文/宋鴻武，張士宏·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

熱旋壓變形對(duì)鋁合金輪轂鑄坯組織性能的影響及旋壓工藝優(yōu)化（上）

文/宋鴻武，張士宏·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

本文系統(tǒng)研究了熱旋壓變形對(duì)A356合金組織性能的影響規(guī)律，并采用輪轂鑄坯熱旋壓過(guò)程的三維有限元模擬，對(duì)變形區(qū)金屬流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析。研究和分析表明施加熱旋壓變形，可以消除鋁合金的鑄造缺陷，改善共晶Si相的形貌和分布，進(jìn)而提高合金的強(qiáng)韌性，熱旋壓量及變形均勻性是影響輪轂旋壓后組織性能的關(guān)鍵因素。通過(guò)數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化，可以提高鑄造鋁合金輪轂的熱旋壓變形均勻性。

為了適應(yīng)汽車(chē)更安全、更節(jié)能、降低噪聲、污染物排放不斷加嚴(yán)的要求，鋁合金輪轂已經(jīng)全面向大直徑、輕量化、高強(qiáng)度等方向發(fā)展。在此背景下為了實(shí)現(xiàn)“質(zhì)量接近鍛造輪轂，成本價(jià)格接近鑄造輪轂”的產(chǎn)品目標(biāo)，日本在20世紀(jì)90年代末，將熱旋壓工藝用于鑄造輪轂坯料的成形加工，開(kāi)發(fā)了鋁合金輪轂的鑄旋新工藝。但是，鑄旋輪轂的生產(chǎn)工序較多、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，國(guó)內(nèi)在批量生產(chǎn)中還存在很多問(wèn)題，比如鑄旋工藝缺乏穩(wěn)定性，存在表面裂紋、波紋和變形超差等缺陷，材料利用率、機(jī)加成品率較低，產(chǎn)品性能同國(guó)外還存在一定差距等。因此針對(duì)該技術(shù)涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究，為掌握鋁合金輪轂鑄旋新工藝的核心技術(shù)，全面提高A356合金汽車(chē)輪轂品質(zhì)，最終為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)輕量化鑄旋鋁合金輪轂的國(guó)產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)化，提高國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力奠定基礎(chǔ)。目前輪轂表面缺陷、力學(xué)性能，特別是成品延伸率較低和變形較大所致的成品尺寸超差，已成為制約鋁合金輪轂鑄旋技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因此需系統(tǒng)掌握鑄旋輪轂組織性能和變形的影響規(guī)律，進(jìn)而通過(guò)控制和優(yōu)化熱旋壓工藝減小缺陷、提高性能。

鋁合金輪轂鑄旋工藝原理

鋁合金輪轂鑄旋成形技術(shù)的核心為鑄坯輪輞的熱旋壓工藝，其工藝原理如圖1所示，是用旋輪將回轉(zhuǎn)體鑄坯進(jìn)行局部連續(xù)旋轉(zhuǎn)壓縮，以成形其內(nèi)外截面形狀的成形方法，該過(guò)程綜合了普旋和強(qiáng)旋。在旋壓過(guò)程中，只有輪輞部分發(fā)生變形，輪輻與外輪緣在旋壓時(shí)起固定作用，將毛坯同心地適當(dāng)裝夾在合適的芯模上，當(dāng)主軸帶動(dòng)毛坯旋轉(zhuǎn)后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先編制的程序自動(dòng)控制各旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡，按規(guī)定的形狀軌跡作運(yùn)動(dòng)，擠壓毛坯，逐步地使毛坯緊貼模具形面，從而得到要求截面尺寸的工件。

圖1 輪轂鑄坯熱旋壓工藝原理圖

熱旋壓對(duì)A356組織性能的影響規(guī)律

通過(guò)金相和掃描電鏡組織觀察和拉伸力學(xué)性能測(cè)試，系統(tǒng)研究不同的熱旋壓變形量和隨后的熱處理對(duì)A356合金組織性能的影響規(guī)律和機(jī)理，獲得不同旋壓變形量的實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 獲得不同旋壓變形量的實(shí)驗(yàn)方案

