6061铝合金轮圈等温锻造变形模拟研究
曾欣 王家宣
（南昌航空大学航空制造工程学院，南昌 330063）
摘要：锻造铝合金轮圈具有良好的综合力学性能，但是锻造铝合金轮圈的发展一直受到复杂的锻造工艺和模具结构的限制。本文将等温锻造与6061铝合金轮圈锻造工艺相结合，采用有限元数值模拟，对轮圈整个变形过程进行模拟，分析了坯料的变形情况，讨论了轮圈变形过程中坯料的温度、应力、载荷的分布和变化情况。
关键词：等温锻造
铝合金轮圈
有限元数值模拟
中图分类号：TG316
文献标识码：A
文章编号：
Simulation of Isothermal forging deformation for 6061 aluminum alloy wheel (School of Aeronautical Manufacturing Engineering Nanchang hangkong
University ,Nanchang ,330063 )
Zeng Xin ，Wang Jia Xuan
Abstract :The forging aluminum alloy wheel has good comprehensive mechanical properties，but his development has been always subject of complex constraints of forging craft and die structure. This paper combing isothermal forging and the forging craft of 6061 aluminum alloy wheel，the finite element numerical simulation method was used to simulate the forging process，Simulation of the whole deformation pro- -cess，analysis of the deformation of the blank，discusses the distribution and change of temperature、stress、force in the deformation process of the blank. Keywords: Isothermal forging；aluminum alloy wheel；numerical simulation 锻造轮圈一般是通过闭式模锻来进行生产，闭式模锻也称无毛边模锻。在变形过程中，金属始终被封闭在型腔内完成充型，迫使金属充满模具型腔而不形成毛边。影响闭式模锻型腔充填效果的因素很多，如坯料的形状、体积精度、坯料在型腔内的定位等。对于6061铝合金等温闭式模锻来说，由于铝合金变形温度范围窄、对应变速率敏感、摩擦系数大、流动性差、黏性大等特点，在锻造时的变形速率、模具的润滑、锻造温度的选择等都对坯料的充填型腔、锻件的出模、锻件的表面质量都会产生很大的影响，因此，对6061铝合金轮圈等温锻造成形过程进行模拟研究，有助于指导在实际生产中的锻造工艺参数的制定，降低生产成本，提高锻件的质量和模具的使用寿命。 [1]
1 模具模型的建立
根据轮圈零件的形状（如图1），绘制出锻造模具，并运用Unigraphics NX软件对模具进行三维造型和装配，装配后的三维效果如图2所示。
图1 轮圈零件三维示意图
图2 等温锻模具装配示意图 收稿日期:;
修订日期:2014------------;
作者简介:曾 欣 (1989―)，男，硕士； 通讯作者：曾 欣； 电子信箱：
Fig.1 Three dimensional drawing of part
Fig2. Assembly drawing of mold 2 模拟的前处理
6061铝合金等温锻造模拟前处理过程分为3个阶段，第1阶段为坯料的转移，是指将坯料从加热炉中转移至模具型腔内，坯料外表面与环境进行自由热交换。第2阶段为坯料与下模接触，由于等温锻造下模与坯料的温度相近，可以近似的认为相等，可以避免坯料在与下模的接触过程中产生激冷效果。一般6061铝合金推荐的锻造温度范围为430℃～480℃，由于坯料在变形过程中会与型腔表面摩擦产生热量以及随着变形产生热效应，为了防止坯料在变形过程中温度过高，坯料的加热温度选择450℃。第3阶段为坯料的变形过程，在这个过程中上模向下运动，使坯料产生塑性变形，直至充满整个型腔。
