文/張琦，張帥，曹苗，趙升噸·西安交通大學機械工程學院

孫玨·蘇州三基鑄造裝備股份有限公司

鋁合金輪轂連鑄連鍛成形及有限元模擬

文/張琦，張帥，曹苗，趙升噸·西安交通大學機械工程學院

孫玨·蘇州三基鑄造裝備股份有限公司

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，高性能鋁合金輪轂的需求量逐漸增加，雖然傳統(tǒng)的輪轂鑄造工藝有所改善，但是對于輪轂鑄件內(nèi)部組織及材料力學性能的提高并不明顯。經(jīng)鍛造成形出的鋁合金輪轂性能好、質(zhì)量高且重量輕，但鍛造工藝復雜，投資大，制造成本高，并未推廣應用。而基于液態(tài)模鍛技術和連鑄連軋技術的連鑄連鍛技術可以在低投入、較簡單的工藝條件下成形出性能接近鍛件的鋁合金輪轂。

連鑄連鍛技術及輪轂成形工藝簡介

連鑄連鍛技術是指在同一套模具內(nèi)，先進行鑄造，然后立即進行鍛造的鑄—鍛聯(lián)合成形工藝，此工藝在日本和美國已經(jīng)得到應用并且取得較好的成效，如日本宇部公司和美國SPX公司。國內(nèi)齊丕驤、陳炳光等對鋁合金輪轂的連鑄連鍛進行了探討；蔣凱雁對連鑄連鍛技術的缺陷提出了防范方法。連鑄連鍛工藝的核心在于鍛造，第一步的鑄造只需保證順利充滿型腔即可，后續(xù)的鍛造將對工件性能進行改善，合理的工藝參數(shù)可以將工件鑄造的力學性能轉換成鍛造的力學性能。實際生產(chǎn)中所采用的連鑄連鍛的工作過程如圖1所示，主要分合模、澆注，充型、凝固，鍛造，開模、取件4個主要步驟，鍛造時多余的料可以從冒口處擠出。

從圖1可知，連鑄連鍛過程較簡單，在工件充型、凝固后，立即進行鍛造，由于在封閉模內(nèi)鍛造，零件性能好、精度高，該工藝適合成形形狀復雜且力學性能要求高的零件。金屬在封閉模內(nèi)先鑄造后鍛造，始鍛溫度很高，所需鍛造力比一般鍛造時要?。诲懺鞎r工件在封閉模內(nèi)處于三向壓應力狀態(tài)，不易產(chǎn)生裂紋；在鍛造力作用下工件表面與模壁緊密相貼，表面質(zhì)量較高，尺寸精確。

汽車鋁合金輪轂常用的成形工藝有重力鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造、液態(tài)模鍛和鍛造等方法，上述工藝的優(yōu)缺點如下。

⑴重力鑄造：歷史悠久、工藝簡單、成本最低；缺點是金屬晶粒較大、強度較低、重量較大、表面處理工作量大、材料利用率低。

⑵低壓鑄造：廣泛使用的工藝，適合大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、合格率高、材料利用率較高；缺點是鑄造時間長，表面質(zhì)量欠佳，成本較重力鑄造高。

⑶壓力鑄造：鑄件組織致密，機械性能好，強度和表面硬度較高，鑄件的尺寸精確、表面光潔；缺點是充型速度過快，鑄件容易產(chǎn)生卷氣、鼓包等現(xiàn)象，且不能通過熱處理來進一步提高性能。

⑷液態(tài)模鍛：鑄件表面光潔度、金相組織、力學性能接近鍛件；缺點是傳統(tǒng)的液態(tài)模鍛技術鑄件只在壓力下結晶，鍛造效果不明顯，工件組織仍是鑄態(tài)組織。

圖1 連鑄連鍛工藝過程圖

⑸鍛造：有致密的金相組織和良好的力學性能，重量最輕、尺寸精確、加工量少、抗腐蝕性好且表面最光潔；缺點是生產(chǎn)工序多而復雜，成本高，生產(chǎn)效率低，現(xiàn)階段技術不是很成熟，成品率低。

由以上分析可知，基于液態(tài)模鍛和連鑄連軋技術的連鑄連鍛技術是可以在較低的成本、較簡單的工序下使產(chǎn)品性能高于鑄造產(chǎn)品而接近鍛造產(chǎn)品的鋁合金輪轂成形新工藝。

鋁合金輪轂連鑄連鍛試驗研究

模具設計

鋁合金輪轂連鑄連鍛模具結構如圖2所示，在裝配后的模具內(nèi)實現(xiàn)輪轂先鑄造、后鍛造的成形工藝，充型時由進出料口10進料，工件凝固后，動模8下移鍛造，從而使輪轂預留螺栓孔處的凸臺部位得到鍛造，工件凝固后鍛造過程產(chǎn)生的余料在進出料口10處推動壓射活塞11向下移動，從而被擠出模具。

圖2 鋁合金輪轂連鑄連鍛模具結構圖

成形試驗

連鑄連鍛成形中鍛造工藝的參數(shù)主要有鍛造力、鍛造時間、待鍛時間、鍛造量和模具溫度。試驗所用材料為鋁合金A356，在鑄造充型、凝固后，根據(jù)鋁合金鍛造工藝要求來制定鍛造參數(shù)。如圖3所示是連鑄連鍛成形加工出的鋁合金輪轂，如圖4所示是鋁合金輪轂連鑄連鍛成形用擠壓鑄造設備（擠壓鑄造機改造后可用來進行連鑄連鍛加工）。

