鎂合金車輪鍛造成形影響因素研究

文/李建，孫惠學(xué)·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司

王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

鎂合金車輪鍛造成形影響因素研究

文/李建，孫惠學(xué)·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司

王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

針對(duì)一款16英寸鎂合金車輪的鍛造成形過(guò)程，利用有限元軟件對(duì)車輪鍛造過(guò)程進(jìn)行模擬，考察了坯料尺寸、坯料及模具初始溫度、摩擦條件等因素對(duì)成形過(guò)程的影響，研究結(jié)果表明：坯料尺寸的改變只影響前期輪輻的成形，對(duì)終成形力影響不大，坯料的直徑過(guò)小時(shí)在鍛造前期易發(fā)生折疊缺陷，模具初始溫度從450℃降低至300℃，終成形階段所需成形力提高約1500t，摩擦系數(shù)每增加0.1，鍛造終成形力約增加5%。

鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度、比剛度高、優(yōu)越的阻尼性能和吸振性能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車、電子等領(lǐng)域，鎂合金車輪重量輕節(jié)能效果顯著，符合目前全球節(jié)能、減排、資源再生利用與清潔生產(chǎn)等環(huán)保的要求，因此研發(fā)及使用鎂合金車輪將成為未來(lái)車輪的發(fā)展方向。

國(guó)內(nèi)采用塑性方法成形車輪的研究相對(duì)較少。鑄造鎂合金車輪雖然具有材料利用率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但鑄造工藝可能產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷，而且力學(xué)性能低于鍛造鎂合金車輪，難以滿足乘用車的使用要求，因此需要開(kāi)發(fā)鎂合金車輪的鍛造工藝。

鍛造模擬

以一款16英寸鎂合金車輪為例，材料為AZ80鎂合金，采用三維建模軟件對(duì)鎂合金車輪鍛造模具進(jìn)行建模，三維模型如圖1所示。

圖1 鎂合金車輪鍛造模具模型

坯料尺寸對(duì)成形的影響

初始坯料的尺寸對(duì)鍛造過(guò)程有較大影響，可能導(dǎo)致坯料在充型過(guò)程中產(chǎn)生折疊、穿流等缺陷，根據(jù)等體積原則，分別取三組不同尺寸毛坯，尺寸分別為：φ220mm×215mm、φ260mm×155mm、φ300mm×115mm。從圖2可以看到坯料直徑較小時(shí)，坯料與上模芯接觸位置容易出現(xiàn)折疊缺陷，圖2a中所示的區(qū)域1，隨著成形過(guò)程的進(jìn)行，折疊可能會(huì)卷入鍛件內(nèi)部，對(duì)鍛件質(zhì)量造成較大影響，而隨著坯料尺寸的增大，出現(xiàn)這種折疊的趨勢(shì)逐漸降低。

圖2 三種尺寸坯料鍛造前期充型過(guò)程

圖3為三種尺寸坯料對(duì)成形力的影響，從圖3中可以看出，坯料尺寸的改變只影響前期鐓粗階段的鍛造成形力，而對(duì)終成形力影響不大，綜合考慮鍛造缺陷及鐓粗程度等因素，本款車輪的坯料直徑尺寸選擇為φ240～260mm。

圖3 三種尺寸坯料對(duì)成形力的影響

溫度因素對(duì)成形的影響

變形溫度是影響鎂合金塑性加工性能的關(guān)鍵因素，鎂合金具有密排六方晶格結(jié)構(gòu)，其冷態(tài)下塑性加工性能較差，當(dāng)溫度升高到498K以上時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，合金的塑性變形能力大幅提高，鎂合金的塑性對(duì)變形溫度十分敏感，其鍛造溫度范圍比鋁合金的窄，鍛造溫度范圍一般在70～105K之間，將模具溫度設(shè)置為380℃保持不變，分別模擬坯料溫度為300℃、350℃、385℃及410℃四種情況下的鍛造成形過(guò)程，分析得到的坯料溫度與成形力的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 坯料溫度對(duì)成形力的影響

模具溫度分別設(shè)置為300℃、350℃、400℃及450℃，坯料溫度設(shè)置為385℃保持不變，分析得到的模具溫度與成形力的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 模具溫度對(duì)成形力的影響

從圖4、圖5可以看出，鍛造的初始階段坯料溫差較大，坯料溫度只影響鍛造前期的成形力，隨著鍛造的進(jìn)行，坯料溫度逐漸傳遞至模具，因此終成形力基本相同。模具溫度因素對(duì)鍛造成形力影響較大，成形力隨著模具溫度的降低而升高，由于模具體積較大，隨著鍛造的進(jìn)行，模具將大量吸收坯料的熱量，以至于到成形后期（即輪輞部位成形階段），所需成形力劇增，模具初始溫度為300℃和450℃兩種情況相比，終成形階段所需成形力相差約1500t，由于成形力過(guò)大對(duì)毛坯充型以及模具壽命都會(huì)有影響，因此應(yīng)該嚴(yán)格控制模具溫度，生產(chǎn)時(shí)需要考慮增設(shè)模具保溫及補(bǔ)溫裝置。

摩擦條件對(duì)成形的影響

鎂合金由于黏性較大，鍛造前模具的潤(rùn)滑情況將對(duì)坯料流動(dòng)產(chǎn)生較大影響，因此需要考察摩擦條件對(duì)鍛造成形的影響。將模具溫度設(shè)置為400℃，坯料溫度為385℃，壓力機(jī)下壓速度保持不變，分別考察摩擦系數(shù)為0.1、0.3及0.6三種情況對(duì)成形力的影響，摩擦條件對(duì)鍛造成形力的影響曲線如圖6所示。

圖6 摩擦條件對(duì)成形力的影響

從圖6可以看出，成形過(guò)程的前期（即輪輻成形階段）摩擦情況對(duì)成形力的影響較小，而到了后半階段（即輪輞成形階段）成形力隨摩擦系數(shù)的增大劇增，因此摩擦條件對(duì)鍛造成形力影響較大，即摩擦系數(shù)每增加0.1，鍛造終成形力約增加5%，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)在模具型腔內(nèi)部均勻噴灑潤(rùn)滑劑，并盡量提高模具型腔的表面粗糙度，模具各型面需要拋光處理，從而降低坯料鍛造成形力，提高模具的使用壽命。

結(jié)論

⑴坯料尺寸的改變只影響前期鐓粗階段的成形力，而對(duì)終成形所需成形力的影響不大，小直徑坯料在輪輻成形階段可能發(fā)生折疊缺陷，但坯料直徑的增大將導(dǎo)致鐓粗變形程度的降低，因此適合于本款車輪的坯料直徑為φ240～260mm。

⑵坯料初始溫度對(duì)終成形力影響較小，而模具初始溫度對(duì)終成形力影響較大，模具溫度從450℃降低至300℃，終成形力提高約1500t，摩擦條件對(duì)鍛造成形力影響較大，摩擦系數(shù)每增加0.1，鍛造終成形力約增加5%。