锻坯对氧化皮的影响是很大的。因此，不能任意延长加热时间，并应积极改进加热设备和加热方式。氧化皮的生产数量，取决于钢种、炉型和加热气氛。在压力机或锤上去除氧化皮，可以采用将毛坯先墩粗一次的办法；然后每打击一二次之后，取出吹除。这样有助于减轻氧化皮对模具锻坯对氧化皮的影响是很大的。
简介/锻造氧化皮
不能任意延长加热时间，并应积极改进加热设备和加热方式。氧化皮的生产数量，取决于钢种、炉型和加热气氛。在压力机或锤上去除氧化皮，可以采用将先墩粗一次的办法；然后每打击一二次之后，取出锻件吹除氧化皮。这样有助于减轻氧化皮对模具的。此外，水力清除氧化皮、刮削、钢丝刷除和采用制坯、预锻型槽来打碎氧化皮等，均可减少模具的磨损。
设备/锻造氧化皮
锻造用氧化皮去皮机。涉及锻造用机械设备领域。特点是上固定两个平行并且同向转动的工作辊，工作辊连接驱动装置；工作辊上方有刮皮器，刮皮器连接杠杆机构，杠杆机构连接踏板，杠杆机构上安装。新型通过控制工作辊与刮皮器的配合使用，能将圆形坯料上的氧化皮去除，省时省力，方便操作，结构简单。
参考资料/锻造氧化皮
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车铝合金轮毂锻造成形新工艺技术研究
燕山大学 硕士学位论文 轿车铝合金轮毂锻造成形新工艺技术研究 姓名：董金卫 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：孙惠学
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Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ（ＵＧ）的ＣＡＤ平台下进行轮毂的模锻工艺与模 具设计中相关问题的ＣＡＤ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ＤＥＦＯＲＭ．３Ｄ，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ＡｂｓｔｒａｃｔＡｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃａｌ＂ｉｎｄｕｓｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅ ｆｉｎｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｈｅｌｌｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ，Ｄｕｅｔｏｅｘｃｅｌｌｅｎｔｑｕａｌｉｔｙａｎｄｕｎｉｑｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆｆｂｒｇｅｄａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｈｅｅｌ，ｎｏｗ ｉｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｐｏｐｕｌａｒ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｍａｎｎｅｒ ｏｆ ｆｏｒｇｉｎｇ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｇｅｄ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｈｅｌｌ ｉｓ ｖｅｒｙ ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ．Ｉｔ ｉｓｕｒｇｅｎｔ ｎｅｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｈｏｗ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ 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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 本学位论文属于 不保密口。 （请在以上相应方框内打“√”） 年解密后适用本授权书。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２０世纪２０年代就开始使用铝合金轮毂ｒ卜ｍｌ，１９２３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．１９５８年，有了整体铸 造的铝车轮，不久以后有了锻造铝车轮，１９７９年美国把铝带成形车轮作为 标准车轮。１９８０年，阿卢马克斯工程金属工艺公司（ＡＥＮＩＦ）与索帕里奥 （Ｓｕｐｅｒｉｏｒ）－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（ＳＳＦ）铝合金车轮厂投产，使铝合金车轮生产进入了一个新阶段。１９８１ 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４５７．２毫米，用于装备８０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。１９７３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。１９７７年又开始生产铝制载货车与大客车 车轮。１９７９年开始成批生产铝制摩托车轮，产量增长亦非常迅速【１ ２１。 根据美国凯撒工程公司的资料，２０００年世界铝合金轿车轮毅需求量已 达１．１亿只【１３１。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１０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２１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ＡＥＭＰ（Ａｌｕｍａｘ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）公司与Ｓｕｐｅｒｉｏｒ工业公司合 作于１９９２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ＺＬｌ０１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２０世纪８０年代末期，１９８７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。