根据锻件体积获得坯料为Φ456×Φ74×50mm的环形饼坯，由于轮圈零件为对称结构，为了提高模拟的运算速度，在模拟时，取零件的1/10来进行模拟，网格划分采用三角形和四面体单元结构，尺寸比例为2，最小单元尺寸为2mm，网格数量为61368个（如图3所示）。模具温度为450℃，上模的压下速度为恒定速度1mm/s，坯料与型腔表面的摩擦因子为0.3。将绘制好的上模、下模和坯料模型导入Deform-3D软件中，根据上模的行程和最小单元的尺寸来选取每一步的压下量，以及设定总的模拟步数，由于在6061铝合金轮圈等温锻造模拟中，主要关心的是成形过程中工件的变形情况，因此采用刚塑性有限元法来进行计算，以减少计算量。
图3 坯料划分网格后的1/10坯料
Fig3 1/ 10 blanks of grid division
3 等温锻造模拟过程
Deform―3D软件的后处理模块能够提供工件的变形形状、模型表面或任意剖面上的应力-应变分布云图、变形过程的动画显示、选定位置的物理量与时间的函数关系曲线、沿任意曲线路径的物理量分布曲线，操作者能够清楚了解模拟结果，预测成形质量和成形缺陷，为模具和生产工艺的改进提供依据。
3.1 锻造成形模拟过程中行程―载荷曲线
在坯料与模具温度为450℃，上模压下速度为
1mm/s，摩擦系数为0.3的条件下，通过模拟，得到
如图4的行程―载荷曲线。
整个成形过程可以分为三个阶段：镦粗成形阶段
（ab）、挤压成形阶段（bc）、最终成形阶段（cd）。
在变形初期，载荷平稳上升，变化幅度不大，变形力
较小；随着坯料与型腔表面的接触面积以及变形程度
的增大，载荷上升速度增加，变形力随行程变化越来
越明显，坯料变形流动越来越困难。
图4 轮圈整体等温锻造行程―载荷曲线
Fig4. stroke―load curve
3.2 锻造成形模拟过程中温度变化与分布情况
轮圈锻造过程中，坯料与模具温度变化和分布情况以及坯料充填型腔的情况如图5所示。
分析图5a至图5d可以看出，坯料在从加热炉转移至型腔过程中，坯料表面温度有一定的降低。在镦[2]收稿日期:;
修订日期:2014------------;
作者简介:曾 欣 (1989―)，男，硕士； 通讯作者：曾 欣； 电子信箱：
粗成形阶段，坯料在型腔内的流动未受到较大的阻力，因此坯料产生的变形热和摩擦热较少，温度变化不大；在挤压成形阶段，坯料将轮辋与轮辐连接处和上模中心孔与坯料定位杆之间的空间充满后，轮辐与连皮处多余的金属需要克服较大的阻力才能进入未充满的型腔，在此过程中，金属的流动产生了大量的摩擦热以及变形热，使得坯料温度有一定的上升，坯料温度最高温度的地方出现在轮圈锻件中心处的轮毂引流部位，达到了504℃，这是因为随着上模向下运动，上模中心孔与坯料定位杆之间的间隙越来越小，金属流动需要克服巨大的摩擦力，因此，温度变化最大。轮辋与轮辐部位温度均有一定程度的上升，但是均未超过500℃。
图5 轮圈整体等温锻造坯料温度变化情况
Fig5. Temperature changing condition of the blank
at each stage in the simulation process
3.3 轮圈锻造成形模拟过程中金属流动规律
轮圈坯料在模具型腔流动变形过程中，金属的流动规律如图6所示。
从图6中的模拟结果可以得到金属在锻造过程中的流动规律。在镦粗阶段，金属流动首先充填坯料与型腔表面的径向间隙和连皮、轮辐型槽。在挤压成形阶段，金属流动速度增大，金属开始朝轮辋与中心孔处流动，中心孔处金属的流动速度最大，轮辐与连皮搭接处金属流动最复杂。在最终成形阶段，金属主要是流向轮辋内外轮缘、轮辐和连皮未充满的间隙，还有一部分多余的料形成毛刺和流向中心孔，在这个阶段，中心孔和轮缘处的金属流动速度最大。
收稿日期:;
修订日期:2014------------;
作者简介:曾 欣 (1989―)，男，硕士； 通讯作者：曾 欣； 电子信箱：
图6 轮圈整体等温锻造金属流动的速度矢量图
Fig6. Velocity vector of simulation of metal flow stages
3.4 轮圈锻造成形模拟过程中的等效应力场
轮圈坯料锻造成形过程中的等效应力场分布如图7所示。从图中可知，坯料锻造成形后应力分布比较均匀。
收稿日期:;
修订日期:2014------------;
作者简介:曾 欣 (1989―)，男，硕士； 通讯作者：曾 欣； 电子信箱：谈航空航天薄壁框体零件的高效加工问题-其它工学论文-论文联盟
