎn)稱富成鍛造)針對(duì)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(gè)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(duì)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(guò)500℃,防止因變形導(dǎo)致的溫升過(guò)高超過(guò)材料承受的極限。

      ⑵潤(rùn)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(rùn)滑相比,鋁合金鍛造的潤(rùn)滑特性差異較大,鋁合金粘附力大,流動(dòng)性差,鍛造過(guò)程中成形困難,模具必須經(jīng)過(guò)充分潤(rùn)滑,以改善模具表面狀態(tài)來(lái)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(rùn)滑劑,不但可以改善金屬流動(dòng),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(rùn)滑劑還可以冷卻模具,防止模具溫度過(guò)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(guò)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(guò)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。考慮到現(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(duì)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(shì),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(guò)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(duì)稱性,選1/8比例分析輪轂鍛造工藝過(guò)程。借鑒戴卡輪轂公司、FUCHS公司提供的參數(shù),模具經(jīng)過(guò)表面精加工及氮化處理,鍛造過(guò)程中使用FUCHS公司高性能水基石墨潤(rùn)滑劑,模具經(jīng)過(guò)有效潤(rùn)滑,仿真分析參數(shù)見(jiàn)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(huì)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(zhǎng)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(huì)高1~2mm。仿真分析最高溫度為596℃,高于550℃。經(jīng)過(guò)與DEFORM公司技術(shù)工程師確認(rèn),軟件對(duì)成形過(guò)程中界面流動(dòng)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(huì)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(chǎng)。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。考慮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(duì)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(guò)與DEFORM公司技術(shù)工程師確認(rèn),軟件對(duì)成形過(guò)程中界面流動(dòng)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(huì)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(yǔ)

      通過(guò)上述仿真分析得出的數(shù)據(jù)結(jié)果(表2),經(jīng)過(guò)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(duì)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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