１９９１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２０世纪９０年代中期（１９９３～１９９７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２１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１９９９年的１２００万件增长到２００４年的５５００ 万件，铝合金车轮出口数量由１９９９年的１００余万件增长到２００４年的１２００ 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，２００４～２０１０年铝轮毂年均增 长率达到２０％，零售市场２００４年至２０１０年年均增长率达到５％，出口市场 年均增长率达１５％，以此计算，２０１０年汽车铝轮毂的国内总需求量在３８００３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【１４】。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【１５ｌ。 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【１６１。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２０～６０ｋＰａ） 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¨１１。‘，．（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３１。 “）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３０％。目前，该工艺自１９９６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【２６－２７１。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５０％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［２ｓ。２９ｌ。 （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１２％１７％，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¨２１。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［３３～３７ｌ 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¨０１． 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。 ７０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。８０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。９０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ＦＯＲＧＥ２，美国 的ＤＥＦＯＲＭ２Ｄ、ＡＰＬＩＤ，ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ．ＳＵＰＥＲＦＯＲＭ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：Ｔａｎｇ Ｊｕｉｐｅｎｇ和ｗ．Ｔ．Ｗｕ用ＤＥＦＯＲＭ３Ｄ对三维轧制和无飞边桥十字轴 三维锻造进行了模拟１４１】；Ｈ．Ｋｉｍ等用ＤＥＦＯＲＭ３Ｄ对铝连杆的三维锻造和 线材的三维压印过程进行了模拟［４２１；Ｒｏｄｒｉｑｕｅｓ Ｊｏｒｇｅ Ｍ．Ｃ．等进行了三维开 式模锻的模拟１４３】；Ｐｉｌｌｉｎｇｅｒ Ｉ等分析了铝连杆的锻造过程ｔ４４１；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－Ｆｏｒｇｅ和三维体积成形仿真系统Ｆｏｒｍｉｎ９３，并做了大量的 体积成形模拟工作１４ｓ－４７］；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１４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【３４】。 金属体积成形的有限元仿真技术的发展趋势【３４】：（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ＣＡＤ、ＣＡＭ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ＣＡＤ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Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ（ＵＧ）的ＣＡＤ平台下进行铝合金轮毂模 具设计中相关问题的ＣＡＤ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 ＤＯＦＯＲＭ－３Ｄ，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。１０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１４９－５０】。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【５ｌ】。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【５２１。’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１９２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２．７ｘ１０３ｋｇ／ｍ３， 铝合金的密度在２．６３－２．８５ｘ１０ ３ｋｇ／ｍ３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【５３１。 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１５…。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３０％的能量【５５１。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１５０。Ｃ以内，少 数高强度铝合金的锻造温度范围甚至不到１００。Ｃ，相关资料表明，其变形 温度基本上在３５０。Ｃ，ｖ５００。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±１０。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１２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２５０。