CN113941679B - 一种采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法 - Google Patents

一种采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法 Download PDF

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Abstract

一种采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法，涉及一种铝合金车轮等温模锻方法。为了解决铝合金车轮等温模锻材料利用率低和成本高的问题。方法：设计锻件和模具，凹模为组合模，凹模由凹模座、凹模A和凹模B构成，凹模A和凹模B为半环形，凹模座上设置有加热孔；选用6063铝合金挤压棒材，镦粗成饼状坯料，在饼状坯料中心压一个凹坑，在液压机上进行等温模锻的预锻至凸模与凹模的间隙达到6‑8mm，终锻至凸模与凹模的间隙达到3‑5mm。本发明提出一种材料利用采用组合式凹模的铝合金车轮等温模锻方法，等温锻造采用一套模具，降低成本，材料利用率达到71.8％。本发明适用于铝合金车轮等温模锻。

Description

一种采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻 方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金车轮等温模锻方法。
背景技术
近年来汽车行业飞速发展，我国将汽车轻量化作为汽车节能减排的关键措施。对汽车的运动系统部件减重比非运动系统部件的减重节能减排的效果更加明显。汽车车轮是主要的运动部件，它的重量与汽车耗油量息息相关，据统计车轮的重量每减少1％，汽车在行驶中，耗油量会减少2％，所以对汽车车轮的轻量化是十分必要的。
用轻合金材料车轮替代钢制车轮是实现汽车轻量化的重要途径。铝合金车轮是目前汽车上使用最多的轻合金车轮，铝合金车轮主要包括铸造铝合金车轮和锻造铝合金车轮。目前国内铝合金车轮的成型方法还是以低压铸造和重力铸造为主，占全部产量的80％以上。锻造铝合金车轮产品质量好，有高密度的金相组织和良好的机械性能，表面光洁，可用于大型车轮制造。然而铝合金的锻造温度范围较窄，一般都在150℃以内，且铝合金锻件的组织及性能对锻造温度较为敏感。传统热模锻不容易控制温度，从坯料到零件的材料利用率较低，热模锻锻件的平均材料利用率不足20％，锻造铝合金车轮的材料利用率一般不足40％，存在耗材多，成本高的问题，限制了它的应用。因此需要一种先进锻造工艺来满足高性能，低成本的锻造铝合金车轮市场需求。研究表明，铝合金车轮采用等温模锻成形后的锻件力学性能，内部组织及表面质量均比普通锻造及铸造车轮更好。然而等温模锻过程中，若采用一套模具，锻件会留有较大的加工余量，这样会造成大量的原材料浪费，材料利用率通常较低，若采用多套模具，虽然材料利用率提高了，但会大量增加成本。
发明内容
本发明为了解决现有铝合金车轮的等温模锻材料利用率低和成本高的问题。提出一种采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法。
本发明采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法按照以下步骤进行：
一、设计锻件
锻件的各部位的机械加工余量为1-3mm；底孔拔模斜度为2～4°，零件底部镂空处和底孔处保留3mm连皮；锻件的外圆角半径r取2～4mm，锻件的内圆角半径R取4～6mm，热锻件的收缩率为0.55-0.65％；
二、设计模具
凹模为组合模，凹模由凹模座、凹模A和凹模B构成，凹模A和凹模B为半环形，凹模A和凹模B合围构成环形的上凹模，上凹模设置在凹模座上表面并通过螺栓连接；凹模座上设置有12-15个加热孔；凹模A和凹模B的端部设置有凸耳并通过螺栓连接；
三、下料
选用6063铝合金挤压棒材；
四、制坯
将6063铝合金挤压棒材镦粗成直径为400mm、高度110mm的饼状坯料；镦粗后在饼状坯料中心压一个直径180-200mm、深25-30mm的凹坑；
五、预锻
在液压机上进行等温模锻的预锻，模具采用电阻加热，预锻温度为470℃；变形速率为2mm/s，预锻至凸模与凹模的间隙达到6-8mm，凸模与凹模不闭合；
六、终锻
预锻完成后继续进行终锻，终锻所用模具与预锻相同，终锻温度450℃，变形速率2mm/s，终锻至凸模与凹模的间隙达到3-5mm，凸模与凹模不闭合。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种材料利用采用组合式凹模的铝合金车轮等温模锻方法，等温锻造采用一套模具，降低成本，通过设计锻件，模具，下料，制坯等使6063铝合金车轮锻件锻造成形的同时，材料利用率达到71.8％。为解决目前锻造铝合金车轮材料利用率一般不足40％、耗材多、成本高的问题提供了理论依据。本发明先进行预锻，预锻保留一部分压下量，预锻结束后利用终锻完成全部的压下量，能够避免折叠等锻件内部缺陷，更容易控制成形的同时，保证锻件的性能。本发明通过对6063铝合金车轮锻件进行了验证，通过组合式凹模，达到一套模具大幅度提高铝合金车轮锻件材料利用率的良好效果，材料利用率达到71.8％。
附图说明
图1为凹模座的结构示意图；
图2为凹模A的结构示意图；
图3为凹模B的结构示意图；
图4为上凹模的结构示意图；
图5为模具装配图；图中：凸模座-1，凸模-2，凹模B-3，凹模座-4，加热孔-5，凹模A-6，凸耳-7；
图6为饼状坯料的结构示意图；图中：凹坑-8；
图7为终锻后锻件的结构示意图；a处为底孔和连皮，b处为零件底部镂空处和连皮；
图8为终锻后锻件去除连皮后的铝合金车轮产品零件的结构示意图；图中c处通孔为终锻后机械加工获得；
图9为锻件等温模锻模拟等效应力场(带有飞边)；
图10为锻件等温模锻模拟等效应变场(带有飞边)；
