錢陳豪，賈建磊，李 萍，薛克敏

（合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥，230009）

金屬旋壓工藝是將被加工的金屬坯料套在芯模上，而坯料則通過(guò)尾頂壓在芯模的端部，并與芯模一起隨著主軸旋轉(zhuǎn)，而旋輪沿著芯模移動(dòng)。在旋輪的壓力下，利用金屬的可塑性，逐點(diǎn)將金屬加工成所需要的空心回轉(zhuǎn)體制件。按照旋壓時(shí)坯料壁厚的變化，旋壓工藝可分為普通旋壓和剪切旋壓兩種。前者在加工前后壁厚基本保持不變，而后者則會(huì)發(fā)生壁厚的減薄[1－3]。將旋壓工藝應(yīng)用于輪轂成形，既能保證輪轂有足夠的剛度，又能大大減少坯料的厚度，使其比傳統(tǒng)鑄造輪轂更輕便耐用。由于旋壓成形技術(shù)的復(fù)雜性，單純采用試驗(yàn)或理論解析方法難以準(zhǔn)確、高效地解決生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，而采用數(shù)值模擬技術(shù)則能彌補(bǔ)上述不足。有關(guān)旋壓成形技術(shù)目前已開(kāi)展一些工作，朱利民[4]介紹了輪轂旋壓工藝的優(yōu)點(diǎn)及其生產(chǎn)原理；張小光等[5]討論了等強(qiáng)度車輪旋壓對(duì)工藝和設(shè)備的要求，但對(duì)輪轂多道次旋壓過(guò)程的數(shù)值模擬尚未有相關(guān)報(bào)道。為此，本文以A356鋁合金輪轂多道次旋壓成形為研究對(duì)象，運(yùn)用Abaqus軟件建立了輪轂多道次旋壓有限元模型，并分析了輪轂各道次下減薄率、進(jìn)給比、旋輪圓角半徑等工藝參數(shù)對(duì)旋壓力的影響。

1 成形工藝

圖1為汽車鋁合金輪轂的鍛坯和零件。由于輪轂鍛坯幾何形狀復(fù)雜，輪輞為不規(guī)則的復(fù)雜曲母線，單一道次旋壓成形很難得到既符合形狀尺寸又滿足性能要求的零件，所以需采用剪切旋壓與普通旋壓的復(fù)合成形工藝。以剪切旋壓為主要成形手段完成輪輞壁厚的減薄并達(dá)到輪輞性能要求后，再用普通旋壓修整輪輞局部難以成形的區(qū)域，直至滿足旋壓成形要求。另外，考慮到材料最大減薄率受到限制，至少需要采用兩個(gè)道次的剪切旋壓完成總的壁厚減薄，所以旋壓成形方案擬定為先進(jìn)行兩道次剪切旋壓，再進(jìn)行普通旋壓，每道次后都要進(jìn)行退火處理，以消除殘余應(yīng)力。

圖1 汽車鋁合金輪轂鍛坯和零件Fig.1 Aluminium alloy hub and its pre－formed blank

選擇合適的工藝參數(shù)是保證坯料順利進(jìn)行旋壓成形的條件，在旋壓過(guò)程中，主要的工藝參數(shù)有減薄率、旋輪圓角半徑、進(jìn)給比和芯模轉(zhuǎn)速等[5－10]。減薄率是影響剪切旋壓成形主要的工藝因素，在確定減薄率時(shí)要考慮材料的強(qiáng)化要求及其成形極限。異形件旋壓時(shí)所采用的旋輪圓角半徑一般為毛坯厚度的1～2倍。進(jìn)給比取值一般為0.3～2.5 mm／r，常用的進(jìn)給比為0.5～1.5 mm／r[1]。旋壓時(shí)的芯模轉(zhuǎn)速對(duì)坯料旋壓成形的影響不大，可以在0.5～5 r／min內(nèi)選取。模擬中擬定的具體參數(shù)如表1所示。