Ｃ－３００’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ＡＩ－Ｚｎ－Ｍｇ．Ｃｕ合金上使用的一种方法，是在１８０。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１３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１００。Ｃ～１９０。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［５６－－５７１。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 ２５０‘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４５０。Ｃ一５００。Ｃ。通常在２５０ ４Ｃ－－４００。Ｃ的温度 范围内，模具的综合机械性能最好【５”。１４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±１０。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３０％－－４０％，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【５９】；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【６０ｌ。 如果在成形过程中不选择润滑剂或润滑剂的选择不当，就会导致变形 金属与模膛表面的直接摩擦，使模膛表面磨损，增大金属流动的阻力，并 使成形结束后的脱模产生困难，因此润滑技术成为模锻成形中的一个关键 技术。● ●２．４开式模锻成形工艺简介２．４．１开式模锻的定义和成形过程开式模锻分模面与模具运动方向垂直，在模锻过程中分模面之间的距１５鎏坐盔兰三兰堡主兰堡丝苎离逐渐缩小，沿分模面形成横向飞边，依靠飞边的阻力使金属充满模膛。 开式模锻时金属填充模膛的方式有镦粗和压入两种方式（如图２－１）。（ａ）镦粗方式（ｂ）压入方式 图２－１金属填充模膛的方式Ｆｉｇ．２－１ Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｍｅｔａｌ ｆｉｌｌｉｎｇ开式模锻成形过程及锻造力――行程曲线如图２．２所示。其成形过程大体分为三个阶段： （１）镦粗阶段坯料外圈金属流向法兰部分，内圈金属流向凸台部分。 （２）摸膛充满阶段下模已经充满，而凸台部分尚未充满，金属开始流 入飞边槽。随着桥部金属的变薄，金属流入飞边的阻力增大，迫使金属流 向凸台角部，以完全充满模膛。１６笙！至堑王堡盒全笙墼堡垒盛垄堑三茎塑型塞（３）打靠阶段金属已完全充满模膛，但上、。下模面尚未打靠。此时， 多余金属挤入飞边槽，锻造变形力急剧上升。．上兰动存程图２－２开式模锻成形过程及锻造力――行程曲线Ｆｉｇ．２－２Ｍｅｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ● 、ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｅｎ－ｄｉｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｒｏｋｅ―ｌｏａｄ●ＣＵｒＶｅＳ２．４．２影响金属充满模膛的主要因素’开式模锻时影响金属充满模膛的主要因素有：模锻件（模膛）的形状和尺寸；金属充填模膛的方式；模壁斜度；摩擦力；孔口圆角半径；金属变形温度和模具预热温度；飞边槽桥部尺寸；‘设备工作速度和设备吨位。（１）模锻件（模膛）的形状和尺寸模锻件的形状和尺寸对模膛的充满有重要的影响。模腔愈窄愈深，在其它条件相同的情况下，金属向模腔内流１７燕山大学工学硕士学位论文动阻力愈大，金属温度降低也愈严重，故充满模腔愈困难。对于像轮毂这 些形状较复杂的零件，在锻造时如果终成形前的坯料形状不合理，往往会 产生折叠、穿流或裂纹等缺陷。 （２）金属充填模膛的方式一般地说，金属以镦粗方式比以压入方式充 填模膛容易。 （３）模壁斜度模膛制成一定的斜度是为了模锻后，锻件易于从模膛内 取出。因为金属充填模膛的过程实质上是一个变截面挤压的过程。金属处 于三向应力状态（ｇｆｌ２－３）。为了使充填过程得以进行，必须使ｋＩ≥吒（在上端面０－。＝０，０＂３＝ｃｒｓ）。为了保证获得一定大小的吒，模壁斜度愈大，所 需的压挤力Ｆ也愈大。图２－３模壁斜度引起的应力Ｆｉｇ．２－３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ＆ａｆｔａｎｇｌｅ ｆｏｒ ｍｅｔａｌ ｆｉｌｌｉｎｇ ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ（４）摩擦阻力摩擦阻力对金属充填模膛有重要影响。摩擦阻力愈大， 金属充填模膛愈困难。因此，为了有利于金属充满模膛，应该降低模壁的 表面粗糙度并采用润滑性能良好的润滑剂。 （５）孑Ｌ口半径模具孔口半径对金属流动有很大影响，当孔口圆角半径 很小时，在孔口处金属质点要拐一个很大的角度才流入孔内，这样要消耗 较多的能量，故不易充满模膛，因此，孔口圆角半径应适当加大． （６）金属变形温度和模具预热温度坯料温度和模具预热温度愈低，金 属的变形抗力愈大，因此愈不易充满模膛。１８第２章轿车铝合金轮毂锻造成形新工艺的制定（７）飞边槽桥部尺寸飞边槽桥部的主要作用是产生横向流动阻力，迫 使金属充满模膛。设置飞边槽桥部使沿上下接触面摩擦力增加，其值为 ２ｂｒ，（设摩擦阻力达最大值，等于ｆ。，见图２－４）。由该摩擦力在桥１２１处引起 径向压应力（或称桥口阻力）为吼＝２ｂｒ。／ｈ。＝６仃。Ｉｈ。即桥口阻力的大小与， ｂ和ｈ。有关，．桥口愈宽，高度愈小，亦即ｂｌｈ，愈大时，阻力也愈大．图２－４飞边槽Ｆｉｇ．２－４ Ｆｌａｓｈ ｇｒｏｏｖｅ从保证金属充填型腔出发，希望桥口阻力适当大一些。否则，在充满 模膛之前，会有大量金属经桥部由模膛流出，以致模膛最后不能充满。但 是桥部的阻力也不能过大，因为桥部阻力过大时，金属变形抗力很大，可能造成上下模不能打靠．根据文献【６６】及实验研究表明，６，矗，＝４“为宜，即在该范围内，其飞边金属消耗和变形抗力的大小均在合理的范围内。 （８）设备工作速度和设备吨位设备工作速度较高时，一般地说，金属 变形流动的速度也较快，这样有利于金属充填模膛，可以得到外形复杂， 尺寸精确的锻件。这是因为在高速设备上模锻时，可以通过惯性流动增强 变形金属的填充速度。为了使金属产生塑性变形，使其克服阻力充填模膛，锻压设备必须有足够的吨位，否则将产生充不满的现象。但是设备吨位也不宜过大，过大 了将造成能源浪费。而且对于冲击类设备，打击能量过大时，剩余打击能 量需要靠模具和设备的弹性变形来吸收，极易造成模具的损坏。因此需要 合理的选用设备工作速度。１９’燕山大学工学硕士学位论文２．５闭式模锻成形工艺简介闭式模锻亦称无飞边模锻，闭式模锻工艺的基本原理是在封闭的型槽 中，采用上下两个模具（或镶块组台模具）对毛坯进行模锻成形。它可以使毛 坯在一次加热和锻压设备一次行程中获得形状复杂的无毛边锻件。