图11为锻件等温模锻模拟温度场(带有飞边)。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法按照以下步骤进行：
一、设计锻件
锻件的各部位的机械加工余量为1-3mm；底孔拔模斜度为2～4°，零件底部镂空处和底孔处保留3mm连皮；锻件的外圆角半径r取2～4mm，锻件的内圆角半径R取4～6mm，热锻件的收缩率为0.55-0.65％；
二、设计模具
凹模为组合模，凹模由凹模座、凹模A和凹模B构成，凹模A和凹模B为半环形，凹模A和凹模B合围构成环形的上凹模，上凹模设置在凹模座上表面并通过螺栓连接；凹模座上设置有12-15个加热孔；凹模A和凹模B的端部设置有凸耳并通过螺栓连接；
三、下料
选用6063铝合金挤压棒材；
四、制坯
将6063铝合金挤压棒材镦粗成直径为400mm、高度110mm的饼状坯料；镦粗后在饼状坯料中心压一个直径180-200mm、深25-30mm的凹坑；
五、预锻
在液压机上进行等温模锻的预锻，模具采用电阻加热，预锻温度为470℃；变形速率为2mm/s，预锻至凸模与凹模的间隙达到6-8mm，凸模与凹模不闭合；
六、终锻
预锻完成后继续进行终锻，终锻所用模具与预锻相同，终锻温度450℃，变形速率2mm/s，终锻至凸模与凹模的间隙达到3-5mm，凸模与凹模不闭合。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式提出一种材料利用采用组合式凹模的铝合金车轮等温模锻方法，等温锻造采用一套模具，降低成本，通过设计锻件，模具，下料，制坯等使6063铝合金车轮锻件锻造成形的同时，材料利用率达到71.8％。为解决目前锻造铝合金车轮材料利用率一般不足40％、耗材多、成本高的问题提供了理论依据。本实施方式先进行预锻，预锻保留一部分压下量，预锻结束后利用终锻完成全部的压下量，能够避免折叠等锻件内部缺陷，更容易控制成形的同时，保证锻件的性能。本实施方式通过对6063铝合金车轮锻件进行了验证，通过组合式凹模，达到一套模具大幅度提高铝合金车轮锻件材料利用率的良好效果，材料利用率达到71.8％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中锻件的各部位的机械加工余量为2mm。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中锻件的外圆角半径r取3mm，锻件的内圆角半径R取5mm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中底孔拔模斜度为3°。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中凹模座上设置有15个加热孔。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：镦粗后在饼状坯料中心压一个直径190mm、深27mm的凹坑。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤五中预锻至凸模与凹模的间隙达到7mm。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤六中终锻至凸模与凹模的间隙达到4mm。
实施例1：
图8是某铝合金车轮，材料为6063铝合金，零件高291.6mm最大直径594.8mm，最小直径511.5mm，壁厚约17mm，整体形状复杂，体积为11075521mm3。为提高材料利用率，提出了一种采用组合式凹模的6063铝合金车轮等温模锻方法，使材料利用率达到71.8％，它包括以下步骤：
一、设计锻件
如图7所示，锻件的各部位的机械加工余量为2mm；锻件侧壁本身有斜度，底孔拔模斜度为3°，零件底部镂空处和底孔处保留3mm连皮。锻件的外圆角半径r取3mm，锻件的内圆角半径R取5mm，热锻件的收缩率为0.55-0.65％；
二、设计模具
如图1～4所示，在设计凹模时，考虑车轮锻件外侧结构复杂，内侧结构凹型幅度较大，为方便出模，凹模为组合模，凹模由凹模座、凹模A和凹模B构成，凹模A和凹模 B为半环形，凹模A和凹模B合围构成环形的上凹模，上凹模设置在凹模座上表面并通过螺栓连接；凹模座上设置有15个加热孔；凹模A和凹模B的端部设置有凸耳并通过螺栓连接；该模具在锻件成形后，卸下紧固螺栓，分开凹模A和凹模B，来实现锻件出模；锻件侧壁不需要过大的加工余量，能有效的节省材料，提高材料的利用率，且节约成本。
三、下料
选用6063铝合金挤压棒材；棒材的成形性能好，且成形后的锻件流线好；
四、制坯
将6063铝合金挤压棒材镦粗成直径400mm、高度110mm的饼状坯料。镦粗后在饼状坯料中心压一个直径190mm、深27mm的凹坑；如图6所示。饼状坯料构成压入式毛坯，利用反挤成形，在进行6063铝合金车轮等温模锻凸模下行时，凹坑有助于金属向四周流动，减小变形抗力，使铝合金车轮锻件外壁易于充满。
五、预锻
在液压机上进行等温模锻的预锻，模具采用电阻加热，预锻温度为470℃；变形速率为2mm/s，可以有效控制坯料的变形程度和锻件的流线分布；预锻至凸模与凹模的间隙达到7mm，凸模与凹模不闭合；
六、终锻
预锻完成后继续进行终锻，终锻所用模具与预锻相同，终锻温度450℃，变形速率2mm/s，终锻至凸模与凹模的间隙达到4mm，凸模与凹模不闭合。终锻得到的锻件经机械加工去除飞边，获得最终铝合金车轮锻件。
锻件经机械加工，得到如图8
利用有限元数值模拟软件DEFORM对6063铝合金车轮等温锻造过程进行数值模拟分析，如图9～11所示。结果表明车轮锻件可以成形且无明显缺陷，等效应力场，等效应变场，温度场等数据合理，经测量饼状坯料的体积为15416201mm3，从坯料到零件，材料利用率可以达到71.8％。本实施例先进行预锻，预锻保留一部分压下量，预锻结束后利用终锻完成全部的压下量，能够避免折叠等锻件内部缺陷，更容易控制成形的同时，保证锻件的性能。通过对6063铝合金车轮锻件进行了验证，通过组合式凹模，达到一套模具大幅度提高铝合金车轮锻件材料利用率的良好效果，材料利用率达到71.8％，并且降低了成本。

