H型铝合金车轮旋压过程模拟

2017-07-31 10:32:37 admin 12

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。

H型铝合金车轮旋压过程模拟

  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。

H型铝合金车轮旋压过程模拟

  1-旋轮2;2-上模;3-旋轮1;4-下模;5坯料;

  图2 简化后的H型车轮旋压模具

  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。

H型铝合金车轮旋压过程模拟

  图3 旋压简化模型

  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。

  旋压模拟结果

  计算得到的H型车轮旋压过程如图4所示

H型铝合金车轮旋压过程模拟

  图4 旋压成形过程

  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4f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4e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。

H型铝合金车轮旋压过程模拟

  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。

H型铝合金车轮旋压过程模拟

  图6 不同错距对坯料成形的影响

  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。

  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。(李建)

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