因此， 闭式模锻可以使锻件的几何形状、尺寸精度和表面质量最大限度地接近与 产品零件的几何形状、尺寸精度和表面质量。 同开式模锻相比，闭式模锻可以大大提高金属材料的利用率和锻件精 度。同时省去锻后的切边工序，大大降低能源消耗，生产率也随之提高。一般材料利用率，根据锻件形状可以提高１０％２５％。但是，采用闭式模锻，特别是精密闭式模锻，技术有一定的难度，影响闭式模锻的主要因素有设 备适用性、下料精度、加热条件、模具设计、模具制造、模具寿命及生产 操作等。 同其他体积成形工艺一样，闭式模锻可以在冷态，温态或热态下进行． 在冷态闭式模锻时，金属充满模膛困难，模膛中的单元压力很大，对锻模 寿命有消极的影响，在热态下闭式模锻，当存在氧化皮时，增大了工件与 模具接触面上的摩擦，对金属充满模膛和模具寿命也不利；在温态下闭式 模锻，既可以降低金属材料的变形抗力，又不会产生明显的氧化皮，因此， 对于一些形状简单的小型锻件，比较适合于采用温态闭式锻造，然而，对 于形状复杂的锻件，采用温态闭式模锻时金属流动仍然很困难． 过去，在推广应用闭式模锻工艺的过程中存在如下问题： （１）当毛坯体积大于锻件体积时多余金属被分流的问题； （２）模锻时模具负载繁重导致模具寿命低； （３）缺少合适的闭式模锻设备。 在热模锻时，需要考虑坯料加热时氧化烧损量，即使采用精密下料也 很难满足无飞边闭式模锻对原毛坯高精度的要求。若严格满足无飞边闭式 模锻对原毛坯体积的要求，必然导致下料难度的增加，甚至不能实现。 由于无飞边闭式模锻大大降低了模具寿命，同时受到设备使用的严格 限制，因此，闭式模锻工艺未能广泛推广应用。，第２章轿车铝合金轮毂锻造成形新工艺的制定为了进行闭式模锻。需采取如下技术措施：（１）采用少无氧化加热设备加热坯料，如采用中频加热炉，燃气或燃油式少无氧化加热炉。加热前，应清除坯料表面的氧化皮，加热后坯料表面 不应有或允许有少量的氧化皮，若有较厚的氧化皮，必须清除掉。这样有 利于保证锻件表面质量，同时减少摩擦阻力，提高模具寿命。 （２）保证坯料的下料精度，是坯料体积控制在模膛体积及余料腔体积允 许的范围内。．（３）模具精度较高，模具工作部分表面粗糙度低。（４）严格控制锻造温度、模具温度、润滑条件和操作等工艺因素。 （５）选择合适的模锻设备２．５．１闭式模锻的变形过程闭式模锻成形过程与开式模锻相比，同样可以分为三个阶段（如图２．５）。 第一阶段为自由镦粗阶段（图２－５（ａ）），即从毛坯与上模模膛表面（或冲头 表面）接触开始到坯料金属与模膛最宽处侧壁接触为止。在这一阶段中，金 属充满模膛中某些容易充满的部分。 第二阶段为充满阶段（图２－５（ｂ）），即从毛坯金属与模膛最宽处侧壁接触 开始到金属完全充满模膛为止。在这一阶段，坯料金属的流动受到模壁阻 碍，毛坯各部分处于不同的三向压应力状态．随着坯料变形的增大，模壁的侧向压力也逐渐增大，直到模膛完全充满。第三阶段为结束阶段（图２－５（０），多余金属被挤出到上、下模的间隙中 形成少量纵向毛刺，锻件达到预定的高度。，闭式模锻与开式模锻比较，除了没有飞边外，还有如下一些特点： 开式模锻时模壁对变形金属的侧向压力较闭式模锻小，虽然两者的坯 料金属都处于三向受压状态，但剧烈程度不同．从应力图对金属塑性的影 响来看，闭式模锻比开式模锻好，它适用于低塑性金属的锻造．开式模锻 时，金属流线在飞边附近汇集．锻件切边后，流线末端外露，会使零件的 抗应力腐蚀能力降低：减少或消除应力腐蚀和使锻件有良好性能的有效措 施，就是采用无飞边模锻。因此采用闭式锻造更能保证锻件的质量。２１燕山大学工学硕士学位论文豳豳豳图２－５闭式模锻过程Ｆｉｇ．２―５ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｃｌｏｓｅｄ ｆｏｒｇｉｎｇ２．５．２闭式模锻时影响模锻力的主要因素开式模锻过程中当上下模打靠时，虽然其模锻力急剧上升，但因多余 金属流入飞边槽，其模锻力不会无限升高。闭式模锻时，因金属在封闭的 模膛内成形，不形成飞边，当模膛充满时，从理论上讲（即假设模具和设备 均为刚性）其模锻力会无限升高，导致模具急剧磨损甚至破坏。因此，模锻 力是影响闭式模锻的最关键因素之一。 除了锻件材料性质、变形温度和变形速度外，还有锻件圆角半径、接 触摩擦和锻件形状等也影响模锻力。 ＋（１）锻件圆角半径的影响 闭式镦粗力与锻件圆角半径成线性反比关系，即模锻力随锻件圆角半径值的减小而升高。 （２）接触摩擦的影响变形金属与模具间，特别是凸凹模底面与变形金 属间的接触摩擦对闭式模锻力有很大影响。 （３）锻件形状的影响锻件形状不仅在模锻开始阶段对变形力有影响， 而且对最终的模锻力也有影响。形状复杂锻件的模锻力，可比简单锻件的 模锻力大３０％－－４０％。２．６铝合金轮毂锻造成形新工艺的制定传统的闭式模锻有利于锻件的成形，可以充满难以成形的棱角，不产 生毛边，节约材料。但由于它适应面窄，下料精度要求高，加之模具寿命第２苹轿车铝合金轮毂锻造成形新工艺的制定低，故没有像开式模锻那样得到广泛的应用。开式模锻可以锻造各种复杂 锻件，材料利用率不高。‘ ，为了真正广泛地推广应用闭式模锻工艺，发展了一种小损耗即小飞边 模锻工艺，也称半闭式模锻工艺，它是无飞边闭式模锻工艺的完善和发展． 采用这种工艺有着显著的技术经济效益．’，．，．、在研究国内外许多模锻工艺的基础上，结合原来的开式铝合金轮毂锻造工艺，－设计了铝合金轮毅“半闭式预锻、开式终锻”模锻工艺，这一工艺能提高热模锻压力机的成形能力和材料利用率，且无需使用其他辅助设备。一半闭式预锻模将传统的闭式锻模作了一定改变，把毛边桥部看成是锻 件的组成部分。而不锻出毛边全部，这样可比普通开式锻造减少损耗５０％ 左右。对于铝合金轮毂锻造，在开式模锻的基础上将飞边结构做适当的改 变，将其转化为半闭式预锻。：锻造时，金属流动有两种基本形式：压挤和镦粗。大多数情况下，开 式模锻以镦粗形式为主；闭式模锻以压挤形式为主。新设计的“半闭式预 锻、开式终锻”模锻工艺中的半闭式预锻强调了压挤的功能，而终锻更强 调镦粗功能。’采用“半闭式预锻，开式终锻”新工艺，由于半闭式预锻中把毛边桥 部看成锻件的．二部分，因此，半闭式预锻的分模面就可以同开式模锻一样， 从而简化了模具制造工作．新工艺把闭式模锻应用到了一般锻件的锻造中 去。在锻件成形时，虽然闭式预锻有较小的毛边，但此时锻件已基本成形， 终锻时毛边增加不大，其毛边比传统闭式模锻多一点，但却远小于普通开 式模锻。因而，采用新工艺可以大大减少材料消耗；。传统闭式模锻下料精度要求高。，若下料偏大，。则锻件偏厚（热模锻压力 机锻造，材料偏大，会使设备闷车、模具失效）；下料偏小，锻件易报废。 而传统开式模锻由于可用毛边仓吸纳大量的多余金属，因而其毛坯下料精 度要求不高，但材料的利用率不高。。 ．采用半闭式模锻新工艺锻造铝合金轮毂，主要采用以下措施降低下料 精度要求：在半闭式预锻模设计时，有意增加型腔高度，这样当按下差下２３燕山大学工学硕士学位论文料，只在终锻时挤出较小毛边；而按上差下料时，又可将预锻容纳的多余 金属在终锻时挤出去。由于适当加大型腔尺寸和飞边部分的圆角，故半闭 式预锻模寿命相对闭式模锻造是比较高的。 