圖3 成形出的鋁合金輪轂

圖4 試驗用擠壓鑄造機

組織分析

對成形出的零件進行金相組織分析，如圖5所示，輪輻和輪輞交界部位（圖5a）、壁厚較厚的輪轂中心（圖5b）、輪輻（圖5c、d）晶粒較粗大，但是輪轂中心的凸臺部位（圖5b）晶粒較均勻，局部比較致密且無明顯樹狀晶，具有鍛造效果。壁厚較薄的輪輞處（圖5e～h）晶粒較細，但是不均勻，鍛造效果不明顯。

圖5 輪轂各部位的金相組織

圖6 凝固時輪轂的溫度場分布

圖7 鍛造后輪轂的應力云圖

圖8 鍛造后輪轂的應變云圖

鋁合金輪轂連鑄連鍛有限元模擬

在模具和工件三維造型的基礎上，建立了連鑄連鍛成形有限元模型，重點分析工件凝固過程的溫度場變化（圖6）和鍛造后輪轂的應力（圖7）及應變（圖8）。

由圖6可知，凝固時工件的厚壁部位溫度較高、冷卻慢、后凝固，薄壁的輪輞部位溫度低、冷卻快、先凝固，故溫度高的區(qū)域晶粒較粗大，溫度低的區(qū)域晶粒較細。從圖7中可以看出，輪轂中心部位應力較大，而其余部位很低；由圖8可知，輪轂中心凸臺部位應變較大。這是由于連鑄連鍛成形只是對輪轂中心局部實施了鍛造，其他部位未實施鍛造，模擬分析和金相組織試驗都表明，在輪轂的中心區(qū)域有鍛造效果，其他部位鍛造不明顯。由于該連鑄連鍛模具的鍛造區(qū)域較小，對輪轂的整體性能提高有限，因此，需要對其成形模具和工藝進行優(yōu)化。

輪轂結構優(yōu)化及新模具的設計

運用拓撲優(yōu)化技術和有限元仿真相結合的思想對輪轂結構進行了拓撲優(yōu)化設計，優(yōu)化后的輪轂如圖9所示，它在輪輻上開了槽，在保證輪轂剛度和強度的條件下，降低了輪轂的重量。為了擴大鍛造區(qū)域，設計出了可實現(xiàn)除輪輞部位的整體輪轂鍛造模具，如圖10所示，浮動模4的增加使得輪輻部位的整體鍛造得以實現(xiàn)。當動模3（圖11）開始下移鍛造時，鍛造力超過浮動模4的阻力后，浮動模4將和動模3一起下移，輪輻部位得到鍛造，多余的料將從底部的進出料口處擠出。

圖9 優(yōu)化后的輪轂模型

圖10 新連鑄連鍛模具

圖11 新模具的動模

優(yōu)化后輪轂的連鑄連鍛有限元模擬

對優(yōu)化后的輪轂模型和連鑄連鍛模具處理后建立新的有限元模型，并對連鑄連鍛工藝的鍛造過程進行了有限元模擬，分析了模具溫度和壓射活塞壓力對鍛造工藝的影響。

模具溫度的影響

壓鑄充型方式的連鍛模具溫度范圍一般在150～300℃，為了研究模具溫度對鍛造力的影響，在相同的鍛造參數(shù)下，模具溫度分別取150℃、200℃、250℃、300℃。模擬所得的鍛造力表明，動模的鍛造力隨模具溫度的升高而降低，在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)取較高的溫度可降低鍛造力。

壓射活塞壓力的影響

連鑄連鍛工藝在鑄造充型后，其壓射活塞還將繼續(xù)為金屬施加一定的預壓力，用來獲得致密度高的輪轂件。工件凝固后鍛造過程產(chǎn)生的余料在進出料口處推動壓射活塞向下移動，從而被擠出模具。壓射活塞預壓力的大小對工件的力學性能有較大的影響，研究不同的預壓力對鍛件力學性能的影響有較大意義。在相同的鍛造參數(shù)下，活塞底部的壓強分別取50MPa、100MPa、150MPa、200MPa時，模擬獲得的工件壓強分布如圖12～15所示。

由圖12～15可知，壓射活塞壓力較小時，工件所受壓力較小，輪輞局部壓力小，鍛造效果不明顯，鍛造過程中多余的料很容易從進出料口處被擠出?；钊麎毫υ龃?，鍛造力增大，工件受到的壓力顯著增大，工件的性能得到提高。但壓射活塞預壓力超過150MPa后，工件內(nèi)部壓強增加的幅度較低，而且在模具接觸及動模和上模的交界處，容易產(chǎn)生飛邊現(xiàn)象。故活塞壓力取值不宜過大，在150MPa左右較好。

圖12 50MPa時鍛件的壓強分布云圖

圖13 100MPa時鍛件的壓強分布云圖

圖14 150MPa時鍛件的壓強分布云圖

圖15 200MPa時鍛件的壓強分布云圖

結束語

運用連鑄連鍛工藝對鋁合金A356輪轂進行了成形試驗及有限元模擬研究，結果表明，連鑄連鍛成形的輪轂的中心凸臺處有明顯的鍛造效果，此處的組織狀態(tài)也較好。為了改進輪轂的性能，對連鑄連鍛模具結構進行了優(yōu)化設計，新模具能實現(xiàn)輪轂除輪輞部位的整體鍛造，通過有限元模擬獲得了模具溫度和壓射活塞壓力對鍛造工藝的影響規(guī)律，為后期鋁合金輪轂的結構優(yōu)化、模具設計和工藝改進奠定了基礎。

張琦，車輛工程系主任，副教授，主要從事先進成形技術及其裝備的研究，承擔或參加國家及省部級項目6項，發(fā)表學術論文30余篇，已獲發(fā)明專利2項。