铝合金轮毂旋压成形技术

文／张建良，邱立宝，刘杰·保定立中车轮制造有限公司 宋鸿武，张士宏·中国科学院金属研究所

铝合金轮毂旋压成形技术

文／张建良，邱立宝，刘杰·保定立中车轮制造有限公司 宋鸿武，张士宏·中国科学院金属研究所

20世纪末，安全和环保法规日趋严格，现代汽车减重节能的要求不断高涨。有研究数字显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。因此，车身减重对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性，以及碰撞安全性都大有裨益，汽车轻量化已成为汽车产业发展中的一项关键性的研究课题。随着原料成本的降低、成形技术的进步、防腐工艺的提高，轻合金轮毂在汽车轻量化进程扮演越来越重的角色。

概述

技术发展背景

旋压是制造汽车轮毂的一种先进成形技术，旋压成形的轮毂可以保持金属的致密度和整个轮毂的动平衡，轮毂在具有足够刚度的同时，能大大减少材料的厚度，使轮毂变得更轻、更耐用。与普通低压铸造的铝合金轮毂相比，同尺寸的轮毂重量可减小15%。为了适应汽车不断加严的要求，铝合金轮毂已经全面向大直径、轻量化、高强度等方向发展。

铸旋工艺流程及其在轮毂轻量化上的优势

铸旋工艺制造铝轮毂的具体工艺流程，如图1所示。该工艺将低压铸造、旋压成形紧密结合于同一热加工过程中，不仅综合低压铸造和旋压成形各自的优势，而且可以获得一加一大于二的效果。与低压铸造相比，铸旋新工艺的最大优势是可进一步实现轮毂的轻量化，其中铸旋车轮和低压铸造车轮的轮辋厚度比较，如图2所示，力学性能指标对比，如表1所示。相同规格的车轮，采用铸旋工艺生产可减重5%～15%，实现了产品的高强度、轻量化要求，具有更好的竞争力。

图1 铝合金轮毂铸旋技术的主要工艺流程

图2 铸旋轮毂和低压铸造轮毂的轮辋壁厚比较

表1 铸旋轮毂和低压铸造轮毂轮辋处的力学性能指标

工艺研究

工艺原理

铝合金轮毂铸旋新技术的核心为铸坯轮辋的热旋压工艺，其工艺原理，如图3所示，是用旋轮将回转体铸坯进行局部连续旋转压缩以成形其内外截面形状的成形方法，该过程综合了普旋和强旋，在旋压过程中，只有轮辋部分发生变形，轮辐与外轮缘在旋压时起固定作用，将毛坯同心地适当装夹在合适的芯模上，当主轴带动毛坯旋转后，数控系统根据预先编制的程序自动控制各旋轮运动轨迹，按规定的形状轨迹作运动，挤压毛坯，逐步地使毛坯紧贴模具型面，从而得到要求截面尺寸的工件。

图3 轮毂铸坯热旋压工艺原理图

A356铝合金的可旋性

（1）旋压温度的选择。A356合金属于铸造铝合金，其室温塑性较差，需热态下成形，因此旋压温度的选择对其成形性和轮毂成形质量有很大影响。采用高温拉伸实验测定合金在不同温度下的力学性能，如图4所示，可以看出随着温度升高，合金的强度下降，塑性提高，特别是在350℃时，其塑性随温度的升高急剧增加，而强度也快速降低，因此旋压温度一般选择在350℃以上，同时若温度过高，则金属强度太低，也容易引起轮辐处变形且旋压时的金属流动不容易控制，因此旋压成形温度一般控制在350～400℃之间。

图4 A356合金不同温度下的拉伸性能

（2）铝合金轮毂铸坯热旋压主要缺陷。轮毂铸坯热旋压是一个集材料塑性变形和数控加工的复杂过程，缺陷多由温度过低或材料的堆积、隆起所引起。温度过低，材料塑性较差，而隆起过大，就会引起旋压力的明显增加，从而导致开裂、起皱、环状波纹、表面粗糙、尺寸精度恶化等缺陷，如图5所示。在加工的过程中，坯料的受力状态会导致材料的隆起（见图6），旋轮进给率、壁厚减薄率、旋轮成形角越大，则隆起增大，如果有些材料隆起，但是并不继续发展，而保持一定的高度，直到旋压终了(稳定变形)，则是可以的。反之，如果材料隆起，并在旋压过程中不断增高(非稳定变形阶段)，造成金属的不稳定流动，一般会产生表面缺陷，工件破裂直至旋压过程的中断。

工艺优化

图5 容易产生的旋压缺陷

图6 旋压过程中坯料的受力状态

铝合金轮毂铸坯的热旋压成形是个集几何、物理和边界条件的三重非线性为一体的复杂变形过程。影响铝合金轮毂铸坯热旋压成形的工艺参数很多，如材料性能、旋轮形状及加工方法等，如果单纯依靠试验的方法来研究轮毂的铸旋工艺，就可能造成耗资大、研究周期长、试验过程中的随机干扰因素多等缺点。如果只采用理论解析的方法，却又常常很难快速、准确地解决生产中出现的各种问题。而数值模拟技术的广泛应用，为旋压工艺的制定和优化提供了先进的分析方法。