由于半闭式预锻使锻件成形较好，加之终锻模为开式结构，因而在终 锻工序时，大部分金属是以镦粗变形方式充满模膛的。金属横向地压人模 膛，在模具与金属材料的界面上没有额外的剪切。所以变形摩擦阻力小， 模膛磨损也小，变形力也小，所以开式终锻模的寿命也比普通开式模高。 １９２铝合金轮毅其形状、结构如图２－６，其规格代号为１６ｘ７．５，即轮辋 名义直径１６英寸，轮辋名义宽度７．５英寸。轮毂的材质是６０６１铝合金；该 轮毂轮辐由５个筋和５个窗口组成，并成周期循环分布，筋的厚度变化均 匀，最薄的地方２２ｍｍ；窗口有上下两层。轮毂内偏距为４５ｍｍ，轮毂盘部 有５个螺栓孔，中心孔最大直径为７０ｍｍ，最小直径为５７ｍｍ。轮辋的厚度 变化很均匀，其最小厚度为３．Ｔｍｍ。从图２－６可见该轮毂轮辐形状复杂， 轮辋既长又薄，轮毅子午面为Ｕ形状，因此其锻造成形困难，而且容易出 现缺陷。图２－６铝合金轮毂三维几何形状Ｆｉｇ．２―６ ３Ｄ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｈｅｅｌ针对铝合金轮毂的特点与要求，本文采用了热模锻成形工艺来成形该 轮毂。并考虑到现实生产设备、生产效率和生产成本，制定了该铝合金轮 毂锻造成形新工艺，如图２．７所示。第２章轿车铝台金轮毂锻造成形新工艺的制定图２―７轿车铝合金轮毂成形工艺过程Ｆｉｇ．２－７ Ｆｏｒｍｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｗｈｅｅｌ ｏｆｃａｒ该工艺过程有以下特点： （１）预制坯采用旋转锻造成形，由于旋转锻造是局部接触，顺次加压连 续成形，接触面积和单位压力都比较小，故预制坯成形时所用设备吨位小， 变形力为一般锻造变形力的１／５～１／２０，经旋转锻造后的预制坯其内部组织性 能有所提高，产品质量好，不易开裂；此外，旋转锻造投资少，能耗低， 设备制造费用低，易实现机械化，自动化，劳动环境好。 （２）由于零件形状复杂，成形比较困难．在预制坯和终锻工序之间增加 预锻工序，使预制坯经过预锻变形接近于终锻件的形状，以便终锻时保证 充满模膛并不出现折叠或裂纹等缺陷，同时也降低终锻对设备吨位的要求。 （３）预锻工序采用半闭式锻造，这种工艺是界于开式锻造和闭式锻造之间的一种工艺，因此，该工艺既具有开式锻造的优点，又具有闭式锻造的优点。它是一种不需要严格控制下料精度的闭式锻造工艺。（４）采用半闭式预锻――开式终锻新工艺，半闭式锻造减少了飞边的体 积，因而可以节省材料，增加了挤压成形能力，有利于轮毂在模腔内的成形，同时可以减少压力机的能源消耗，从而降低了铝合金轮毂的生产成本。 将开式锻造转化为半闭式锻造，可以减少模具错移误差，提高锻件水平方 向精度．采用这种工艺可以使模锻出的铝轮毂金属组织晶粒细小，整个轮 毂具有较高的强度性能。 （５）采用新工艺锻造的铝合金轮毂，比普通开式锻造的铝合金轮毂力学性能好，材料利用率高，因此降低了生产成本。燕山大学工学硕士学位论文２．７本章小结本章介绍了铝合金锻造的特点，研究了开式模锻理论和闭式模锻理论。 从理论上分析了影响金属充满模膛的主要因素，弗对影响铝合金模锻工艺 的几个重要因素如温度、润滑等进行了分析。 通过对戴卡１９２铝合金轮毅形状、结构和材质的分析，结合锻造成形 工艺的特点，制定了该轮毅的锻造成形新工艺。第３章轿车铝合金轮毂模锻模具设计第３章＋轿车铝合金轮毂模锻模具设计３．１引言现代锻件的生产正在向复杂、精密、多品种、换代快以及交货周期短的方向发展，传统的模具设计和制造方式已不能满足要求，因此锻模 ＣＡＤ／ＣＡＭ技术受到了普遍的重视。ＣＡＤ／ＣＡＭ技术是计算机科学与工程科 学相结合形成的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一，１ 也是先进制造技术的重要组成部分【６１１。 模锻工艺由于可以获得理想的金属流线、改善金属材料性能和降低材料消耗等优点而被广泛采用【６２１。传统的锻模设计方法在很大程度上依赖于设计者的经验和技巧。计算机辅助设计锻模时，因为建立了较好的数学模 型，可以大大减少对设计者个人经验的依靠，增加了设计结果的可靠性， 还具有节省劳动力、提高生产效率和延长模具使用寿命等优点。自２０世纪 ７０年代以来锻模速发展。目前，在工业发达国家一些公司已大量使用ＣＡＤ／ＣＡＭ系统设计和制造锻模。本章采用通用软件ＵＧ来进行轮毂锻件和模具的设计，取得了理想的效果。，３．２、ｕＧ软件简介ＵＧ是美国ＥＤＳ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤａｔａＳｙｓｔｅｍ）公司的著名软件，全称为Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ（ＵＧ）软件起源于美国麦道飞机公司，２０世纪６０年代成为商业软件，被众多美国公司采用ｔ６３１．ＵＧ于１９９１年并入ＥＤＳ公司。多年来ＵＧ软 件汇集了美国工业的心脏和灵魂――航空航天与汽车工业的专业经验，发展成为世界一流的集成化机械ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ软件，并被多家美国和世界 著名公司选定为企业计算机辅助设计、分析和制造的标准。‘ ２０世纪９０年代，ＵＧ进入中国市场，受到ＣＡＤ／ＣＡＭ广大用户的欢迎。ＵＧ软件是一个多模块的庞大软件包，各个模块可以实现特定的功能，用户可以根据自己的实际需要安装必要的模块。与其他的同类软件相比，ＵＧ软件的优势在于：具有用于产品设计和分析的产品开发机能以及产品信息综燕山大学工学硕士学位论文合管理机能，并能对设计部门和制造部门之间出现的矛盾加以解决，使两 个部门得以有机结合，即ＣＡＤ／ＣＡＭ有机结合岬】。 ＵＧ软件具有强大的零件造型功能，完全集成了表面和实体建模技术， 其优点如下：具有复杂零件的实体造型和曲面设计能力；具有产品装配能 力和自上而下的设计能力；具有强大的数控加工能力；能生成符合国家标 准的工程图纸；能转化引进产品ＣＡＤ系统资源；能进行二次开发，完成用 户的特殊要求；具有设计分析加工及管理系统的高度集成性【”１。 ＵＧ软件的主要功能模块有：计算机辅助设计模块（ＣＡＤ）、计算机辅助 工程模块（ＣＡｎ）、计算机辅助制造模块（ＣＡＭ）、板金模块（Ｓｈｅｅｔ Ｍｅｔａｌ）、二 次开发编程工具（ｕｃ Ｏｐｅｎ）、数据交换模块（Ｔｒａｎｓｌａｔｅｒ）、信息管理模块（ＩＭａｍ 等。由于本文只涉及其ＣＡＤ功能，故以下就此方面进行介绍。 ＵＧ软件的实体建模（Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）是其它所有几何造型产品的基础，它将 基于约束的特征建模和传统的几何建模方法融于一体，形成天衣无缝的复 合式建模工具【６３】．这种建模方法是目前最为先进的建模技术，它能方便灵 活地编辑和修改从特征到自由形状曲面的所有实体模型，并能充分发挥传 统的实体、曲面和线框造型的长处。它包括特征建模（Ｆｅａｔｕｒｅ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）、自 由形状建模（ＦｒｅｅｆｏｒｍＦｅａｔｕｒｅＭｏｄｅｌｉｎｇ）、用户自定义特征（Ｕｓｅｒ ＤｅｆｉｎｅｄＦｅａｔｕｒｅ）和三维转化二维模块。