王震，楊洋

(1.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066011;2.燕山大學(xué)里仁學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

鋁合金車輪強(qiáng)旋成形是在普通筒形件強(qiáng)旋成形工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工藝。目前，國(guó)外轎車鋁合金車輪鍛造生產(chǎn)多以鍛坯經(jīng)旋壓成形。近幾年國(guó)內(nèi)外開始研究用鍛坯強(qiáng)力旋壓工藝制造20～24英寸的大尺寸商用車輪。此方法生產(chǎn)的鍛造鋁合金輪轂強(qiáng)度高，能有效減輕車輛整車重量。該方法通常為預(yù)先鍛坯，再旋壓輪輞部位。而旋壓由于金屬變形量大，旋壓過程中金屬易出現(xiàn)起皺、折疊、裂紋、設(shè)備過載等問題;且一般強(qiáng)力旋壓，通常一次輪輞壁厚減薄率不超過30%，若實(shí)現(xiàn)大減薄率旋壓，需反復(fù)多道次，時(shí)間長(zhǎng)，效率低。

1 大尺寸鋁合金車輪旋壓工藝分析

鋁合金車輪一次性輪輞旋壓成形，其特點(diǎn)是變直徑的桶形件旋壓相對(duì)于筒形件金屬流動(dòng)困難，總變形量大;而20英寸以上的車輪輪輞設(shè)計(jì)變形前鍛坯壁厚達(dá)到30～40 mm，而變形后要求為10 mm左右，旋壓減薄率高達(dá)70%以上，其過程是一個(gè)集材料塑性變形、數(shù)控加工的復(fù)雜過程，缺陷多由材料的堆積、隆起所引起。如材料隆起在旋壓過程中不斷增高(非穩(wěn)定變形階段)，造成金屬的不穩(wěn)定流動(dòng)，材料等效應(yīng)力增大，導(dǎo)致開裂、起皺、環(huán)狀波紋、表面粗糙、尺寸精度惡化;并引起旋輪受力增大，導(dǎo)致設(shè)備過載，甚至停機(jī)。因此一次性大減薄率旋壓工藝通常較難實(shí)現(xiàn)。

文中使用三旋輪旋壓機(jī)，采用采用西門子840D控制系統(tǒng)，同時(shí)控制3個(gè)旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，按各自指定的形狀軌跡作運(yùn)動(dòng)，并通過使用Simufact模擬，調(diào)整優(yōu)化旋輪軌跡，從而控制金屬流動(dòng)，使材料隆起隨時(shí)受到有效控制，直到旋壓終了(穩(wěn)定變形)，改善金屬流動(dòng)，減小金屬的等效應(yīng)力，優(yōu)化出可行的旋壓方案，實(shí)現(xiàn)了一次性大減薄率旋壓成形。

2 數(shù)值模擬

2.1 輪輞成形工藝模型的建立

文中使用旋壓機(jī)為3個(gè)旋輪，相隔90°周向分布，正面留出空間，方便操作者觀察金屬流動(dòng)。提前設(shè)定材料牌號(hào)、坯料溫度、主軸轉(zhuǎn)速，各參數(shù)見表1。旋輪、模具和坯料造型后生成STL文件后導(dǎo)入Simufact，建立的模型如圖1所示。

表1 鋁合金車輪旋壓結(jié)構(gòu)參數(shù)Table1 The Structural parameters of power spinning for aluminum wheel

圖1 鋁合金車輪旋壓模型Fig.1 Model of power spinning for aluminum wheel

2.2 旋輪軌跡的建立

分別編制旋輪的軌跡，結(jié)合旋輪的進(jìn)給速度，將每條軌跡分解為時(shí)間和坐標(biāo)的關(guān)系，輸入?yún)?shù)如圖2所示，建立各旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，旋輪的金屬減薄率和旋輪相互之間的錯(cuò)距也就相應(yīng)確認(rèn)。旋輪軌跡輸出模型如圖3所示。

圖2 旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 The Track list of rollers

