（材料加工工程专业论文）轿车铝合金轮毂锻造成形新工艺技术研究.pdf

摘要 摘要 随着汽车工业对高质量铝合金轮毅的需求日益增加，锻造铝合金轮毅 以其优良的品质和独特的性能受到市场的青睐，但是铝合金轮毂锻造成形 工艺复杂、价格昂贵。如何采用高效、经济的方法生产出优质、低成本的 锻造铝合金轮毂，已成为生产中急需解决的问题。因此，传统的锻造成形 工艺需要不断改进。 本文以复杂零件精密成形的思想为指导，根据开式模锻和闭式模锻成 形理论，结合铝合金锻造技术，针对轿车轮毂零件的自身特点，制定出轿 车铝合金轮毂锻造成形新工艺，即采用半闭式预锻和开式终锻相结合的锻 造成形工艺，以达到提高铝合金轮毂的性能和降低生产成本的目的。本文 在三维造型软件u n i g r a p h i c s ( u g ) 的c a d 平台下进行轮毂的模锻工艺与模 具设计中相关问题的c a d 参数化三维实体造型。根据刚塑性有限元法基本 原理，利用有限元数值模仿真软件d e f o r m 3 d ，分别对预锻和终锻工序 进行了三维热力耦合有限元分析，获得了成形过程中金属的流动规律，应 力、应变、速度和温度场的分布情况以及行程载荷曲线；并且针对预 锻工序，研究了主要成形参数对金属流动和成形力的影响，并以此为根据 对成形参数进行了优化。 。 本文研究确定的铝合金轮毂锻造成形新工艺为实际生产提供了理论依 据和工艺参数，为轿车锻造铝合金轮毂的优质、低成本生产提供了一条行 之有效的途径，为类似复杂零件的精密成形提供了借鉴。其结果对铝合金 轮毂锻件的生产实验具有指导作用。 关键词轮毅；铝合金；锻造；数值模拟；新工艺 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec a l i n d u s t yr e q u i r ef i n eq u a l i t ya l u m i n i u ma l l o yw h e l l i n c r e a s i n g l y ，d u e t oe x c e l l e n t q u a l i t y a n d u n i q u ep e r f o r m a n c e o f f b r g e d a l u m i n i u ma l l o yw h e e l ，n o wi ti sm o r ea n dm o r ep o p u l a r b u tt h em a n n e ro f f o r g i n gi sc o m p l e xa n dt h ef o r g e da l u m i n i u ma l l o yw h e l li sv e r ye x p e n s i v e i ti s u r g e n tn e e dt os o l v et h ep r o b l e mo fh o wt op r o d u c ea l u m i n i u ma l l o yw h e e l e f f i c i e n t l ya n de c o n o m i c a l l y t h e r e f o r e , t h et r a d i t i o n a lo ff o r g i n gt e c h n i q u en e e d t oi m p r o v e do nu n i n t e r r u p t e d w i t ht h eg u i d a n c eo fp r e c i s i o nf o r m i n go fc o m p l e xc o m p o n e n t s , b a s e do n t h e f o r g i n gt h e o r y o f o p e n e d d i e a n dc l o s e d - d i e f o r g i n g ，c o m b i n i n g t h e t e c h n i q u eo fa l a u m i n i u ma l l o yf o r g i n ga n dc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a r w h e e l , t h en e wf o r g i n gt e c h n o l o g yo fa l u n i n i u ma l l o yw h e e li sp l a n n e d i ti s a d o p th a l fc l o s e d d i ef o r g i n gf o rt h ep r e f o r g i n ga n do p e n e d d i ef o r g i n gf o rt h e f i n i s h - f o r g i n g i ti sa i m e dt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c ea n dr e d u c et h ec o s to f m a n u f a c e u r eo fa l a u m i n i u ma l l o yw h e e l b yt h