３．３终锻工步及模膛设计终锻模膛是用于锻件最终成形的模膛，通过它获得带飞边的锻件，铝 合金轮毂终锻模膛设计的主要内容是绘制热锻件图和确定飞边槽尺寸，确 定琐扣的型式和正确布置项料杆等。３．３．１分模面选取锻件分模位置合适与否，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等 一系列问题。确定分模面的基本原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相 同，以及锻件容易从锻模模膛中取出，此外，应争取获得镦租充填成形的 良好效果，为此，锻件分模面应选择在具有最大的水平投影尺寸的位置上。第３章轿车铝合金轮毂模锻模具设计在模锻件锻造过程中，分模面位置会直接限制金属流动方向。选择不同的位置分模，金属在模膛中流动的方向也不同。选择的分模面位置应能使锻件内部的流线连续完整，流线方向与锻件外形相符。应根据流线的要求来 确定合适的分模面位置。由于铝合金轮毂呈周期对称，故分模面的选取比 较容易，选取轮腹处投影面积最大的面即可。“３．３．２模锻斜度及圆角半径。在锻件上与分模面相垂直的平面或曲面所附加的斜度或故有的斜度统称为模锻斜度。模锻斜度的作用是使锻件成形后能从型槽中顺利取出。但 是加上模锻斜度后会增加金属耗损和机械加工工时。因此尽量选用最小的 模锻斜度。一般锻件均有模锻斜度它包括外斜度和内斜度。模锻斜度根据顶杆类型和各部分的高径比来确定。在同一个锻件上应尽量减少不同斜度。 由于终锻轮辋型腔较深，铝合金的粘性又很强，再加上铝合金轮毂锻 件的热胀冷缩，这样不利于轮毂锻件从锻模型槽中取出，为了方便锻件脱模，在设计终锻件时，在轮辋处设计有一定的内、外模锻斜度。１９２铝合金轮毂在热模锻液压机上锻造成形，并且采用顶杆将锻件顶出，因此模锻斜度可以取较小值。在这里我们取外斜度为１．，内斜度为２’。为了便于金属在型槽内流动和考虑到锻模强度，锻件上凸出或凹下部 位都不允许呈锐角状，应当带有适当的圆角。凸圆角的作用是避免锻模在 热处理时和模锻过程中因应力集中而导致开裂，凹圆角的作用是使金属易 于流动充填型槽，防止产生折叠，防止型槽过早被压塌。预锻模膛内的圆 角半径应比终锻模膛的大。目的是减少金属流动阻力，促进筋部预锻成形， 同时防止产生折叠。‘由文献【６５】可知，在锻模结构中，水平凸圆角半径Ｒ（即连接腹板与筋的圆角半径）对金属流线的影响极大。一般来说，水平凸圆角都是横置于金属流动方向上的障碍。金属在压力作用下流向筋槽深处时遇到模膛的水平 凸圆角的阻碍，一方面增加了金属流动距离，另一方面要影响金属流动方 向。，对于具有工字形断面且分模面处于腹板处的模锻件，当Ｒ偏小时，则 金属流动时形成的纤维流线容易被切断，导致力学性能下降，还极易在筋燕山大学工学硕士学位论文根部产生回流，最后形成严重穿流和折叠。这是由于金属充满型腔后，多 余金属通过筋与腹板的交角处直接流入毛边槽的结果。一般情况下，圆角 半径的大小受诸多因素的影响，如相邻的筋高、锻造方法、模具结构和锻 件材料等。 （１）模腔的筋越高，金属充填模腔越困难且容易形成流线不顺等缺陷， 因而随着模腔相邻的筋的高度增加，圆角半径应取大一些。 （２）为保证锻件质量，ＩＰ（２￣３）ｒ，（ｒ为锻模凹圆角半径）。由于铝合金模 锻时粘附力大，流动性差，所以，其圆角半径应取较大数值（上限）。 （３）模锻斜度的大小对圆角半径影响很大，当模锻斜度较大时，圆角半 径的尺寸可取小一些，反之亦然。 （４）圆角半径的大小与毛坯形状的选择以及是否采用预锻制坯有很大关 系。当制坯工艺合理或采用预锻制坯时，可选用较小的圆角半径． （５）圆角半径的大小与锻造成形方式有关。采用压入成形充填模腔时圆 角半径要取大一些，若采用镦粗成形充填模腔时圆角半径可取小一些。 （６）对于两筋相交处的水平凸圆角半径，当相交的角度为９０ ４或小于９０。 时，该处的水平凸圆角半径应为筋直线段水平凸圆角半径的２倍。当相交 的角度大于９０。时，该处的水平凸圆角半径可与直线段的水平凸圆角半径相 同．根据文献【６６】所给出的参考数据，取凸圆角半径为３ｍｍ，凹圆角半径 为５ｍｍ。３．３．３终锻工步各工艺参数计算３．３．３．１加放热收缩率考虑到金属的热胀冷缩现象，热锻件图的尺寸应比 冷锻件图的相应尺寸有所增大。理论加放收缩率后的尺寸按下式尺寸计算： Ｌ＝ｌ（１＋ｇ％） （３－１）式中Ｉ．――热锻件尺寸 ｌ――冷锻件尺寸 Ｄ――终锻温度下金属的收缩率，铝合金为１．２％该轮毂材料为６０６１铝合金，在冷锻件图的基础上加放１．２％的收缩率即 可满足要求。由此可以确定锻件的体积。３０第３章轿车铝合金轮毂模锻模具设计ｒＶ锻件２２（Ｖ产品轮＋Ｖ连皮＋Ｖ飞边＋Ｖ机加工）（１＋１．２％）＝３８７８０７３．８ｍｒｎｊ‘（３―２）３．３．３．２飞边槽设计开式模锻的终锻模膛周边必须有飞边槽，其形状及尺寸大小是否合适对于锻件成形影响很大。飞边槽的结构型式大部分都是由桥部和仓部组成，主要尺寸是桥部高度ｈ、宽度ｂ、入口圆角半径ｒ、仓部高度ｈ．．为了能够在一个工序里进行扩口和切飞边，终锻件飞边设计为先 出横向飞边，再出纵向飞边。其主要尺寸为：ｈ－－１．５ｍｍ，ｂ＝１５ｍｍ，ｒ＝２ｍｒｎ、ｈｉ＝１２ｍｍ。３．３．３．３设备吨位的确定锻压力的计算是模具设计的基础，也是选用模具 材料和锻压设备的重要依据。影响锻压力的因素很多，主要包括金属的变 形抗力（变形抗力与锻造方式、锻件材料、变形程度和变形速度等因素有关）、 摩擦与润滑、毛坯高径比和模具的结构形式等。 为了获得优质锻件并节省能量，为了保证正常的生产效率、锻模的使 用寿命及设备的工作状态，选用适当吨位的热模锻压力机也是至关重要的。 时至今日，对锻模成形过程与变形力的关系，理性认识很不够，虽有不少 分析的理论计算方法，由于工艺因素复杂，在计算上都有不同程度的偏差。在生产上，方便起见，多用从经验总结出来的经验公式或经验――理论公式进行快速的计算确定设备的吨位。甚至更为简易的方法是，以参照相似 锻件的经验直接判断所需设备吨位。热模锻压力机吨位的选择，是根据锻 造力Ｆ确定的．这里，我们采用经验公式来计算锻件的锻造压力，并选择设 备吨位。概算如下： Ｐ＝－（５０～８０）Ａ＝８０ Ｘ ２５５０．４６５＝２０．４ＭＮ；．（３―３）式中Ｐ＿――变形力（ⅪｍＡ――包括锻件飞边桥部宽度在内的水平投影面积（ｅｒａ２）Ａ的值由ＵＧ软件中锻件的三维几何造型获得。考虑到设备安全工作 问题，选取４０ＭＮ热模锻压力机。３．３．４终锻热锻件图及模具设计；锻件图是编制锻造工艺、设计模具、指导生产和验证锻件的主要依据。 它是根据零件图考虑了加工余量、锻造公差、模锻斜度、锻造余块的基础３ｌ燕山大学工学硕士学位论文上绘制而成［６７１。终锻热锻件图是制造和检验终锻模膛的依据，因此设计与 绘制终锻热锻件图是终锻模具设计的一项重要内容。考虑到金属冷缩现象， 热锻件图上的尺寸应比冷锻件图的相应尺寸有所增大。终锻温度下６０６１铝 合金的收缩率为１．２％。对于无坐标中心的圆角半径不放收缩率。 铝合金轮毂需要经过旋转锻造制坯、半闭式预锻、开式终锻、切边和 旋压工序完成，根据体积不变原理，各工序消耗金属的体积加上成品车轮 的体积总和应该和锻件图体积相等。