圖3 旋輪軌跡模型Fig.3 Model of the track of rollers

2.3 模擬出現(xiàn)的成形缺陷

金屬成形至71%時(shí)，在旋輪2和坯料接觸的區(qū)域等效應(yīng)力高達(dá)270.86 MPa，超過材料的抗拉強(qiáng)度，材料會(huì)被拉裂，另外，變形區(qū)域前端材料形成較大隆起，金屬產(chǎn)生折疊;旋輪2的軸向載荷突然增高，達(dá)到59 kN，遠(yuǎn)超出其他2只旋輪軸向載荷的2倍以上，如圖4所示。

圖4 模擬產(chǎn)生的缺陷(等效應(yīng)力大、材料折疊、旋輪軸向過載)Fig.4 Simulated defect(Equivalent stress overpower，Material overlap，Roller axial overload)

2.4 實(shí)際旋壓發(fā)生的問題

實(shí)際旋壓發(fā)生的問題有折疊、裂紋，如圖5所示。

圖5 實(shí)際發(fā)生的缺陷Fig.5 Actual defect

2.5 模擬參數(shù)的調(diào)整

通過觀察模擬過程，認(rèn)為可通過調(diào)整旋輪軌跡，使各旋輪的受力保持平衡，搭配良好的變形區(qū)，把材料隆起的高度控制在穩(wěn)定的某個(gè)高度，才能使材料的流動(dòng)平緩，成形均勻。

重新調(diào)整每只旋輪的軌跡，輸入Simufact進(jìn)行多次模擬，最終得到了合適的旋壓成形運(yùn)動(dòng)軌跡。調(diào)整后模擬成形過程成形順暢，材料無明顯折疊，材料等效應(yīng)力和旋輪載荷相應(yīng)減小，材料等效應(yīng)力降至100 MPa;而旋輪最大載荷降至14 kN，如圖6所示。

圖6 參數(shù)調(diào)整后的模擬成形情況(等效應(yīng)力、材料成形、旋輪載荷)Fig.6 Simulated defect after adjusting(equivalent stress，shape forming，roller loading)

2.6 調(diào)整后實(shí)際旋壓成形情況

旋壓成形過程順暢，成形良好，沒有明顯缺陷，如圖7所示。

圖7 參數(shù)調(diào)整后實(shí)際的成形效果Fig.7 Good forming shape after adjustment

3 結(jié)論

鋁合金車輪輪輞旋壓進(jìn)程中，材料在旋輪前進(jìn)方向形成堆積，隨著旋壓的進(jìn)行，隆起高度會(huì)不斷增加累計(jì)。在大的減薄率情況下，這種隆起的現(xiàn)象將更為明顯，材料隆起到一定程度，受已旋材料流動(dòng)的影響，其等效應(yīng)力逐漸增大，必將阻礙材料的均勻流動(dòng)，而且會(huì)加速材料的硬化，阻礙成形的順利進(jìn)行，產(chǎn)生折疊、裂紋、設(shè)備過載等各種缺陷。

通過調(diào)整旋輪軌跡，改變各旋輪的減薄率，有效控制了材料的隆起，使各旋輪的受力保持平衡，并相互搭配創(chuàng)造一個(gè)良好的變形區(qū)，把材料隆起的高度控制在了穩(wěn)定的某個(gè)高度，從而使材料的流動(dòng)平緩，利于均勻成形。

通過Simufact模擬，可以隨時(shí)調(diào)整旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，觀察材料成形、等效應(yīng)力、設(shè)備載荷等多方面的參數(shù)變化，為合理選擇和優(yōu)化工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提供了有效方法和可靠依據(jù)，縮短了調(diào)試周期，提高了加工效率。同時(shí)，為一次性大減薄率旋壓成形件找到了有效的加工途徑。

[1]徐洪烈.強(qiáng)力旋壓技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)書版社，1984.XU Hong － lie.Force Spinning Technology[M].Beijing:The Defense Industry Press，1984.

[2]張濤.旋壓成形工藝[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.ZHANG Tao.Spinning Forming Process[M].Beijing:Chemical Industry Press，2009.

[3]王成和，劉克璋.旋壓技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.WANG Cheng－h(huán)e，LIU Ke－ zhang.Spinning Technology[M].Beijing:Machinery Industry Press，1986.