eu s eo ft h ec a ds y s t e mi n u n i g r a p h i c e ( u g ) ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fd i eo fw h e e lc a nb es e tu p p a r a m e t r i c a l l y a c c o r d i n gt h er i g i d p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，u s i n gt h ef i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t - - d e f o r m 一3 d ，s i m u l a t et h e f o r m i n g p r o c e s s e so fw h e e lf o r g ep i e c e , b r i n gf o r e w o r di n f l u e n c e w h e e l s h a p e s p r o c e s s e sp a r a m e n t e r s ot h e r u l eo fm e t a lf l o wa n dt h ed i s t r i b u t i o n so f s t e s s ，s t r a i n ，v e l o c i t y a n dt e m p e r a t u r ef i e l dc a nb eo b t a i n e d ，a sw e l la st h e s t r o k e l o a dc h i v e f o c u s i n go nt h ep r e f o r g i n g ，t h ei n f l u e n c eo ft h em a i nf o r m i n g p a r a m e n t e r so um e t a lf l o wa n df o r m i n gl o a d ，a n dt h ei n f l u e n c e o ff o r m i n g v e l o c i t yo nd i et e m p e r a t u r ef i e l da r es t u d i e d o nt h eb a s i so ft h ea b o v e ，t h e f o r m i n gp a r a m e n t sa r eo p t i m i z e d t h ef o r g e d f o r m i n gt e c h n o l o g yo fa l u m i n i u ma l l o yw h e e lw h i c ht h i sp a g e c o n f i r m so f f e r st h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o r p r a c t i c a l i i a b s t r a e t p r o d u c t i o n ，a n dm a k e s i tp o s s i b l yp r o d u c eh i g h - q u a l i t ya n dl o wp r i c e i ta l s op r o v i d e se x p e r i e n c ef o rt h ep r e c i s i o nf o r m i n go ft h es i m i l a rc o m p l e x p a r t s t h er e s u l tp l a y sg u i d a n c eo nt h ep r o d u c t i o no fa l u m i n i u ma l l o yw h e e l f o r g ep i e c e k e y w o r d sw h e e l ；a l u m i n i u ma l l o y ；d i ef o r g i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；n 色w t e e h n i c s i n 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文轿车铝合金轮毂锻造成 形新工艺技术研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签字 荔勿 日期。印年负严 燕山大学硕士学位论文使用授权书 轿车铝合金轮毂锻造成形新工艺技术研究系本人在燕山大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕 山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者躲铷易 军拳 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的工程背景 随着汽车工业的迅速发展和国内外汽车企业间竞争的日益激烈，对模 锻件质量的提高及成本的降低的要求越来越高。