根据所制定的铝合金轮毂锻造工艺， 终锻采用开式锻造，终锻件必须满足如下要求： （１）终锻件轮辐正面不再进行后序机加工，因此其锻造精度必须满足轮 毂零件产品要求，轮缘部分也只需要精密车削加工，在留有加工余量的前 提下应该保证其锻造精度； （２）终锻件的连皮必须低于轮辐，这主要是考虑到在后面的工序中去除 连皮方便，窗口处５处连皮在车床上车去； （３）终锻时，在保证终锻件轮辋体积能够旋压的前提下，需要合理的设 计轮辋尺寸，轮辋轴向长度不应过长，越长越不利于其充满； （４）终锻工步采用开式模锻，终锻件有飞边，为了能够在一个工序里进 行扩口和切飞边，终锻件飞边设计为先出横向飞边，再出纵向飞边。 在设计终锻件时，由于锻件轮辐的正面不再加工，而轮辐背面和轮辋 还得后序机加工，因此需要在产品零件形状的基础上加上机械加工余量； 根据成品车抡的结构和形状设计出终锻热锻件图如图３．１所示：图３．１终锻件几何造型Ｆｉｇ．３?１ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆｆｉｎｉｓｈｅｄ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐａｒｔ ３２第３章轿车铝合金轮毅模锻模具设计由终锻热锻件图设计出终锻模具如图３．２所示：Ｉ２３４５６１上项杆２上模套３上模４ Ｆ模５Ｆ模套６Ｆ】页杆图３－２终锻模具装配图Ｆｉｇ．３―２ Ｇｅｎｅｒａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｄｉｅ ｆｏｒ ｆｉｎｉｓｈ－ｆｏｒｇｉｎｇ３．４预锻工步及模膛设计采用预锻工步的主要目的是在终锻前利用预锻模具合理的分配金属， 使坯料形状接近于模锻件形状，以确保金属无缺陷的流动，，易于充填型槽； 减少材料流向毛边的损失；减少终锻型槽磨损（由于减少金属流动量）；获得 所希望的流线和便于控制锻件的力学性能。‘由于铝合金轮毂锻件形状复杂，故铝合金轮毂模锻成形时一般需要先 预锻，使坯料金属在终锻模膛中合理分布以利于成形。预锻件尺寸是否合 理对终锻成形有很大影响．如预锻件外径过小，则轮缘难以充满；如预锻 坯外径过大，则轮腹难以充满并产生较大毛刺。对于怎样确定预锻件尺寸， 许多人都是凭经验并在生产中进行调整，这就带有一定的盲目性，影响生 产效率，造成不必要的浪费。’ ．在归纳整理了大量预锻件设计实例的基础上，通过分析轮毂锻件的金 属流动规律，设计出了轮毂预锻件形状，。并依据现有轴对称件的预锻模膛 设计原则制定出了适合于形状复杂的铝合金轮毅的设计规则．３３燕山大学工学硕士学位论文３．４．１预锻模具的用途（１）改善金属在终锻模膛中的流动条件，避免在锻件上产生折叠； （２）使金属易于充满终锻模膛，避免在锻件上产生充不满的缺陷，同时 可以节省材料； （３）减少终锻模膛的磨损，提高整套锻模的寿命，一般能提高３０％左右； （４）可以合理地利用设备。 当然采用预锻模膛后也产生一些缺陷： （１）使终锻时产生偏心打击，上下模膛容易错移； （２）增大了模块尺寸； （３）降低了生产率。３．４．２预锻模膛设计依据原则由于预锻模膛的设计尚未充分定量化，同时缺少排除不合理形状的约 束条件，一般预成形设计都要经历初始设计，验证设计结果，修改设计， 再验证等一系列过程。验证或用真实材料的试错法，或用替代材料的物理 模拟技术实现，这给预锻模膛的计算机辅助设计带来一定的困难陋¨９１。在 现有轴对称件预锻模膛设计并参看众多预锻件设计实例的基础上，利用人 机交互技术，采用一种较为实用的设计方法，其依据的主要原则为： （１）预锻模膛与终锻模膛体积相等，预锻件与终锻件各部位的体积应匹 配，避免产生回流而造成折叠与流线不顾等缺陷； （２）为使预锻后的毛坯在终锻时以镦粗形式为主，预锻模膛的分模面尺 寸小一些，同时使得模具磨损后仍可使用； （３）预锻模膛高度比终锻模膛大２一Ｓｍｍ（齿轮类锻件取小值，叉类锻件取 大值）【７０１，但对于依靠压入的部位其高度应略小于终锻模膛，顶部宽度相同； （４）预锻模膛的模锻斜度一般与终锻模膛相等，当主要以压人方式充填 终锻模膛时，使预锻件在终锻模膛中与侧壁接触，迫使金属流向模膛深处， 以避免由于金属不完全贴合终锻模膛表面流动遇到阻力而回流，从而在间 隙处形成折叠与流线不顺；３４第３章轿车铝合金轮毂模锻模具设计‘（５）为了改善终锻模膛的工作条件，应将变形量大的部位在预锻时完成。如果锻件两截面交接处的截面差较大或有急转弯时，在设计预锻模膛时这些转角处应做出较大的圆角，１使坯料变形逐渐过渡，这样不但改善金属的 流动条件，同时也避免了在转角处产生不良流线和折叠缺陷的几率； （６）终锻件上的一些高度小的凸台或凹槽，．在终锻时较容易填充，在预 锻时不必锻出，以免终锻时在该处产生折叠与流线不顺【７１１；，（７）为了使金属易于充满预锻模膛，可以将难充满的深穴入口的凸圆角 半径增大．但过大的的Ｒ１会使该处的宽度增加太大，在终锻时造成折叠。 应使Ｒｌ符合式ＲＩ＝Ｒ＋Ｃ要求。、Ｒ为终锻模膛上相应处的圆角半径；Ｃ值按表４．１选取。表４－１１．ａｂｌ“．１终锻模膛筋深ｈ／ｍｍ一Ｃ与ｈ的关系：Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｃ ａｎｄ ｈ＜１０２眦５３２５―００５０Ｃ／ｎｕｎ２４５３．４．３半闭式预锻模具飞边槽的设计在半闭式模锻工艺中，我们把开式模锻中的毛边桥部看作是锻件本身 的一个组成部分，半闭式模锻区别于闭式锻造的关键是存在桥部。区别于 开式模锻的关键是无飞边仓部，桥部以外是一种闭式结构。因此半闭式锻造工艺设计的关键在于桥部嘲。、．３．４．３．１桥部宽度ｂ和高度Ｈ的选取ｂ和日两个尺寸相互影响，如果日 增大，６也要增大，否则会使上模过早撑裂失效．日与ｂ之间应符合最小模 具壁厚公式：’。 ‘ ’．ｂ＞１．２Ｈ（３－４）一般ｂ在８－－，２０ｒａｍ之间选取。 在具体设计中，日是较关键的尺寸，确定也比较困难。过大会降低桥 部的强度，若ｂ也随之增大，则不仅增大了锻压力，而且造成桥部多余材 料的浪费。日过小会形成台阶形飞边，有可能锻不足或充不满。因此，日３５燕山大学工学硕士学位论文的大小以不出现台阶形飞边为原则，最好是当上模下平面与下模上平面重 合时，金属恰好挤满桥部。由于铝合金轮毂锻件形状复杂、充模能力差， 并且需要强迫金属向型槽方向流动，综合考虑各方面因素的影响，取飞边 桥入口处高度为ｌＯｍｍ，宽度为２０ｍｍ。３．４．３．２ｒ圆角和桥部斜度的选取铝合金轮毂在开式模锻中ｒ圆角通常取３－５ｍｍ。但在半闭式模锻中，因金属回流的存在，ｒ就不能像开式模锻那样 小，否则易产生折叠、紊流等缺陷．这里设计桥部入口处ｒ圆角的大小为 ｌＯｍｍ，桥部金属在半闭式锻模中有一个先充满后挤压回流的过程，这是一 个聚拢回流的过程，流向锻件内部的金属速度很大。为了防止金属回流速 度过大造成锻件内部金属流线紊乱、折叠等缺陷，同时考虑到脱模的方便， 桥部留有一定的斜度，其取值为ｌＯ‘。将桥部设计如图３．３所示：图３－３预锻件飞边桥结构Ｆｉｇ．３－３ Ｆｌｓａｈ ｂｒｉｄｇｅ ｏｆｐｒｅｆｏｒｇｉｎｇ３．