[4]葛丹丹，樊文欣.基于Simufact的柴油機(jī)連桿套強(qiáng)力旋壓成形[J].熱加工工藝，2011，40(15):101—105.GE Dan －dan，F(xiàn)AN Wen －xin.Forming Analysis of Power Spinning of Diesel Engine Connecting Rod Bushing Based on Simufact[J].Hot Working Technology，2011，40(15):101—105.

[5]李飛，趙捍東，張華，等.藥筒筒體旋壓工藝參數(shù)影響分析[J].鑄造技術(shù)，2012，33(5):603—605.LI Fei，ZHAO Han － dong，ZHANG Hua，et al.Analysis on Technical Parameters for Cartridge Cylinder Spinning[J].Foundry Technology，2012，33(5):603—605.

[6]張劍，湯禹城.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)曲面的筒形件強(qiáng)力旋壓工藝參數(shù)優(yōu)化研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，42(1):71—75.ZHANG Jian，TANG Yu － cheng.Optimization of Tube Spinning Based on BP Neural Network Response Surface Methodology[J].China Metal Forming Equipment ＆Manufacturing Technology，2011，42(1):71—75.

[7]張永華，張寧，檀雯.不銹鋼筒形件錯(cuò)距旋壓過程的缺陷研究[J].鍛壓技術(shù)，2009，34(6):32—34.ZHANG Yong － hua，ZHANG Ning，TAN Wen.Research onDefects Stainless Steel Tube Stagger Spinning Process[J].Forging ＆ Stamping Technology，2009，34(6):32—34.

[8]詹梅，馬明娟，楊合，等.旋輪參數(shù)對(duì)異型薄壁殼體強(qiáng)力旋壓成形的影響[J].鍛壓技術(shù)，2006，31(5):144—146.ZHAN Mei，MA Ming － juan，YANG He，et al.Influence of Roller Parameters on Power Spinning of Thin－walled Shell with Special Shape[J].Forging ＆ Stamping Technology，2006，31(5):144—146.

[9]張濤，劉智沖，馬世成.旋壓成形帶內(nèi)筋筒形件的工藝研究及數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(4):109－112.ZHANG Tao，LIU Zhi－ chong，MA Shi－ cheng.Technologic Research and Numerical Analysis of Spinning of Cylinders with Inner Ribs[J].Journal of Mechanical Engineering，2001，43(4):109—112.

[10]張艷秋，江樹勇，孫金鳳，等.薄壁筒形件多道次滾珠旋壓成形機(jī)理研究[J].鍛壓技術(shù)，2010，35(2):55—58.ZHANG Yan － qiu，JIANG Shu － yong，SUN Jin － feng，et al.Study on Forming Mechanism of Thin － walled Tube in Multi－pass Ball Spinning[J].Forging ＆ Stamping Technology，2010，35(2):55—58.

[11]張喻林，孫彩霞，許翠芳，等.旋壓力算法對(duì)比試驗(yàn)研究[J].航空制造技術(shù)，2010(22):49—52.ZHANG Yu － lin，SUN Cai－ xia，XU Cui－ fang，et al.Comparison Experimental Research on Spinning Force Algorithm[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2010(22):49—52.

[12]李新和，楊新泉，王艷芬.薄壁筒形件旋壓成形的研究進(jìn)展[J].鍛壓技術(shù)，2011，36(1):7—12.LI Xin － he，YANG Xin － quan，WANG Yan － fen.Research Progress of Thin Wall Tube Spinning[J].Forging＆ Stamping Technology，2011，36(1):7—12.

[13]陳崗，詹梅，楊合，等.基于正交優(yōu)化的異性薄壁殼體強(qiáng)力旋壓成形有限元分析[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2008，15(4):67—71.CHEN Gang，ZHAN Mei，YANG He，et al.FEA of Power Spinning of Complicated Thin－walled Based on Orthogonal Optimization[J].Journal of Plasticity Engineering，2008，15(4):67—71.

[14]QUIGKIY E，MONAGHA J.Metal Forming:an Analysis of Spinning Process[J].Journal of Materials Processing Technolog，2000，103(1):114—119.

[15]TANG Li－guo，CHENG Jian － chun.Numerical Analysis on Laser－Generated Guided Elastic Waves in a Hollow Cylinder[J].Journal of Nondestructive Evaluation，2002，21(2):45—52.