当前生产的发展，除了要 求锻件具有较高的精度外，更迫切地是要解决复杂形状零件的成形问题， 同时还要不断提高锻件的质量、减少能源和原材料的消耗、提高模具寿命， 促使降低锻件成本、提高产品的竞争力【l 训。 随着汽车制造商对降低成本的迫切需求，节约材料和能源，降低生产 成本，提高生产率，这些要求随着汽车( 特别是轿车) 生产的大规模化而变得 越来越重要。由于轿车工业高投入、大批量和高技术含量的要求，其零部 件结构复杂且精度高，使得采用传统的加工方法所引起的耗工、费时、费 料己不能适应现代企业发展的需要。 轿车产量的迅猛增长，车轮生产行业问的竞争也会愈加激烈。因此对 汽车零部件的质量要求也必将会越来越高【5 】，对锻造行业的装备和工艺技 术水平提出了更高的要求，突出的问题表现在合理的选择变形方式、提高 材料利用率和锻件的尺寸精度、降低能耗和提高生产率【6 】。 铝合金轮毂是钢质轮毂的换代产品，它具有质量轻、导热快、美观华 贵、节能安全等优点，目前国内外已广泛将其应用于轿车及其它轻型客车 上。随着我国汽车工业的快速发展以及国外配件需求量的增加，预计在今 后的一段时期内汽车铝轮毂的产量会有较大的增加，同时对汽车铝轮毂质 量的要求也将更为严格为此，学习和研究铝合金轮毂成形的先进工艺和 技术，提高我国汽车铝合金轮毂的生产水平和推动金属成形技术的进步， 是国内汽车界科技工作者共同努力的目标。 当前，我国的汽车工业，尤其是轿车制造业正处在发展时期，此时研 究轿车锻造铝合金轮毅生产的工艺技术问题就十分必要，从而提高我国的 轿车铝合金轮毂的性能和降低生产成本进而提高我国轿车行业在市场上 的竞争力。一 燕山大学工学硕士学位论文 各种高新技术的不断发展和应用，使传统塑性加工技术得以不断发展、 升级和提高。为了降低铝合金轮毂的生产成本和提高其力学性能，本文在 开式模锻和闭式模锻的理论基础上，针对轿车铝合金轮毂自身的特点，提 出采用热模锻液压机生产铝合金轮毂的成形新工艺，即半闭式预锻开 式终锻模锻新工艺。 在此工艺的基础上，利用数值模拟技术对轮毂成形过程的力能参数进 行了较为深入的研究，对成形过程的温度场、应力场和应变场进行模拟分 析，探索此工艺的普遍规律，确定合理的成形工艺参数，为其在实际生产 中的使用提供理论依据，提高我国轿车铝合金轮毂的生产水平。同时也为 类似的复杂锻件的实际生产提供了借鉴。 1 2 国内外铝合金轮毂生产现状 国外在2 0 世纪2 0 年代就开始使用铝合金轮毂r 卜m l ，1 9 2 3 年，普佳奇 公司制造的赛车就装用了砂模铸造的铝车轮。此后，德国奔驰公司用3 年 时间，开发出采用铆接铝轮辋的轮辐式铝车轮，轮辋是挤压成型的，这种 铝车轮也只用于赛车。 第二次世界大战后，铝合金车轮用于普通汽车1 9 5 8 年，有了整体铸 造的铝车轮，不久以后有了锻造铝车轮，1 9 7 9 年美国把铝带成形车轮作为 标准车轮。1 9 8 0 年，阿卢马克斯工程金属工艺公司( a e n i f ) 与索帕里奥 ( s u p e r i o r ) - l - 业公司合资在阿肯色州菲耶特维尔市建设的全球第一个半固态 模锻( s s f ) 铝合金车轮厂投产，使铝合金车轮生产进入了一个新阶段。1 9 8 1 年，美国凯泽铝及化学公司用挤压方法首次生产铝合金轿车整体车轮，直 径为4 5 7 2 毫米，用于装备8 0 年代中期前轮驱动的小型汽车【l ”。日本是近 年来铝制车轮发展最快的国家。1 9 7 3 年，日本成立了“轻金属车轮委员会” 同年就开始成批生产轿车铝车轮。1 9 7 7 年又开始生产铝制载货车与大客车 车轮。1 9 7 9 年开始成批生产铝制摩托车轮，产量增长亦非常迅速【12 1 。 根据美国凯撒工程公司的资料，2 0 0 0 年世界铝合金轿车轮毅需求量已 达1 1 亿只【1 3 1 。锻造铝合金轮毂在北美的主要竞争者只有少数几家，这就给 新手提供了进入这个市场的契机。另一方面，在锻造铝合金轮毅的使用上， 2 第l 章绪论+ 重型卡车的市场会远远超过轿车与轻型卡车的市场。在中国国内的重型卡 车的铝轮毂市场还在起步阶段，这应该是锻造铝合金轮毂在国内拓宽市场 的好机会。在国外，锻造铝合金轮毂凭借其密度均匀、表面平滑、圈壁薄、 质量轻，而且可承受较大的压力等优点被高档轿车所采用 近1 0 年来，液态锻造，半固态锻造在国外已是成熟技术，半固态成形 技术在国外获得了广泛的应用。已逐步成为各先进工业国家竞相发展的一 个新领域，被专家学者称为2 1 世纪新一代新兴的金属成形技术。预计在相 当长的一段时期内，半固态成形的主要市场是汽车工业，应用最成功和最 广泛的是汽车铝合金零件。美国已建成数家铝合金半固态模锻工厂，其中 美国的a e m p ( a l u m a xe n g i n e e r e dm e t a lp r o c e s s ) 公司与s u p e r i o r 工业公司合 作于1 9 9 2 年在阿肯色州建成了全球首家半固态模锻铝合金汽车轮毂厂。用 半固态模锻代替低压铸造生产z l l 0 1 铝合金轮毂，不仅能减少机械加工量 和提高生产率，而且还可以提高机械性能，减轻质量。 我国铝合金轮毂制造业起源于2 0 世纪8 0 年代末期，1 9 8 7 年，我国首 家汽车铝合金轮毂厂秦皇岛市戴卡铝轮毂有限公司投产以来，同时进 入这一行业的还有广东南海盐步经济发展总公司投资兴建的广东中南铝合 金轮毂厂。