H型铝合金车轮旋压过程模拟

文／李建，孙惠学·秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司王世洲·燕山大学

H型铝合金车轮旋压过程模拟

文／李建，孙惠学·秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司王世洲·燕山大学

针对某款H型铝合金车轮，利用有限元软件对车轮轮辋强力旋压过程进行模拟，得到了旋压过程坯料的流动充型情况，并考察了旋轮错距对旋压成形的影响，得出: H型车轮旋压过程中如果错距过大则坯料容易堆积，减小错距可以减少旋轮之间的坯料堆积，有利于坯料流动，本研究为铝合金H型车轮旋压提供了工艺参数参考。

近年来人们对车辆的节能减排越来越重视，因此重量轻的铝合金车轮逐渐替代钢车轮应用在各种车辆上，商用车车轮由于与地面接触面积大，摩擦产生大量的热，容易发生爆胎和刹车失灵等事故，铝合金的传热系数是钢的3倍，可以快速散热，而且铝合金车轮还具有良好的附着性和缓冲性能等特点，在大型车市场具有广阔的前景，吸引着越来越多的轮毂厂家投入生产和研发。

随着车轮轮辋旋压技术迅速发展，旋压技术制造的车轮以其重量轻、强度高、造型美观越来越受到各个制造厂家及车主的青睐，轮辋部位经过强力旋压后，晶粒得到细化，力学性能得到进一步提高，车辆的使用安全性能进一步得到了保障。

旋压工艺介绍

H型车轮的生产流程如图1所示，从图中可以看出6061铝合金棒料经过锻造及扩口冲孔工序后即可进入旋压，旋压采用热旋压，旋压后的毛坯再经过热处理、机加工等工序完成整个生产过程。

图1 铝合金H型车轮成形工艺路线

旋压过程有限元模拟

以一款20寸的H型车轮为例对其强力旋压成形过程进行有限元模拟，考察坯料在旋压过程中的流动填充情况，以及旋压错距对轮辋部位坯料流动的影响，为H型车轮强力旋压工艺的制定提供可靠依据。

旋压模型建立

该款H型铝合金车轮尺寸为20英寸，轮宽为14英寸，材料为6061铝合金，模拟过程中采用双旋轮对坯料进行旋压，在旋压过程中上模及下模是将轮辐部位紧紧压住的，只有轮辋部分参与旋压变形，为了提高计算效率，将旋压模型进行必要简化，进而提高计算分析效率，简化后的模型如图2所示。

旋压模拟参数

旋压模型如图3所示，模拟分析过程中将上模、下模和定位块设置为主动，坯料和旋轮设置为从动，主轴转速300r/min，摩擦系数0.1。旋轮及模具温度设置为250℃，坯料温度为350℃，坯料网格数量划分为18000个。

旋压过程中旋轮运动为轴向和径向的复合运动，运动轨迹为一条曲线。以成品轮的轮辋外侧型线为基础，分别绘制旋轮1和旋轮2的轨迹，将轨迹的坐标点输入软件的运动控制中，以此得到分析过程中旋轮的运动轨迹。

图2 简化后的H型车轮旋压模具1-旋轮2 2-上模 3-旋轮1 4-下模 5坯料

图3 旋压简化模型

图4 旋压成形过程

旋压模拟结果

计算得到的H型车轮旋压过程如图4所示。

图4a为上侧始旋阶段，旋轮沿Z向及X向进给，旋轮1与坯料的接触面积不断变大，旋轮2也开始对轮坯进行旋压；图4b为稳旋阶段，成形轮辋直筒部位，此阶段坯料变形量较为均匀，在旋轮的作用下坯料逐渐贴靠上模；图4c为终旋阶段，轮辋上侧及内轮缘部位旋压完毕，整个轮辋上部分旋压结束；图4d为下侧始旋阶段，随着旋轮沿Z向及X向的进给，旋轮1与坯料接触面积不断变大，旋轮2也开始对轮坯进行旋压；图4e为稳旋阶段，主要成形轮辋直筒部位，此阶段坯料变形较为均匀，在旋轮压力下坯料逐渐贴靠下模；图4f为终旋阶段，轮辋下侧及内轮缘部位旋压完毕，整个车轮下侧旋压过程结束，从模拟中可以看出整个旋压过程坯料成形较为平稳，未出现折叠缺陷。

旋轮形状及旋轮错距对轮辋成形的影响分析

错距旋压是将多个旋轮在轴向互相错开，而在径向又依次使毛坯减薄的一种旋压方式。从而增加了对变形区的约束，使工件的直径精度也得到了改善。由于上侧的旋轮轨迹长度较长，且直线部分较多、斜度较小如图5所示，因此在轮辋旋压过程中容易产生坯料的堆积和翻料。所以旋轮错距的选择对上侧的轮辋成形有非常重要的影响。

图5 旋轮2上侧轨迹

模拟中上侧始旋阶段坯料刚开始沿Z轴向上运动，坯料堆积较少，在上侧稳旋阶段由于轨迹长且斜度较小容易堆积坯料。分别对旋轮错距为30mm和50mm两种情况进行模拟，考察错距大小对坯料成形的影响。

从图6中可以得出，H型轮辋长度较长且斜度较小，旋压过程中，当旋轮错距为50mm时，旋轮1和旋轮2的距离较大，旋轮旋压时在直线阶段容易造成坯料的堆积和翻料。当旋轮错距为30mm时，旋轮1和旋轮2的距离较小，因此旋轮1旋压时能压住旋轮2旋压后的坯料，使坯料往旋轮1上侧的方向堆积，旋轮2上侧没有坯料堆积，成形良好。

图6 不同错距对坯料成形的影响

结论

⑴利用数值模拟技术，可以得到按照各种工艺参数下轮坯的成形填充情况，有利于观测坯料的成形缺陷，为车轮开发和设计提供可靠依据。

⑵旋轮之间的错距过大时坯料容易堆积翻料，减小错距有利于减少坯料堆积。