熱旋壓變形對鋁合金輪轂鑄坯組織性能的影響及旋壓工藝優(yōu)化（下）

文／宋鴻武，張士宏·中國科學院金屬研究所

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熱旋壓變形對鋁合金輪轂鑄坯組織性能的影響及旋壓工藝優(yōu)化（下）

文／宋鴻武，張士宏·中國科學院金屬研究所

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《熱旋壓變形對鋁合金輪轂鑄坯組織性能的影響及旋壓工藝優(yōu)化》（上）見《鍛造與沖壓》2017年第21期

模擬結(jié)果及分析

⑴旋壓后坯料的成形情況。

三個旋輪先后走完其軌跡后，旋壓初始坯料變形為如圖7所示形狀。從圖中可以看出，輪輞表面光滑，沒有明顯的起皺與材料堆積等缺陷，同時駝峰與內(nèi)輪緣處成形良好，說明所設(shè)計的工藝參數(shù)比較合理。從圖中的應(yīng)變分布還可以看出，坯料表面的應(yīng)變分布不均勻，在駝峰兩側(cè)的應(yīng)變比較大，而駝峰本身應(yīng)變較輪輞上半部分的應(yīng)變較大，這與通過實驗觀測到的坯料變形流線吻合。

⑵坯料開口角的模擬和優(yōu)化。

圖7 旋壓成形輪轂表面的應(yīng)變分布

坯料的開口角是指旋壓初始坯料放到芯模上時輪輞與芯模所成的角度，這個角度的大小對旋壓的最終效果起著關(guān)鍵性作用，所以本文首先對不同開口角的坯料進行旋壓模擬，以便選擇一個較為合適開口角度。圖8給出了開口角為8°，18°，28°時旋壓后的應(yīng)變分布圖，從圖中可以看出在截面內(nèi)的應(yīng)變分布不均勻，皆是坯料外側(cè)（靠近旋輪一側(cè)）的應(yīng)變大于坯料內(nèi)側(cè)的應(yīng)變，而內(nèi)輪緣處的應(yīng)變始終很小，不同的開口角時的應(yīng)變都在0.1以下。同時還發(fā)現(xiàn)當開口角為8°與開口角為28°時所能獲得的最大應(yīng)變在2.2左右，而整個截面的應(yīng)變主要在0.6～0.8之間。當開口角為18°時，所能達到的最大應(yīng)變?yōu)?.08，整個截面的應(yīng)變分布在1.0～1.3之間。將鑄坯進行旋壓變形的目的在于讓坯料獲得大變形以減少鑄造缺陷的不利影響，同時細化組織，提高輪轂的力學性能，所以認為開口角為18°的坯料要優(yōu)于開口角為8°和28°的坯料。

⑶旋輪軌跡模擬和優(yōu)化設(shè)計。

圖8 采用不同開口角的坯料旋壓成形輪轂截面的應(yīng)變分布

從圖8可以看出，即使是優(yōu)化開口角后的坯料，在其旋壓結(jié)束后了內(nèi)輪緣處的應(yīng)變量依然很小，而實際生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)內(nèi)輪緣處的力學性能較輪輞性能差。為了分析內(nèi)輪緣處應(yīng)變量小的原因，特截取了旋壓過程中不同時刻坯料截面應(yīng)變分布圖，如圖9所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，位置A最終發(fā)展為了內(nèi)輪緣，因此分析A處的變形歷史就可知道內(nèi)輪緣形變量很小的原因。當t＜26s時，位置A處始終不能貼模，所以不會有較大的變形量。當t＞26s后，位置A處貼模，但是這時主要成形駝峰，也不會有較大的變形量。當t＜26s時，位置A處始終不能貼模的原因是：當1#旋輪還沒有將坯料完全壓貼模，2#旋輪已經(jīng)開始壓下坯料(當t=8s)，此時主要由2#旋輪推著坯料往下流動，A處不能貼模；同樣，2#旋輪還沒將坯料完全壓貼模，3#旋輪開始推著坯料往下流動，A處還是不能貼模。

為了改善內(nèi)輪緣處的應(yīng)變狀況以提高相關(guān)力學性能，可以將三個旋輪依次壓下，即1#輪按其軌跡走完后上2#輪，然后再上3#輪。但是這樣既降低了生產(chǎn)效率，而且也使變形時的坯料不穩(wěn)定（此時坯料只在一個旋輪方向受力，不如三個旋輪同時作用時穩(wěn)定），所以本文通過改變1#與2#旋輪的軌跡來改善內(nèi)輪緣處的應(yīng)變狀況。

圖10給出了不同旋輪軌跡示意圖以及對應(yīng)的截面應(yīng)變分布圖，其中圖10(a)為旋輪原始軌跡示意圖，圖10(b)為增加1#與2#旋輪壓下量時的軌跡示意圖，而圖10(c)為增加1#與2#旋輪壓下量的同時調(diào)整軌跡相對于芯模的斜率的軌跡示意圖。從圖10中可以看出，隨著1#與2#旋輪壓下量的增加以及斜率的改變，內(nèi)輪緣處的應(yīng)變有一定的提高，可以從原來的0.08提升到0.24左右。根據(jù)前面的研究結(jié)果，變形量超過30%時才有明顯效果，所以本文對內(nèi)輪緣處應(yīng)變狀況的優(yōu)化是比較有效的。

結(jié)束語

目前采用低壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)的輪轂產(chǎn)品無法滿足大尺寸、高負荷以及高端產(chǎn)品市場的需求，而鋁合金輪轂旋壓成形具有不受尺寸制約、產(chǎn)品美觀、性能良好、安全性高、節(jié)省材料等優(yōu)點，是新穎的成形技術(shù)并且發(fā)展勢頭良好。

圖9 不同旋壓時刻的截面應(yīng)變分布

圖10 旋輪軌跡的調(diào)整示意圖以及對應(yīng)的截面應(yīng)變分布

在輪轂輕量化趨勢的要求下，鑄旋加工成為一種非常有效并且經(jīng)濟適用的輪轂加工方法，具有更強的競爭力，更廣闊的市場前景，是未來鋁合金輪轂工藝發(fā)展的主要方向之一。目前針對鑄造鋁合金的熱旋壓技術(shù)開展的研究，特別是在鑄造鋁合金的熱旋壓變形性能、熱旋壓時金屬的變形機理和流動行為，以及熱旋工藝數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化等方面的研究可為減少旋壓缺陷、提高旋壓成形質(zhì)量提供依據(jù)。