1 9 9 1 年云南省轻型汽车集团公司和香港百昌荣公司合资兴建的 云达利铝合金制品有限公司也生产汽车铝轮毂，三家在初期发展上各有千 秋。到了2 0 世纪9 0 年代中期( 1 9 9 3 1 9 9 7 年) ，中国汽车工业开始进入发展 期，随着汽车制造业的发展，在汽车轮毂高额利润的驱使下，国内出现了 兴建汽车铝轮毂厂的投资高潮，许多汽车铝轮毂厂应运而生。 进入2 1 世纪，我国车轮生产继续保持高速增长，铝合金车轮出口增速 加快。据统计，我国车轮产量从1 9 9 9 年的1 2 0 0 万件增长到2 0 0 4 年的5 5 0 0 万件，铝合金车轮出口数量由1 9 9 9 年的1 0 0 余万件增长到2 0 0 4 年的1 2 0 0 余万件随着轿车工业的加速发展以及汽车铝化的发展趋势，铝合金轮毅 适用范围不断扩大，目前的铝合金轮毂生产能力远远不能满足需求根据 近年我国轿车工业及铝轮毂产业发展状况推测，2 0 0 4 2 0 1 0 年铝轮毂年均增 长率达到2 0 ，零售市场2 0 0 4 年至2 0 1 0 年年均增长率达到5 ，出口市场 年均增长率达1 5 ，以此计算，2 0 1 0 年汽车铝轮毂的国内总需求量在3 8 0 0 3 燕山大学工学硕士学位论文 万只左右。 1 3 国内外铝合金轮毂的制造工艺 轿车铝合金轮毂的成形方法主要可分为铸造法和锻造法【1 4 】。目前，国 外对大型铝轮毂的生产基本采用锻造旋压工艺，该工艺生产的铝轮毂 在大型车辆及载重车上的装车率相对较高，经过锻造、旋压的铝轮毂更以 其质量轻、组织细密、流线分布合理、强度高、抗腐蚀性好、外形美观等 诸多优点。弥补了钢制及铸造铝轮毂所带来的不足，受到各生产厂家和消 费者的关注，装车率逐年提高【1 5 l 。 我国铝合金轮毂生产主要采用低压铸造工艺，其次是金属型重力铸造， 也有少数厂家采用了挤压铸造工艺及锻造工艺。 1 3 1 铸造成形工艺 轿车铝合金轮毅目前多用铸造工艺。由于铸造法生产铝合金轮毂具有 适应性强、花色品种多样、生产成本较低等优点，因此其仍是生产铝合金 轮毂最普遍的方法【1 6 1 。铸造法轮毅成形主要可以分以下几类： ， ( 1 ) 金属型重力铸造法金属型重力铸造是指在常压下，液体金属靠重 力作用充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法。该法工序简单，生产效 率高，设备投资少，生产成本较低，适用于中小规模生产。但此方法生产 的铝轮毂内部质量较差国外铝轮毂生产此工艺已趋于淘汰，但国内有一 些厂家仍在采用此工型1 ”。 ( 2 ) 金属型低压铸造法低压铸造是生产铝轮毂的最基本方法，也比较 经济。低压铸造就是把熔化的金属浇铸在模子里成型并硬化。金属低压铸 造是用干燥、洁净的压缩空气将保温炉中的铝液自下而上通过升液管和浇 注系统平稳地上压到铸造机模具型腔中，保持一定压力( 一般为2 0 6 0 k p a ) 直到铸件凝固后释放压力。因在压力下充型和凝固，所以充填性好，铸件 缩松少，致密性高。目前低压铸造已成为铝轮毂生产的首选工艺，国内的 铝合金轮毂制造企业多数也采用此工艺生产。低压铸造法的缺点是铸造时 间较长，加铝料、换模具费时间，设备投资大，低压铸造机使用的升液管 4 第1 章绪论 成本较高而且易损坏【1 1 1 。 ， ( 3 ) 压力铸造法压力铸造的实质是使液态金属在高压作用下以极高的 速度充填型腔，并在压力作用下凝固而获得铸件的一种方法。采用压铸工 艺生产的铸件组织致密，机械性能好，强度和表面硬度较高，铸件的尺寸 精确、。表面光洁。但传统压铸工艺生产的铝轮毂最大的缺点是不能通过热 处理来进一步提高性能，由于液体金属充型速度极快，型腔中的气体很难 完全排除，常以气孔形式存留在铸件中，这些铸件孔隙中的气体在热处理 过程中会发生膨胀，使得铸件“起泡”。为使压铸件也能适用于汽车保安 件，近年来出现了一些无气孔压铸新工艺，最有代表的是充氧压铸法。充 氧压铸法是使压室和压型腔内的金属液相问的空间充氧置换，并在高速高 压下进行压铸，当液体金属充填时，一方面通过排气槽排出氧气，另一方 面喷散的铝液与未排出的氧气发生反应，形成氧化铝小微粒，分散在铸件 内部，使铸件内不产生气孔阱电3 1 。 “) 挤压铸造法挤压铸造也称为液态模锻，是一种集铸造和锻造特点 于一体的新工艺，该工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型腔 内，通过冲头以一定的压力作用于液体金属上，使之充填、成形和结晶凝 固，并在结晶过程中产生一定量的塑性变形。挤压铸造充型平稳，没有湍 流和不包卷气体，金属直接在压力下结晶凝固，所以铸件不会产生气孔、 缩孔和缩松等铸造缺陷，且组织致密、晶粒细化，机械性能比低压铸造件 高。挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件，汽车铝轮毅是一 种要求较高的保安件，金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造工艺生产的 产品虽能满足使用要求，但整体质量比挤压铸造铝轮毂相差一个档次。日 本已有相当部分的汽车铝轮毂采用挤压铸造工艺生产【2 彩】。 