一種鋁合金輪轂的閉式鍛造工藝方案

 汽車輕量化實質(zhì)上就是零部件的輕量化。采用鍛造鋁合金輪轂，可以很大程度上減輕車身的自重。比如，一輛拖掛40噸的重卡和半掛車運輸系統(tǒng)，一共有22個輪轂，加上前后備胎共有24個。以目前我們經(jīng)常用的鋼質(zhì)輪轂計算，如果換成鋁合金鍛造輪轂，重量可減輕近600kg。不僅如此，鋁合金材料散熱好，能在一定程度上減緩輪胎橡膠的老化速度，裝上鍛造鋁合金輪轂的卡車、客車、掛車可節(jié)省26%的輪胎消耗。

在美國和加拿大，大量商用車都配裝了鋁合金鍛造輪轂。歐洲、南非、澳大利亞大量采用的也是鋁合金鍛造輪轂。隨著我國汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，加上最近幾年燃油價格的上漲，鋁合金輪轂代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車輪轂成為一種發(fā)展趨勢。

本文通過闡述一種比較實用的鋁合金輪轂閉式鍛造工藝，利用UG三維造型，設(shè)計出鍛件，然后設(shè)計出輪轂閉式工裝模架。隨后再將三維模型導(dǎo)入Deform模擬分析軟件中，進(jìn)行鍛造成形模擬。通過對模擬過程、坯料的位移、材料的填充程度、溫度分布等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步得到鍛造成形的大致過程。

鍛造工藝流程

關(guān)于鋁合金輪轂的生產(chǎn)方法，特別是外徑超過350mm的鋁合金輪轂，目前的生產(chǎn)工藝主要有壓鑄和鍛造旋壓兩種方法。本文著重分析另外一種外徑大于350mm鋁合金輪轂的閉式模鍛工藝及其鍛造模具的設(shè)計方法和鍛造工藝流程。本文按照輪轂鍛件的開發(fā)流程來進(jìn)行設(shè)計，方便讀者理解。

鋁合金輪轂的整個生產(chǎn)工藝流程為：鍛件圖設(shè)計→6082圓棒下料→鍛造用模具設(shè)計→網(wǎng)帶爐加熱→1600t螺旋壓力機(jī)終鍛→有限元數(shù)值模擬→固溶（時效熱處理）→精加工→組裝。其中鍛造工藝流程不包括最后三項。

鍛件圖設(shè)計

鍛件在設(shè)計的時候，外拔模角度大于3°，底部圓角大于R2mm，單邊的余量放大到2mm，如圖1所示。材料為6082T6，經(jīng)過三維計算，鍛件重約17.0kg。

圓棒下料

閉式下料系數(shù)一般為1.05～1.1。所以，下料的重量(W下)=(W重)×(1.05～1.1)=17.86kg。鍛件外徑φ350mm。為了防止坯料在模具中偏心，坯料外徑設(shè)計成φ345mm，計算下料長度約70mm。

鋁合金輪轂的鍛造模具設(shè)計

考慮到材料的利用率問題，首選方案是采用閉式鍛造進(jìn)行。圖2是鍛造模具的組裝圖。上模圈通過裝配方式與上模套進(jìn)行配合。沖頭與上模套進(jìn)行裝配。1、2、3固定在螺旋壓力機(jī)的上模板上，隨著壓力機(jī)滑塊做上下往復(fù)運動。4、5、9采用同樣的方式配合，固定在下模上。為了防止下模鑲塊的轉(zhuǎn)動，采用定位鍵進(jìn)行止動。頂桿采用分體式，螺紋連接。頂出塊的頂出面盡量越大越好，防止鍛件中心被頂穿。



圖1 鍛件圖設(shè)計



圖2 鍛造模具的組裝圖

1-沖頭 2-上模套 3-上模圈 4-下模 5-下模圈 6-定位鍵7-頂出塊 8-頂桿 9-下模鑲塊
上模沖頭為了方便排氣，排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計成側(cè)向排氣。下模設(shè)計余塊，防止有些位置余量不足，加工不出導(dǎo)致報廢。下模鑲塊和下模設(shè)計成分體式，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中后斷裂。設(shè)計成分體式，模具的更換成本小，單件使用損壞，需要更換時方便。

坯料鋸切成片，加熱溫度480～500℃，將坯料放置于終鍛下模型腔中。壓力機(jī)采用1600t電動螺旋壓力機(jī)，或者1600t摩擦壓機(jī)。終鍛兩下或者三下，待尺寸到位后，利用下頂出系統(tǒng)，將鍛件頂出，利用鐵鉗將鍛件取出后，規(guī)范放置于料筐。鍛造模具三維剖視圖如圖3所示。鍛造模具三維圖如圖4所示。

網(wǎng)帶爐加熱

網(wǎng)帶爐設(shè)置溫度480～500℃，保溫時間約2～3h。出爐檢測料溫，待料溫滿足要求后，將料段放置于模具型腔中，進(jìn)行鍛造。

螺旋壓力機(jī)終鍛

將加熱合格的坯料放置于終鍛模具下模型腔中。鍛造模具的運動原理參照第三步鍛模設(shè)計的運動。終鍛工序保證滿足產(chǎn)品設(shè)計圖紙標(biāo)注的尺寸，尺寸合格流轉(zhuǎn)到下一工序。

有限元數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬可以很直觀的觀察材料在模具中的流動變化，產(chǎn)品在模具中的流動方式（圖5），決定了產(chǎn)品的成形結(jié)果。通過分析，可以直觀的觀察填充效果。通過模擬，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在模具中流動很流暢。模擬出來的產(chǎn)品填充很飽滿如圖6(a)所示，沒有出現(xiàn)折疊、疊層等缺陷，滿足設(shè)計要求。鍛件成品造型流暢，無折疊裂紋，溫度均勻，填充飽滿，滿足設(shè)計要求，如圖6(b)所示。



圖3 鍛造模具三維剖視圖



圖4 鍛造模具三維圖



圖5 產(chǎn)品在模具中的流動方式



圖6 合格產(chǎn)品

結(jié)束語

通過對鋁合金鍛件和閉式鍛造用模具的設(shè)計，對鍛件進(jìn)行有限元數(shù)值分析，可以直觀的把理論和實踐相結(jié)合，為以后閉式鍛造提供經(jīng)驗和方法。此鋁合金輪轂?zāi)＜茉谏a(chǎn)使用的過程中非常實用，提升了每班次生產(chǎn)效率，提高了模具的壽命，更換模具更加便捷，節(jié)省了人工換模時間。而且通過連續(xù)生產(chǎn)的驗證，此工藝所生產(chǎn)的產(chǎn)品，穩(wěn)定性大大提升，得到客戶的一致好評。此類的閉式鍛造模具結(jié)構(gòu)稍做更改，也可以應(yīng)用到其他產(chǎn)品中，通用性極強(qiáng)，給使用螺旋壓力機(jī)進(jìn)行閉式鍛造的企業(yè)帶來一定的參考。