４．４预锻件形状的确定考虑到终锻件的成形，对于预锻模膛设计成败的关键是预锻热锻件图 的合理设计。合理的预锻热锻件图的设计，在模锻时可获得合理的锻件中 间形状和尺寸，提高材料的利用率，减小金属在终锻模膛的阻力，改善终 锻模膛的受力情况，便于提高锻模的使用寿命和确保锻件在终锻时具有良 好的锻造工艺性等作用。因此，设计与绘制预锻热锻件图具有其必要性和 重要性。３６第３章轿车铝合金轮毂模锻模具设计遵守体积相等这一基本原理，提供设计分析结果和修正数据。设计预 锻模膛将以终锻锻件三维造型作为基础，修改锻件的尺寸，如将终锻件宽 度缩小２ｍｍ，高度加大３ｍｍ，圆角由Ｒ３变为Ｒ６，斜度不变，对于一些细 微的部分予以简化，从而得到预锻件的形状。．依据上述原则并在分析余属流动。同时考虑到预成形锻件在终锻模膛 中的定位，并针对轿车铝合金轮毂的形状特点确定铝合金轮毂半闭式模锻 预锻件形状如图３－４所示。图３―４预锻件几何造型Ｆｉｇ．３?４Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆｐｒｅｆｏｒｇｅｄ ｐａｒｔ３．４．５模膛设计，’ ● ．预锻型槽要以终锻型槽或热锻件图为基础进行设计。设计的原则是经 预锻型槽成形的坯料，在终锻型槽中最终成形时金属变形均匀，充填性好， 产生的毛边最小。 热模锻压力机上半闭式锻造，如采用精密下料无疑会增加下料成本， 如果采用普通下料则易造成闷车和降低模具寿命等问题，因此必须在模具 上设置吸收余料的空间。考虑到铝合金轮毂的结构和锻造工艺要求，在设 计预锻造模具时，我们有意在轮辋高度方向略微放大了一些，这样来调整 下料精度的要求。如果生产中按下差下料，则终锻造后毛边很小，如果按 上差下料，则终锻时又把多余的金属挤到毛边中去。 由于预锻模膛的设计尚未充分定量化，同时缺少排除不合理形状的约 束条件，一般预成形设计都要经历初始设计，验证设计结果，修改设计，３７燕山大学工学硕士学位论文再验证等一系列过程。验证或用真实材料的试错法，或用替代材料的物理 模拟技术实现。这给预锻模膛的计算机辅助设计带来一定的困难１６ｓ‘６９１。预 锻模具的设计原则与终锻模具一样。设计预锻模具如图３．５所示：６ｌ上顶杆２上模套３上模套４下模５下模套６下顶杆图３―５预锻模具装配图Ｆｉｇ．３―５ Ｇｅｎｅｒａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｄｉｅ ｆｏｒ ｐｒｅｆｏｒｇｉｎｇ３．５本章小结本章对轮毂的结构进行了分析和研究，在第二章制定的铝合金轮毂锻 造新工艺的基础上对轮毅进行了预锻和终锻模膛的设计，通过ＵＧ软件进 行了轮毂锻件和模具的三维造型，为后面的模拟分析提供了有限元模型。第４章热力耦合刚塑性有限元基本理论第４章热力耦合刚塑性有限元基本理论４．１引言‘１‘ｔ‘对于金属塑性加工中的体积成形问题（锻造、挤压、轧制等），其弹性变 形与塑性变形相比在总变形量中所占的比例很小．以前的研究表明，体积 成形的冷变形中弹性变形量不超过总变形量的５％，温热变形中弹性变形量 不超过总变形量的１％。因此，忽略这部分弹性变形的影响，采用刚塑性材料模型进行求解，能够得到令人满意的精度，而求解过程却大为简化了。用有限元法分析金属成形过程中采用刚塑性材料模型，这就是刚塑性 有限元法（Ｒｉｇｉｄ－ｐｌａｓｔｉｃ ＦＥＭ）ｔ”Ｊ。 弹塑性有限元法不仅能按照变形路径得到塑性区的发展情况，应力、 应变的分布规律和几何构形的变化，而且还能处理卸载问题，计算残余应 力和残余变形，从而可分析产品缺陷产生的机理和防止措施。弹塑性有限 元法除上述优点外，从分析金属成形过程的计算来看，也有一些不足之处。由于该方法采用弹塑性材料模型，考虑到历史相关性，需要采用增量加载的方式．在每一增量加载步中，都必须做弹性计算，以判断原来处于弹性 区的单元（或数值积分点）是否进入屈服．单元一进入屈服，就要采用弹塑性 本构关系，改变单元刚度矩阵。为保证计算精度，不希望在一次增量加载 中有过多的单元进入屈服，所以增量步长不能太大。因此，用它来分析大 变形的金属成形问题，需要花较多的计算时间和较多的费用。大变形的金属成形过程中，弹性变形部分远小于塑性变形部分，因而可忽略弹性变形而建立刚、塑性材料模型，以此大大简化有限元列式和计 算过程。同时，可用较大的增量步长，减少计算时间，在保证足够工程精 度下提高计算效率。但是，由于忽略了弹性变形，刚塑性有限元法仅适用 于塑性变形区域的分析，不能直接分析刚性区和弹性区的变形和应力状态，也不能处理卸载问题和计算残余应力和残余变形。此外，由于做了刚塑性假设，对一般的体积不可压缩材料，因其静水压力与体积应变率无关，所 以必须做特殊处理，才能求出应力张量，否则只能求出偏应力张量。这就３９燕山大学工学硕士学位论文使得刚塑性有限元法与弹塑性有限元法在处理方法上很不相同。 刚塑性有限元法通常采用率方程，通过Ｍａｒｋｏｖ变分将变形后的构形在 离散空间上对速度进行积分，从而避开了几何非线性问题。 与弹塑性有限元法相比，刚塑性有限元法求解过程中没有应力积累误 差，不存在单元逐步屈服的问题，可以用数目相当的单元求解大变形问题， 计算量和处理问题的复杂程度比弹塑性有限元法大为简化，已经成为分析 金属成形过程、进行工艺和模具设计的有力工具。４．２有限元的基本思想有限元的基本原理是将求解未知场变量的连续介质划分为有限个单 元，单元问用节点连接，每个单元问用插值函数表示场变量，插值函数由 节点值确定，单元之间的作用由节点传递，建立物理方程。将全部单元的 插值函数集合成整体场变量的方程组，再进行数值计算口４１。其计算步骤如下：．（１）用几何形状简单的单元将连续介质体离散化： （２）假设各节点仅在外边界上的若干节点相连，取这些节点的位移或速 度为基本未知量； （３）选择插值函数； （４）单元分析，建立单元的基本方程； （５）单元方程集合成系统方程组； （６）求解系统方程组； （７）进行参量计算。４．３基于不同材料本构关系的有限元法在塑性成形的有限元数值模拟中，根据材料非线性本构关系的不同， 有限元法分为弹塑性有限元法、刚塑性有限元法及粘塑性有限元法。这些 分析方法都是运用能量方程建立泛函，进行变分后再求解。４．３．１弹塑性有限元法弹塑性有限元法可以得到塑性区的发展情况，应力、应变的分布规律４０第４章热力耦合刚塑性有限元基本理论及几何形状的改变，并能有效地处理卸载问题，计算残余应力和应变；但 由于采用增量形式加载而每次加载的步长又不能太大，计算时间很长，所 以弹塑性有限元更适用于小变形问题的分析。．４．３．２刚塑性有限元法?刚塑性有限元基于小应变的位移关系，忽略弹性变形建立刚塑性材料 模型。考虑材料在塑性变形过程中的体积不变条件，以Ｌｅｖｙ－Ｍｉｓｅｓ方程为 本构方程。 在处理物理非线性性质时，采用增量的方法将非线性的材料木构关系： 在一小段增量范围内进行线性化处理。可取较大的步长增量，计算时问少， 求解速度快，效率高，适用于大变形的问题求解。但不能处理卸载问题，计算残余应力和回弹｛７５１，理论依据也不如弹塑性有限元严谨。 ４．３．３刚粘塑性有限元法．考虑到材料在应变速率对材料的屈服应力有明显影响或高温下成型 时，某些材料同时具有塑性及粘性的特殊性