Claims (8)

1.一种采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
一、设计锻件
锻件的各部位的机械加工余量为1-3mm；底孔拔模斜度为2～4°，零件底部镂空处和底孔处保留3mm连皮；锻件的外圆角半径r取2～4mm，锻件的内圆角半径R取4～6mm，热锻件的收缩率为0.55-0.65％；
二、设计模具
凹模为组合模，凹模由凹模座、凹模A和凹模B构成，凹模A和凹模B为半环形，凹模A和凹模B合围构成环形的上凹模，上凹模设置在凹模座上表面并通过螺栓连接；凹模座上设置有12-15个加热孔；凹模A和凹模B的端部设置有凸耳并通过螺栓连接；
三、下料
选用6063铝合金挤压棒材；
四、制坯
将6063铝合金挤压棒材镦粗成直径为400mm、高度110mm的饼状坯料；镦粗后在饼状坯料中心压一个直径180-200mm、深25-30mm的凹坑；
五、预锻
在液压机上进行等温模锻的预锻，模具采用电阻加热，预锻温度为470℃；变形速率为2mm/s，预锻至凸模与凹模的间隙达到6-8mm，凸模与凹模不闭合；
六、终锻
预锻完成后继续进行终锻，终锻所用模具与预锻相同，终锻温度450℃，变形速率2mm/s，终锻至凸模与凹模的间隙达到3-5mm，凸模与凹模不闭合。
2.根据权利要求1所述的采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法，其特征在于：步骤一中锻件的各部位的机械加工余量为2mm。
3.根据权利要求1所述的采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法，其特征在于：步骤一中锻件的外圆角半径r取3mm，锻件的内圆角半径R取5mm。
4.根据权利要求1所述的采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法，其特征在于：步骤一中底孔拔模斜度为3°。
5.根据权利要求1所述的采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法，其特征在于：步骤二中凹模座上设置有15个加热孔。
6.根据权利要求1所述的采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法，其特征在于：镦粗后在饼状坯料中心压一个直径190mm、深27mm的凹坑。
7.根据权利要求1所述的采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法，其特征在于：步骤五中预锻至凸模与凹模的的间隙达到7mm。
8.根据权利要求1所述的采用组合式凹模提高材料利用率的铝合金车轮等温模锻方法，其特征在于：步骤六中终锻至凸模与凹模的的间隙达到4mm。
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