不同旋壓變形量對(duì)A356合金鑄態(tài)和熱處理態(tài)的力學(xué)性能影響規(guī)律如圖2所示。從圖中可以看出，隨旋壓變形量增加，旋壓態(tài)的屈服和抗拉強(qiáng)度相比鑄態(tài)略有降低，但延伸率增加明顯。經(jīng)T6熱處理后，無(wú)論屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度還是延伸率均隨變形量的增加而提高，特別是延伸率提高明顯，由未經(jīng)旋壓時(shí)的5%提高到15%以上。不同旋壓變形量對(duì)應(yīng)的合金微觀組織如圖3和圖4所示。

圖2 不同旋壓變形量對(duì)鑄態(tài)和熱處理態(tài)的力學(xué)性能影響規(guī)律

圖3 不同旋壓變形量對(duì)應(yīng)的鑄態(tài)微觀組織

圖4 不同旋壓變形量對(duì)應(yīng)的熱處理態(tài)微觀組織

從圖3和圖4中可以看出，隨著旋壓變形量增大，初始的鑄造枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹较蛐缘膸罱Y(jié)構(gòu)，枝晶排列的方向性更加明顯，枝晶間距減小同時(shí)產(chǎn)生細(xì)化，共晶硅被打碎，呈彌散狀分布。特別是當(dāng)變形量為30%時(shí)，枝晶開(kāi)始發(fā)生明顯細(xì)化，被拉長(zhǎng)且呈流線分布，Si顆粒彌散分布；隨著變形量的增加，枝晶間距減小，Si顆粒進(jìn)一步變小。這表明熱旋壓的主要作用是使得共晶Si相由原先的網(wǎng)狀分布變成帶狀分布，而且共晶Si顆粒更加圓整化，分布更彌散化，因此大大提高了材料的延伸率，由鑄態(tài)時(shí)的5%可提高到17%。而旋壓后強(qiáng)度較鑄態(tài)時(shí)略有下降，這是由于高溫導(dǎo)致析出強(qiáng)化相長(zhǎng)大或部分溶解所致；而T6熱處理后，旋壓使得材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率均有明顯提高，屈服強(qiáng)度無(wú)明顯變化，因此熱旋壓變形的主要作用為提高材料的延伸率，同時(shí)提高熱處理后的抗拉強(qiáng)度（由于變形可促進(jìn)Mg2Si強(qiáng)化相的析出）；同時(shí)從圖2中可以看出，熱旋壓變形量超過(guò)30%時(shí)才對(duì)材料的性能起到明顯的作用。而從旋壓輪輞在壁厚方向上的變形流線（圖5）可以看出變形不均勻，心部變形明顯小于外表面和內(nèi)表面的變形。因此如何保證坯料的變形均勻性并使得各處的變形量均達(dá)到30%時(shí)發(fā)揮熱旋壓變形作用成為關(guān)鍵點(diǎn)。旋壓生產(chǎn)實(shí)踐表明，除了合理選擇變形溫度、應(yīng)變速率以及變形量等旋壓工藝參數(shù)之外，鑄坯形狀尺寸、旋輪結(jié)構(gòu)尺寸等因素也是影響金屬流動(dòng)和變形均勻性的重要原因。