有限元模型建立

（1）几何模型建立。实际旋压初始坯料的轮辐和外轮缘表面比较复杂，不利于有限元网格的划分和计算求解，所以将这些复杂的空间曲面简化为简单的平面和球面，最终建立的旋压初始坯料如图7a所示。而芯模，顶模以及旋轮皆按照实际形状绘制，建立好的旋压装配图，如图7b所示。

图7 有限元模型中的坯料与旋压装配图

（2）材料模型建立。由于旋压为一种逐点、高速成形工艺，其应变速率较高，本文中轮毂旋压过程的等效应变速率通过计算可得，三道次的有效应变速率分别约为40.5/s、18.9/s、16.8/s。而目前关于铸造铝合金A356的热塑性变形行为研究较少，特别是缺乏高应变速率下热变形行为方面的研究，因此采用热压缩试验测定了温度范围为300～450℃、应变速率范围为0.1/s～50/s的真实应力应变曲线。

（3）有限元模型的其他处理。根据实测结果，坯料温度在整个变形过程变化不大，因此将变形假设为等温过程（坯料温度320℃）。在实际旋压过程中，芯模自转带动坯料做高速旋转，但这样不便于计算，本文的有限元模型中芯模以及坯料不旋转，靠旋轮绕坯料芯轴的高速公转来实现旋压，同时旋轮也会在摩擦力的作用下绕自己的芯轴自转，这样并不改变金属的受力状态和变形规律。另外划分网格时，对于要经历大变形的轮辋处的网格则划分比较细小，而对于不参与大变形的轮辐以及外轮缘的网格划分比较粗，减少网格的总数量，以便减少计算时间。

模拟结果及分析

（1）旋压后坯料的成形情况。三个旋轮先后走完其轨迹后，旋压初始坯料变形表面，如图8a所示，从图中可以看出，轮辋表面光滑，没有明显的起皱与材料堆积等缺陷，同时驼峰与内轮缘处成形良好，说明所设计的工艺参数比较合理。从图8a、b中的应变分布还可以看出，坯料表面的应变分布不均匀，在驼峰两侧的应变比较大，而驼峰本身应变较轮辋上半部分的应变较大，这与通过实验观测到的坯料变形流线吻合。

（2）坯料开口角的模拟和优化。坯料的开口角是指旋压初始坯料放到芯模上时轮辋与芯模所成的角度(见图3)，这个角度的大小对旋压的最终效果起着关键性作用，所以本文首先对不同开口角的坯料进行旋压模拟，以便选择一个较为合适开口角度。图9给出了开口角为8°、18°、28°时旋压后的应变分布图，从图中可以看出在截面内的应变分布不均匀，皆是坯料外侧（靠近旋轮一侧）的应变大于坯料内侧的应变，而内轮缘处的应变始终很小，不同的开口角时的应变都在0.1以下。同时还发现当开口角为8°与开口角为28°时所能获得的最大应变在2.2左右，而整个截面的应变主要在0.6～0.8之间。当开口角为18°时，所能达到的最大应变为5.08，整个截面的应变分布在1.0～1.3之间。将铸坯进行旋压变形的目的在于让坯料获得大变形以减少铸造缺陷的不利影响，同时细化组织，提高轮毂的力学性能，所以认为开口角为18°的坯料要优于开口角为8°和28°的坯料。

图8 旋压成形轮毂表面的应变分布

图9 采用不同开口角的坯料旋压成形轮毂截面的应变分布

（3）旋轮轨迹模拟和优化设计。如图9所示，即使是优化开口角后的坯料，在其旋压结束后内轮缘处的应变量依然很小，而实际生产中也发现内轮缘处的力学性能较轮辋差。为了分析内轮缘处应变量小的原因，特截取了旋压过程中不同时刻坯料截面应变分布图，如图10所示。从图中可以发现，位置A最终发展为了内轮缘，因此分析A处的变形历史就可知道内轮缘形变量很小的原因。当t＜26s时，位置A处始终不能贴模，所以不会有较大的变形量。当t＞26s后，位置A处贴模，但是这时主要成形驼峰，也不会有较大的变形量。当t＜26s时，位置A处始终不能贴模的原因是：当1#旋轮还没有将坯料完全压贴模，2#旋轮已经开始压下坯料(当t=8s)，此时主要由2#旋轮推着坯料往下流动，A处不能贴模；同样，2#旋轮还没将坯料完全压贴模，3#旋轮开始推着坯料往下流动，A处还是不能贴模。

为了改善内轮缘处的应变状况以提高相关力学性能，可以将三个旋轮一次压下，即1#轮按其轨迹走完后上2#轮，然后再上3#轮。但是这样则降低了生产效率，而且也增加了变形时坯料的不稳定性（坯料只在一个旋轮方向受力不如三个旋轮同时作用时稳定），所以本文通过改变1#与2#旋轮的轨迹来改善内轮缘处的应变状况。

图10 旋压时不同时刻的截面应变分布

图11 旋轮轨迹的调整示意图以及对应的截面应变分布

从图11d～e中可以看出，随着1#与2#旋轮压下量的增加以及斜率的改变，内轮缘处的应变有一定的提高，可以从原来的0.08提升到0.24左右。根据文献的研究结果，应变达到10%以上，即可有效消除铸造缺陷，所以本文对内轮缘处应变状况的优化是比较有效的。

结束语

在轮毂轻量化趋势的要求下，铸旋加工成为一种非常有效并且经济适用的轮毂加工方法，具有更强的竞争力，更广阔的市场前景，是未来铝合金轮毂工艺发展的主要方向之一。