1 3 2 锻造成形工艺 。近些年，锻造铝合金轮毂的增长速度比铸造轮毂的增长速度快得多。 虽然前者生产工序多，生产成本要比铸造的要高，但是前者有更高的性能 价格比。 目前国内外锻造轮毂成形主要可分以下几类： 5 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 铸造锻造法它是将铸件作为锻造工序的坯料使用，对其进行塑性 加工的方法。由于将锻造作为零件最终成形的工序，因此可以消除铸造缺 陷，改善制品的组织结构，使产品的力学性能比铸件大大提高，同时又充 分发挥了铸造工艺在成形复杂件方面的优势，使形状复杂的产品锻造工序 减少，材料利用率大大提高，生产成本降低。用铸造锻造技术生产铝轮毂， 其性能完全可以达到锻件的力学性能指标，但生产成本可以比普通锻造件 降低3 0 。目前，该工艺自1 9 9 6 年9 月成功地应用到批量生产中以来，已 被多家日本公司采用，经济效果良好【2 6 - 2 7 1 。国内在铸造锻造成形工艺方面 虽有一些研究和应用，但还未见将其应用到铝合金轮毂生产中的报道。 ( 2 ) 半固态模锻所谓半固态模锻，就是将半固态坯料加热到有5 0 左 右体积液相的半固态状态后一次模锻成形，获得所需的接近尺寸成品零件 的工艺，这是一种介于固态成形和液态成形之间的崭新工艺。半固态模锻 具有许多独特的优点：零件在模具内收缩较小，易于近终化成形，机械加 工量减少；半固态模锻件表面平整光滑、内部组织致密，晶粒细小，力学 性能高于压铸和挤压铸造件；宏观气孔和显微疏松比常规铸件中的少得多； 成形温度低，模具寿命长。预计在相当长的一段时期内，半固态成形的主 要市场是汽车工业，应用最成功和最广泛的是汽车铝合金零件。国内对这 种技术的研究起步较晚，虽然也有一些研究成果报道，但实际应用得很少。 半固态模锻铝合金轮毂是一项高新技术，有一系列的优点，期待国内在新 建的铝轮毂厂中，能有一个半固态模锻厂，以提高国产汽车轮毂在国际市 场上的竞争能力 2 s 。2 9 l 。 ( 3 ) 常规锻造法锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一。锻造铝轮毂 具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点，一般情况其重量仅 相当于同尺寸钢轮的1 2 或更低一些。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向 一致，其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时，性能具有 很好地再现性，几乎每个轮毂具有同样的力学性能。锻造铝轮毂的典型伸 长率为1 2 1 7 ，因而能很好的吸收道路的震动和应力。通常铸造轮毂具 有相当强的承受压缩力的能力，但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远 不如锻造铝轮毂。锻造轮毂具有更高的强度重量比。另外，锻造铝轮毂表 6 第1 章绪论 面无气孔，因而具有很好的表面处理能力，不但能保证涂层均匀一致，结 合牢靠，而且色彩也好。锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多，生产成本 比铸造的高得多【3 2 1 。 1 4 塑性有限元法的发展 世界范围内的激烈竞争及电子计算机的普及和数值计算方法的改进， 使有限元的理论和应用得到了蓬勃发展有限元法在金属塑性加工分析中 的应用也取得了惊人的进步 3 3 3 7 l 金属体积成形过程是一个具有几何非线性、材料非线性和边界条件非 线性等三重非线性的复杂大变形问题。传统的解析法，如主应力法、上限 元法、滑移线法等由于数学上的困难或作了过多的假设而使其能求解问题 的范围和难度都极为有限，难以分析实际生产中复杂的体积成形过程【3 0 1 根据本构关系的不同，应用于金属体积成形方面的有限元方法主要有 弹塑性有限元、弹粘塑性有限元、刚塑性有限元及刚粘塑性有限元等四种 采用弹( 粘) 塑性有限元法分析金属成形问题，不仅能按照变形路径得到 塑性区的发展情况、工件中的应力、应变分布规律、以及几何形状的变化， 而且还能有效地处理卸载等问题，计算残余应力和残余应变，从而可以分 析和防止产品的缺陷等问题。由于弹( 粘) 塑性有限元法是建立在有限变形的 理论基础上，为了保证计算的精度和解的收敛性，每次增量加载中不能有 过多的单元进入屈服状态，所以每次计算的增量步长不可能太大，因此， 在计算变形问题时，需要较长的时间和较多的费用。 。刚塑性有限元法通常只适用于冷加工，对于热加工( 再结晶温度以上) ， 应变硬化效应不显著，而对变形速度有较大的敏感性，因此，热加工时要 用粘塑性本构关系，相应地发展了刚粘塑性有限元法。 目前，刚粘塑性有限元法是国内外公认的分析金属塑性成形问题最先 进的方法之一 1 5 塑性加工模拟技术的发展 在工业发达国家，塑性加工过程模拟已进入实用阶段。如美国三大汽 7 燕山大学工学硕士学位论文 车公司在汽车覆盖件模具设计制造中，都要求在设计完成后必须经过计算 机模拟检验，才能投入试验软模的制造。这样可以大大节省制造试验软模 的昂贵费用和试验周期，经济效益非常显著。 