表1 旋壓成形各道次模擬參數(shù)Table 1 Process parameters of multi－step spinning

2 有限元模型

坯料成形方案確定后，利用Abaqus CAE模塊的三維造型功能建立各道次下旋壓的有限元模型。為簡(jiǎn)化模型以提高運(yùn)算的精度和速度，只對(duì)輪轂鍛坯變形部分進(jìn)行模擬分析。定義坯料為剛塑性變形體，所用材料為A356鋁合金，彈性模量為70 MPa，泊松比為0.5，屈服強(qiáng)度為133 MPa，并采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元類型（C3D8R）劃分其網(wǎng)格；定義芯模和旋輪為解析剛體，無(wú)需對(duì)其劃分網(wǎng)格。芯模與一對(duì)旋輪繞著各自對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)，旋輪同時(shí)沿自身軸線的軸向進(jìn)給；而毛坯底部與芯模底部通過(guò)綁定約束，使得毛坯跟隨芯模一起旋轉(zhuǎn)。旋壓過(guò)程中涉及到的旋輪與坯料、芯模與坯料之間的接觸區(qū)均采用罰函數(shù)摩擦模型。建立的旋壓有限元模型如圖2所示。

圖2 旋壓有限元模型Fig.2 Finite element models of spinning

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力分析

圖3 第1道次旋壓成形過(guò)程中毛坯等效應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of equivalent stress during the first pass

圖3為第1道次剪切旋壓的毛坯應(yīng)力分布云圖。由圖3可看出，旋壓過(guò)程中坯料的應(yīng)力集中區(qū)域隨著成形時(shí)間的推進(jìn)先增大后減小。這是因?yàn)樵谛龎撼尚蔚某跗?，已變形區(qū)域要小于未變形區(qū)域，旋壓已變形區(qū)受到未變形區(qū)凸緣“剛端”的影響要大，正弦律偏離程度較大，產(chǎn)生了附加的徑向拉應(yīng)力和周向壓應(yīng)力，以致造成應(yīng)力極大值的分布區(qū)域較大；在旋壓成形的后期，已變形的區(qū)域比未變形的區(qū)域要大，所受到凸緣“剛端”影響就相對(duì)較小，正弦律偏離程度小，從而使應(yīng)力極大值的分布區(qū)域也較小。偏離率對(duì)工件尺寸精度和材料可旋性都有影響，但實(shí)際生產(chǎn)中要做到完全不偏離正弦律是很困難的，零偏離僅是理想剪切變形的設(shè)想。本次模擬中分兩次減薄，這樣單次減薄量較小，能將偏離率控制在合理的范圍內(nèi)。

輪轂的第2道次成形與第1道次同屬錐形件的剪切旋壓過(guò)程，經(jīng)過(guò)第2道次旋壓后的坯料應(yīng)力和應(yīng)變分布與第1道次類似。與第1道次不同的是：第2道次應(yīng)力極大值的分布區(qū)域要小一些，這是因?yàn)榈?道次的變形程度小于第1道次的變形程度，并且第2道次內(nèi)錐角增大幅度小于第1道次相應(yīng)值，其正弦律偏離程度也相對(duì)較小，所以受到的“剛端”影響要小。第3道次普通旋壓成形是輪轂外形的主要成形階段，這個(gè)階段坯料發(fā)生類似的較大彎曲變形，旋輪軸向力是坯料成形的作用力。圖4為第3道次旋壓成形終了時(shí)等效應(yīng)力的軸向分布。由圖4可看出，在坯料軸向距離為18 mm和90 mm附近區(qū)域等效應(yīng)力出現(xiàn)較大起伏，這正是對(duì)應(yīng)輪轂的兩處彎曲區(qū)域，旋輪經(jīng)過(guò)這兩處區(qū)域時(shí)受到的軸向阻力較大。而在40～80 mm區(qū)域等效應(yīng)力值在120 MPa上下波動(dòng)，因?yàn)榇藚^(qū)域?yàn)闃O小錐角錐形件，近似于筒形件，旋輪軸向力作用不明顯，所以在實(shí)際加工中，旋輪進(jìn)給至彎曲區(qū)域時(shí)應(yīng)當(dāng)留意將進(jìn)給比調(diào)小，以降低軸向力。