圖5 旋壓輪輞沿厚度方向上的變形分布

鑄坯熱旋壓工藝的有限元分析及改善變形均勻性的工藝優(yōu)化

鋁合金輪轂鑄坯的熱旋壓成形是個(gè)集幾何、物理和邊界條件的三重非線性為一體的復(fù)雜變形過(guò)程。影響鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓成形的工藝參數(shù)有很多，如材料性能、旋輪形狀、旋輪進(jìn)給率、輪輞壁厚減薄率、潤(rùn)滑及加工方法等。其中旋壓成形溫度、旋輪形狀、鑄坯開(kāi)口角、旋輪軌跡、旋輪之間的錯(cuò)距等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)成形影響較大。如果單純依靠試驗(yàn)的方法來(lái)研究輪轂的鑄旋工藝，可能造成耗資大、研究周期長(zhǎng)、試驗(yàn)過(guò)程中的隨機(jī)干擾因素多等缺點(diǎn)。如果只采用理論解析的方法，卻又常常很難快速、準(zhǔn)確地解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。而數(shù)值模擬技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為旋壓工藝的制定和優(yōu)化提供了先進(jìn)的分析方法。

有限元模型建立

⑴幾何模型建立。

實(shí)際旋壓初始坯料的輪輻和外輪緣表面比較復(fù)雜，不利于有限元網(wǎng)格的劃分和計(jì)算求解，所以將這些復(fù)雜的空間曲面簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的平面和球面，最終建立的旋壓初始坯料如圖6(a）所示。而芯模，頂模以及旋輪皆按照實(shí)際形狀繪制，建立好的旋壓裝配圖如圖6(b）所示。

圖6 有限元模型中的坯料與旋壓裝配圖

⑵材料模型建立。

由于旋壓為一種逐點(diǎn)、高速成形工藝，其應(yīng)變速率較高，本文中輪轂旋壓過(guò)程的等效應(yīng)變速率采用下式計(jì)算：

式中，t0為初始坯料厚度（三個(gè)道次的坯料厚度變化為23～18～11～7mm）；v0為進(jìn)給速度（1.1mm/轉(zhuǎn)）；αρ為旋輪成形角（三道次分別為86°，12.7°，7.5°）；φt為厚度減薄率（三道次分別為21.7%，38.9%，36.4%）。通過(guò)計(jì)算可得，三道次的有效應(yīng)變速率分別約為40.5s-1，18.9s-1，16.8s-1。而目前關(guān)于鑄造鋁合金A356的熱塑性變形行為研究較少，特別是缺乏高應(yīng)變速率下熱變形行為方面的研究，因此采用熱壓縮試驗(yàn)測(cè)定了溫度范圍為300～450℃、應(yīng)變速率范圍為0.1～50s-1的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，建立了本構(gòu)模型，如式（2）～（4）。

⑶有限元模型的其他處理。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，坯料溫度在整個(gè)變形過(guò)程變化不大，因此將變形假設(shè)為等溫過(guò)程（坯料溫度320℃）。在實(shí)際旋壓過(guò)程中，芯模自轉(zhuǎn)帶動(dòng)坯料做高速旋轉(zhuǎn)，但這樣不便于計(jì)算。本文的有限元模型中芯模以及坯料不旋轉(zhuǎn)，靠旋輪繞坯料芯軸的高速公轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋壓，同時(shí)旋輪也會(huì)在摩擦力的作用下繞自己的芯軸自轉(zhuǎn)，這樣并不改變金屬的受力狀態(tài)和變形規(guī)律。另外劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)于要經(jīng)歷大變形的輪輞處的網(wǎng)格劃分則比較細(xì)小，而對(duì)于不參與大變形的輪輻以及外輪緣的網(wǎng)格劃分比較粗，減少網(wǎng)格的總數(shù)量，以便減少計(jì)算時(shí)間。

《熱旋壓變形對(duì)鋁合金輪轂鑄坯組織性能的影響及旋壓工藝優(yōu)化》(下）見(jiàn)《鍛造與沖壓》2017年第23期

宋鴻武，副研究員，主要從事塑性成形理論及先進(jìn)成形技術(shù)領(lǐng)域的研究，特別關(guān)注材料本構(gòu)、成形性、組織演化等的表征及模型建立，承擔(dān)國(guó)家自然基金、國(guó)際合作及企業(yè)委托等項(xiàng)目多項(xiàng)，發(fā)表論文40余篇，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利8項(xiàng)。