7 0 年代中期，由于计算机硬件限制和一些具体实施技术的不完善，使 有限元研究仅是学术性的，且只能分析二维简单问题。8 0 年代中期，二维 技术问题的一些关键，如对任意曲线边界的动态接触处理、剪切摩擦模型 的建立等逐渐完善，从而使刚塑性、刚粘塑性有限元可以用于金属件的反 向模拟和粉末多孔材料成形分析。9 0 年代初，随着二维四边形网格全自动 生成算法的成熟，在处理二维问题方面出现了诸如法国的f o r g e 2 ，美国 的d e f o r m 2 d 、a p l i d ，a b a q u s 、m s c s u p e r f o r m 等商品化软件， 这些软件成功的应用于实际生产中。 国外学者对一些简化模型或特定的体积成形过程进行了有限元模拟分 析：t a n gj u i p e n g 和w t w u 用d e f o r m 3 d 对三维轧制和无飞边桥十字轴 三维锻造进行了模拟1 4 1 】；h k i m 等用d e f o r m 3 d 对铝连杆的三维锻造和 线材的三维压印过程进行了模拟 4 2 1 ；r o d r i q u e sj o r g em c 等进行了三维开 式模锻的模拟1 4 3 】；p i l l i n g e ri 等分析了铝连杆的锻造过程t 4 4 1 ；国内的学者也 做了许多工作：上海交通大学的阮雪榆等自行开发了二维金属塑性成形有 限元模拟系统s - f o r g e 和三维体积成形仿真系统f o r m i n 9 3 ，并做了大量的 体积成形模拟工作1 4 s - 4 7 ；吉林工业大学的王忠金在假设预锻毛坯形状的前 提下对连杆终锻过程进行了模拟1 4 盯。 随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对塑性成形过程物理规律研 究的深入，近年来，塑性加工过程的数值模拟取得了很大的进展。通过模 拟，不仅能获得塑性加工过程中工件和模具的位移场、速度场、应变场、 应力场和温度场，还能预测工件细观组织和性能的变化，如织构的演化， 细观损伤的形核、长大和聚合的过程，热加工中的再结晶晶粒度等。 利用计算机图形技术将这些分析结果直观地呈现在研究设计人员面 前，使他们能通过虚拟的塑性加工过程检验工件的最终形状、尺寸是否符 合设计要求，是否会产生折叠等外部缺陷以及疏松和裂纹等内部缺陷。根 据细观组织的变化可以预测产品的使用性能；根据模具的受力可以校核其 8 第i 章绪论 强度、刚度以及预测模具的磨损采用塑性加工过程模拟，能在塑性加工 工艺设计和模具设计初步方案完成后立即对其进行检验，并提供修改方案 所需的详尽资料。经模拟检验后，再完成详细设计并进行模具制造。这样， 就能从根本上改变以前由于缺乏对塑性加工过程的科学分析手段而只能凭 经验设计模具，再通过反复的工艺试验修改模具和工艺参数，以便最终生 产出合格零件的状况，从而极大地降低成本、提高质量并缩短产品交货期。 塑性加工过程模拟与人工智能技术相结合，将成为塑性加工中设计和 制造智能化的有力工具【3 4 】。 金属体积成形的有限元仿真技术的发展趋势【3 4 】： ( 1 ) 完善基于任意的拉格朗日欧拉算法及欧拉算法的体积成形三维 有限元程序； ( 2 ) 网格再划分技术的改进和完善，减少再划分前后的信息传递误差， 从而使三维复杂形状工件的数值模拟日趋完善和实用化； ( 3 ) 体积成形三维有限元技术用于分析金属的微观组织结构，研究微观 组织对工件性能的影响，并有可能将热、力、微观组织耦合在一起分析； ( 4 ) 体积成形三维有限元技术与c a d 、c a m 系统集成为一体； ( 5 ) 提高三维有限元计算的速度，主要是发展高效率的线性方程组，利 用并行计算机计算； ( 6 ) 发展界面友好的体积成形三维有限元前后处理系统。 1 6 课题研究的目的、意义及主要研究内容 1 6 1 课题研究的目的及意义 4 通过本课题的研究，探索出一条适合铝合金轮毅实际生产的节能、低 成本的成形新工艺。在此工艺基础上利用c a d 软件及有限元分析软件进行 模具的设计和成形过程模拟仿真。分析轮毂锻件各工步在成形过程中的金 属流动、成形力和应力、应变、应变速率等分布规律，提出影响铝合金轮 毂成形的各工艺参数，分析研究一些主要工艺因素对锻造成形过程的影响 规律，优化并获得能够锻出合格锻件的工艺及模具参数。为设计人员提供 更先进的设计手段，从而提高劳动效率，降低成本，创造经济效益 9 燕山大学工学硕士学位论文 本课题的意义在于：一方面，随着工业的发展，我国能源紧缺现象越 来越严重，铝合金轮毅锻造成形工艺是一种耗能高，耗材多的工艺，研究 铝合金轮毂锻造成形新工艺，有利于节约我国日益紧张的资源，对我国经 济发展有重要的意义。另一方面，当前和今后铝合金轮毂确实有着非常广 阔的市场，因此，生产高质量、低成本的铝合金轮毂。能够提高企业的竞 争力，促进我国铝合金轮毂工业的发展。 1 6 2 主要研究内容 ( 1 ) 研究分析大量国内外相关资料，吸取其宝贵经验。根据模锻成形理 论和轿车铝合金轮毂的自身特点，研究并制定其锻造成形新工艺。 ( 2 ) 在三维造型软件u n i g r a p h i c s ( u g ) 的c a d 平台下进行铝合金轮毂模 具设计中相关问题的c a d 参数化实体三维造型，如：锻造参数的计算，模 具图的绘制等。