圖4 第3道次旋壓成形終了時(shí)等效應(yīng)力軸向分布Fig.4 Axial distribution of equivalent stress after the third pass

3.2 應(yīng)變分析

圖5為第1道次剪切旋壓的毛坯外表面等效塑性應(yīng)變分布云圖。在坯料的變形過(guò)程中，外表面的等效應(yīng)變經(jīng)歷了一個(gè)先增大后減小的過(guò)程，使得在坯料中間部位出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)變極大值集中區(qū)的“應(yīng)變環(huán)”，并且應(yīng)變分布比較均勻。第2、3道次內(nèi)外表面也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“應(yīng)變環(huán)”。產(chǎn)生“應(yīng)變環(huán)”的原因有兩種：一是在旋壓成形中期，由于受到未變形區(qū)凸緣“剛端”的影響，坯料的內(nèi)錐角會(huì)相對(duì)增大，依據(jù)正弦定律，就會(huì)使旋壓件壁厚的減薄率增大；在旋壓成形后期，受到未變形區(qū)凸緣的影響較小，以致內(nèi)錐角恢復(fù)到原來(lái)大小，使實(shí)際旋壓件壁厚的減薄率也相應(yīng)減小；二是盡管金屬基本上向旋輪后方流動(dòng)，但仍有少量的金屬流向旋輪的前方，造成旋輪前方坯料的凸起。隨著坯料變形的進(jìn)行，凸起的金屬會(huì)被旋輪壓下，同樣會(huì)造成實(shí)際旋壓件壁厚減薄率的增加，等效應(yīng)變也會(huì)相應(yīng)增大。當(dāng)坯料的變形終了時(shí)，坯料的變形恢復(fù)到正常狀態(tài)，金屬的堆積減小，等效應(yīng)變相應(yīng)減小。旋壓過(guò)程中的凸起是旋壓成形金屬流動(dòng)的正?，F(xiàn)象，如果金屬的凸起過(guò)大，會(huì)造成金屬凸起高度、實(shí)際減薄率和旋壓力的增加，使金屬的流動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成起皮等旋壓缺陷，所以要嚴(yán)格控制金屬的凸起現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)整合理的工藝參數(shù)，將金屬的凸起嚴(yán)格控制在合理的范圍內(nèi)，就可以保證旋壓過(guò)程能夠正常進(jìn)行。

圖5 第1道次旋壓成形過(guò)程中毛坯等效塑性應(yīng)變分布Fig.5 Distribution of equivalent plastic strain during the first pass

圖6為各道次旋壓成形終了時(shí)的等效應(yīng)變軸向分布。由圖6可看出，第1道次等效應(yīng)變最大，第3道次等效應(yīng)變最小。這是因?yàn)榈?道次減薄率最大，而第3道次普通旋壓毛坯不發(fā)生減薄。普通旋壓時(shí)具有不改變厚度層的特點(diǎn)，也使其毛坯內(nèi)外表面等效應(yīng)變差距不明顯（見(jiàn)圖6（c））。相反地，第1、2道次剪切旋壓結(jié)束后，毛坯外表面等效應(yīng)變要明顯大于內(nèi)表面相應(yīng)值（見(jiàn)圖6（a）、圖6（b）），表明內(nèi)外側(cè)金屬流動(dòng)情形不同，其原因是剪切旋壓時(shí)正弦律的偏離所致。

圖6 各道次旋壓成形終了時(shí)等效應(yīng)變的軸向分布Fig.6 Axial distribution of equivalent strain after each pass

3.3 工藝因素對(duì)旋壓力的影響

強(qiáng)旋旋壓力的計(jì)算對(duì)于選擇旋壓機(jī)、設(shè)計(jì)工裝、確定工藝參數(shù)和了解剪切旋壓過(guò)程都具有重要意義。剪切旋壓變形力的大小主要取決于旋壓的單位塑流壓力和旋輪對(duì)工件的加壓面積，凡是對(duì)兩者有影響的因素都將對(duì)旋壓力產(chǎn)生影響。

圖7為工藝因素對(duì)旋壓力的影響。旋輪圓角半徑和進(jìn)給比等參數(shù)保持恒定，第1道次減薄率分別取值為20%、25%、30%、35%，對(duì)應(yīng)的第2道次減薄率依次取值為37.5%、33.3%、28.5%、23%。減薄率與旋壓力之間的關(guān)系曲線如圖7（a）所示。由圖7（a）可看出，無(wú)論是第1道次還是第2道次，旋壓力總是隨著減薄率的增加而增大。減薄率對(duì)旋壓力影響最大，這是因?yàn)闇p薄率增加即意味著旋輪與工件接觸面積增大，也就是變形量增加，因而變形力必然會(huì)明顯提高。

減薄率和進(jìn)給比等保持恒定條件下，第1道次的旋輪圓角半徑分別取值為16、18、20、22 mm，第2道次的旋輪圓角半徑分別取9、11、13、15 mm。旋輪圓角半徑與旋壓力之間的關(guān)系曲線如圖7（b）所示。由圖7（b）可看出，隨著旋輪圓角半徑的增大，旋壓力也逐漸增大，這是因?yàn)榧哟笮唸A角半徑，使旋輪與坯料之間的接觸面積增大，旋輪下變形金屬的體積也相應(yīng)增大，因此造成旋壓力的值相應(yīng)增大?？傊?，適當(dāng)?shù)販p小旋輪圓角半徑值，對(duì)降低變形力有利。

圖7 工藝因素對(duì)旋壓力的影響Fig.7 Influence of main process factors on spinning force

減薄率和旋輪圓角半徑等保持恒定條件下，進(jìn)給比分別選取0.6、0.75、0.9、1.05 mm／r，第1道次與第2道次進(jìn)給比選取相同。進(jìn)給比與旋壓力之間的關(guān)系曲線如圖7（c）所示。由圖7（c）可看出，旋壓力隨著進(jìn)給比的增加而增大，且開(kāi)始時(shí)其增速較快，當(dāng)進(jìn)給比達(dá)到0.9 mm／r時(shí)，其增速開(kāi)始減緩，這是因?yàn)樵谛嗊M(jìn)給過(guò)程中，它與工件接觸處變形面積的軌跡是一個(gè)螺旋帶。當(dāng)進(jìn)給比較小時(shí)，后一轉(zhuǎn)的螺旋帶與前一轉(zhuǎn)的螺旋帶有一部分重合，而重合部分在前一轉(zhuǎn)中已經(jīng)變形，故所需的力較小。隨著進(jìn)給比的增大，重合部分減小，因而變形力增大。當(dāng)進(jìn)給比增大至螺旋帶不再重合時(shí)，變形力增加減緩?？傊?，進(jìn)給比的影響力雖不如減薄率大，但也是影響旋壓力的主要因素之一。

4 結(jié)論

（1）在剪切旋壓階段，應(yīng)力最大值始終出現(xiàn)在旋輪和坯料的接觸區(qū)，并且應(yīng)力極大值區(qū)域主要集中在坯料的外表面，隨著變形程度的增加而增大，應(yīng)變分布經(jīng)歷了一個(gè)先增大后減小的過(guò)程，在坯料的中間部位出現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)變環(huán)；在普通旋壓階段，應(yīng)力的內(nèi)外表面分布基本相似，應(yīng)變極大值則集中在芯模圓角區(qū)等變形比較大的區(qū)域。

（2）減薄率是影響旋壓工藝的主要因素。隨著減薄率的增大，坯料前金屬的凸起和旋壓力迅速增大，但減薄率的最大值也受到旋壓成形極限約束；旋壓力隨著進(jìn)給比的增加而增大，且開(kāi)始時(shí)其增速較快，當(dāng)進(jìn)給比達(dá)到0.9 mm／r時(shí)，其增速開(kāi)始減緩，進(jìn)給比的影響力雖不如減薄率大，但也是影響旋壓力的主要因素之一；適當(dāng)減小旋輪圓角半徑值，對(duì)降低變形力有利。

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