得到半闭式预锻和开式终锻的最佳成形工艺参数。 ( 3 ) 建立铝合金轮毂锻造成形工艺中的半闭式预锻和终锻工序的三维热 力耦合有限元模型，根据刚塑性有限元法基本原理，利用数值模拟软件 d o f o r m - 3 d ，分别对它们进行数值模拟，揭示其金属流动规律，获得各种 物理变量场，对模拟结果进行分析比较，从中归纳出最优的成形条件，同 时，针对半闭式预锻工序，考察了主要成形参数对金属流动和成形力的影 响以及成形速度对模具温度场的影响，并以此为根据对成形参数进行优化， 为实际生产提供理论依据。 1 0 第2 章轿车铝台金轮毂锻造成形新工艺的制定 第2 章轿车铝合金轮毂锻造成形新工艺的制定 2 1引言 采用塑性精密成形的方法成形零部件，是当今成形行业缩短制造过程， 提高工作效率的有效途径。塑性精密成形可以得到尺寸和形状精确的、内 部及表面没有缺陷的产品1 4 9 - 5 0 】。在精密塑性成形方法中，模锻是较基本和 较常用的成形方法，它是利用锻模模膛使坯料变形而获得锻件的一种成形 工艺【5 l 】。锻造工艺是体积成形工艺的重要组成部分，由于锻件的形状、尺 寸稳定，具有良好的综合力学机械性能，纤维组织合理，材料利用率高， 因此在机械、航空、航天等工业领域都得到了广泛的应用【5 2 1 。 模锻可分为开式模锻和闭式模锻。根据开式模锻和闭式模锻成形工艺 的基本原理，结合戴卡1 9 2 铝合金轮毂的自身特点，制定了该零件的锻造 成形新工艺。 2 2 铝合金资源及其成形性能 铝合金是工业上应用最广泛的有色金属材料之一，其产量占有色金属 的首位。铝合金得到广泛应用的原因，除了资源丰富，容易制取，成本低 廉外，更主要的是它具有一系列优良的特性。 铝合金的最大特征是密度低，室温下纯铝的密度约为2 7 x 1 0 3 k g m 3 ， 铝合金的密度在2 6 3 - 2 8 5 x 1 03 k g m 3 之间，大约相当于铁的三分之一左右 铝合金模锻件因其密度小，比强度高、弹性模量低、具有良好的抗震及切 削加工性能等优点，被广泛应用在航空、航天、纺织、交通运输等领域， 多用于制造要求中等强度、质量轻和抗疲劳的零部件【5 3 1 。 优良的工艺性能是铝合金获得广泛的应用的另一个重要因素。有的铝 合金具有极好的铸造性能，可得到高质量的铸件，一些铝合金具有良好的 可塑性，可通过压力加工方法来生产管、棒、板、带、型、线、箔等各种 产品以及锻冲等制品，以满足各方面的需要。 根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸 燕山大学工学硕士学位论文 造铝合金两大类。变形铝合金按其主要性能特点分为防锈铝、硬铝、锻铝 和超硬铝1 5 。 2 2 1 铝合金的可锻造性及锻造特点 几乎所有变形用的铝合金都有较好的塑性。低碳钢可以锻出的各种形 状的锻件用铝合金都可以锻出来。铝合金可以自由锻、模锻和扩孔等。但 一般来讲，由于铝合金的流动性差，在金属流动量相同的情况下，比钢多 消耗3 0 的能量【5 5 1 。铝合金的塑性受合金成分和变形温度影响较大，某些 高强度铝合金的塑性还明显与变形速度有关。 铝合金在锻造时通常具有以下一些特点： ( 1 ) 锻造温度范围窄铝合金的锻造温度范围一般都在1 5 0 。c 以内，少 数高强度铝合金的锻造温度范围甚至不到1 0 0 。c ，相关资料表明，其变形 温度基本上在3 5 0 。c ，v 5 0 0 。c 之间。由于铝合金的锻造温度范围很窄，所以 一般都采用能精确控制加热温度的带强制循环空气的箱式电阻炉或普通箱 式电阻炉进行加热，温差控制在1 0 。c 以内。同时，为了保证适当的锻造 温度，提高合金的塑性和流动性，改善合金的成形条件，用于锻造和模锻 的工具或模具需要预热。 ( 2 ) 变形速度变形速度对铝合金工艺塑性的影响主要取决于合金加工 硬化和再结晶软化速度之间的影响。研究结果表明，大多数铝合金随着变 形速度的增大，在锻造温度范围内的工艺塑性并不发生显著降低。这是因 为变形速度增大所引起的加工硬化速度的增加，没有使它超过该合金的再 结晶速度。但是，一些化学成分比较复杂的铝合金，随着从动载变形( 锤上) 改为静载变形( 压力机1 ，工艺塑性便要下降。一般在低温范围内变形抗力对 变形速度的变化不敏感，而在高温下( 锻造温度范围) 则比较敏感，变形速度 增大，变形抗力增大。根据变形速度对各类铝合金变形抗力的影响研究表 明，当合金由压力机改为锤上锻造时，变形抗力随着合金化程度的不同， 大约增大了0 5 2 倍。以上说明，铝合金可以在压力机上，也可以在锤上进 行锻造；但是为了增大合金在锻造时的允许变形程度，提高生产率，减少 变形抗力并改善金属充填型槽的流动性，选用压力机来锻造铝合金比锤要 1 2 第2 章轿车铝合金轮毂锻造成形新工艺的制定 好些。 ! ( 3 ) 流动性差所谓流动性是指合金在外力作用下充填锻模型腔的能 力，它主要取决于合金的变形抗力和外摩擦系数。铝合金质地很软，外摩 擦系数较大，所以流动性较差，模锻时难于成形。 。 ( 4 ) 导热性良好铝合金由于导热性好，加热时内应力小，且易于均匀 热透，所以坯料可以直接装入接近始锻温度的高温炉膛内进行快速加热。 挤压坯料在不产生锻造裂纹的条件下，不必进行保温，但铸造坯料加热时 需要保温。 2 2 2 铝合金的热处理 ( 1 ) 固溶处理固溶处理的主要目的是使合金化元素完全溶解，它最好 是在有关合金的单相、平衡固溶体范围内的一个温度下进行。不过，合金 不得加热到固相线以上，因为这样会引起过热，也就是引起化合物和晶粒 界面区熔融，从而对延性和其它机械性能起反作用。在固溶处理热作制品 时要注意防止粗大的再结晶晶粒长大。要避免不必要的高温和时间过长的 固溶处理，特别是挤压件或从挤压材料得到的锻件更是这样。这种制品常 有不均匀加工，因此它们在局部区域内对晶粒长大十分敏感。 ( 2 ) 淬火固溶处理后，铝合金部件通常需要冷却或淬火到室温。这在 原则上是很简单的工序。它的目的只不过是为了使合金化元素达到最大的 过饱和度以备随后时效。冷水淬火是有效的淬火为使较厚的断面得到适 当的冷却速率，经常需要冷水淬火。但是快速淬火会使较薄制品如薄板畸 变，而使较厚制品产生内( 残余) 应力，通常表面是压应力，心部是张应力 合金显示最大淬火敏感性的临界温度是2 5 0 。c - 3 0 0 c ，现在已发明一 些专门技术，能在这一温度范围内快速冷却，但仍能减小残余应力。其中 己在某些高强度的a i - z n - m g c u 合金上使用的一种方法，是在1 8 0 。c 溶盐 池中淬火，并在其中保持一段时间后再冷却至室温第二种方法是使用溶 解度随温度升高而降低的专利有机溶液做淬火剂当把热物体浸没在沸水 中时，物体周围形成紧密的蒸汽层，这样就减小了在临界温度范围内的冷 却速率，而这种有机液体配制成具有相反的效应。最初，冷却速度因淬火 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 介质中的溶质局部沉淀而减小，随后在临界温度范围内由于沉淀物的重溶 而使冷却速率又升高。整个冷却速率比较均匀，既能消除应力又能得到很 高的机械性能。 ( 3 ) 时效时效强化是提高热处理铝合金性能的最后一个阶段。有些合 金在室温下进行时效( 自然时效) ，但大多数合金要在一个或几个较高的温度 ( 通常在1 0 0 。c 1 9 0 。c 范围内) 下加热一段时问( 人工时效) 。一般地说，时效 温度和时间不像固溶处理那么关键，它们也取决于有关的特定合金。采用 一级时效时，选择温度要使得到高强性能的时效持续时间比较方便。通常， 仅有的另一个规定是必须保证时效时间充分，使炉料达到要求温度。某些 合金有时需进行多级时效处理。这种处理对一些性能如抗应力腐蚀性能有 较好的影响 5 6 - - 5 7 1 。 2 3 铝合金模锻工艺中的几个主要问题 铝合金模锻时，通常需要对坯料和模具进行加热，并在一定温度范围 内进行锻造。这样有利于金属的流动，降低变形抗力，容易成形形状复杂 的零件。在铝合金模锻成形过程中，需要注意如下几个主要问题： ( 1 ) 模具材料的选用在热模锻成形过程中，模具材料要经受高的变形 抗力及热应力的综合作用当应力超过一定数值后，便要在模具表面上形 成裂纹。因此在进行工艺设计时，需充分考虑模具的受力条件和温度条件， 务必保证模具的强度、硬度和韧性都达到生产要求： ( 2 ) 模具预热模锻时模具通常是要加热，模具预热可使模具表面温度 与坯料温度之间的温差降低，从而大大减少模具表层的热应力，延长了模 具的寿命。此外，预热模具将使锻件金属表层冷却减缓，这无疑将有利于 金属流动和充满模膛。 对于流动性差的铝合金来说，模具预热就尤为重要。预热温度视所用 设备类型而定，用锻锤或速度较快的机械压力机时，预热温度最好能到 2 5 0 c 或更高的温度，使用速度较慢的液压机，特别是模锻小公差或形状 复杂的锻件时，模具应预热到4 5 0 。c 一5 0 0 。c 。通常在2 5 04 c - - 4 0 0 。c 的温度 范围内，模具的综合机械性能最好【5 ”。 1 4 第2 章轿车铝合金轮毂锻造成形新工艺的制定 ( 3 ) 成形温度的控制模锻前，通常要将金属坯料加热到一定的温度才 进行锻造。金属坯料随着加热温度的升高，其屈服极限盯。逐渐降低，而其 塑性指标将逐步提高，加热温度越高，仃。降低速度越快，成形力大小与屈 服极限成正比。所以为了降低成形力，减少能量的消耗，应尽可能的提高 坯料的加热温度，也就是提高坯料的始锻温度。 加热的总时间与坯料截面尺寸，一次装炉的毛坯数量和炉子的性能有 关。空气循环炉可使所装同一炉料的温度均匀。由于铝合金的锻造温度范 围很窄，金属容易发生过烧，所以一般都采用能精确控制加热温度的带强 制循环空气的箱式电阻炉或普通箱式电阻炉进行加热，温差控制在1 0 。c 。 大量生产的加热炉应有预热区、高温加热区和保温区。 ( 4 ) 变形期间的润滑由于铝合金粘附力大，流动性差，因此模具润滑 是铝合金模锻工艺过程的一个重要组成部分。润滑剂的主要作用是降低锻 造过程中模具和工件问的摩擦和工件对模具的热传导。 在金属成形过程中，选择合适的润滑剂，可以有效的降低变形金属与 模膛表面的摩擦和变形抗力，下降的幅度通常为3 0 - - 4 0 ，有时更大，而 且有利于变形金属充满模膛和减少模具的磨损及断裂的危险【5 9 】；防止坯料 的热量迅速传递给模具，可以避免坯料的迅速变冷和模具的迅速升温，起 到热绝缘作用，有利于降低成形力和提高模具寿命；防止锻件与模膛粘连， 保证锻件有较好的表面光洁度和保证锻件顺利脱模。因此，精密模锻要求 润滑剂具有良好的热绝缘性、残渣少、对锻件和模膛表面无氧化和腐蚀， 具有稳定性等优点