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谈航空航天薄壁框体零件的高效加工问题
来源：论文联盟&
作者：卢伟国
谈航空航天薄壁框体零件的高效加工问题
　　薄壁零件因具有刚性好、总质量轻等优点被广泛于航空航天领域中，其形状复杂，精度要求较高。但薄壁零件在加工过程中，常会出现难以装夹和塑性变形情况，造成加工精度降低，产品品质差，生产效率低下现象。某壳体零件就是薄壁件的一种，本文通过分析框体薄壁零件的加工工艺，了有效控制薄壁件切削加工变形的工艺措施和提高加工效率的方法。　　1 框体零件加工变形的原因分析　　1.1 材料加工过程中残余应力的释放　　薄壁框体零件的残余应力包括：毛坯初始残余应力及材料加工过程中的切削残余应力。由于框体零件结构复杂且去除材料较多，材料在切削过程中，因刀具与加工面、切屑之间相互摩擦、挤压，会在零件表层内部容易产生很大的残余应力。这种残余应力与毛坯初始残余应力相互作用，致使零件某些局部发生塑性变形，造成不同程度的误差。　　1.2 刀具对工件的削切作用　　在使用刀具削切材料的过程中，刀具和切削工件之间进行摩擦，会产生切削力和切削热，在切削力和切削热共同作用下，易造成材料的回弹变形、塑性变形。薄壁零件在切削力的作用下，会出现切削震颤而引起加工变形，且变形趋势很难把握。切削热造成了零件各部位温度不均，影响零件的表面品质和加工精度。　　1.3 工件的装夹工艺　　工件的装夹工艺是影响薄壁件制造的首要条件，夹紧力位置、夹紧力和装夹方案等都是引起薄壁件变形和出现误差的因素，装夹不当可直接引起加工变形。零件在台加工时，通常用四爪盘卡紧，为保证零件在加工过程中不松动，夹紧力与切削力应同步增大，且夹紧力大于切削力，这样切削出来的零件在卡爪松开后早已发生较大变形。精加工和粗加工阶段采用同样的装夹方式，即使经过磨削加工，也难以满足图纸的尺寸和几何精度要求。　　2 控制加工变形的工艺分析本文由联盟收集整理　　2.1 消除薄壁零件残余应力　　薄壁零件的初始残余应力，通常与毛坯材料的受热因素有关，而加工残余应力通常在另加加工后才反映出来。如何发现并预测薄壁零件制造过程中的残余应力影响十分重要。　　导致薄壁零件的残余应力变形的两个主要因素为：受热因素和力因素。二者的耦合增加了分辨和控制难度。为有效控制薄壁框体零件的残余应力变形，可使用有限元建模分析手段将机械力因素和受热因素分离，建立加工模型对各种因素产生变形的大小进行预测和控制。针对残余应力的控制，可以建立零件加工的残余应力模型，使用有限元建模的方式模拟薄壁框体零件变形矫正后的结果，分析数值预测回弹，由此预测残余应力，并对变形进行量化控制。　　工件毛胚初始残余应力的消除，能有效减小零件的加工变形。针对毛胚初始残余应力，可采用预拉伸、振动时效以及深冷处理的方法。薄壁结构的多框体零件，在加工过程极易变形，可采用均等去除余量原则轮流进行加工，在加工时保证余量依次递减并多次轮流，去应力效果会更好，工件加工后变形更小。利用极冷极热的较大温差促使工件材料发生局部微观塑性变形，从而降低材料内部残余应力，使均匀性得以改善，稳定尺寸，减小工件变形。此外，深冷处理的温差越大，去应力效果越好。　　2.2 优化加工工艺　　薄壁框体工件由于壁厚较小，而壁厚减小会导致其刚性降低，在铣削加工时，同时受切削力、切削热、切削震动等因素的影响而引起工件的回弹变形和挤压变形，使加工精度难以控制，加工效率不高。　　因此，选择合适的刀具、加工工艺和切削参数是加工薄壁零件时应当采取的必要措施。首先，合理设计加工步骤。在切削过程中，尽可能将工件的未加工部分作为正在初削部分的支撑，减小切削力、切削热作用产生的残余应力，以使切削部分处于较佳刚性状态。其次，优化削切加工工艺。　　刀具的下刀方式有水平铣削、垂直铣削、S形铣削等几种，下刀方式直接影响工件加工精度，如垂直进刀方式向下压腹板会引起腹板弯曲变形。应合理控制切削参数，采取多次、余量渐小的方法，增加走刀次数和走刀量，以实现高速、匀速切削的目的。　　2.3 优化装夹工艺针对工件装夹工艺的不足，可采取措施优化装卡方式，在每道工序前给工件安装胎具，以卡紧胎具代替卡紧工件，以垂直轴向拉紧工件，由此解决工件因装夹引起的变形问题。对于一些不方便装夹定位的工件，可使用材料辅助支撑，以提高零件的刚性和紧固零件。浇灌石蜡、石膏，填充低熔点合金填充等工艺方法，通常被用来作为减小零件变形的方法来使用。　　3 薄壁框体零件高效加工工艺　　数控高速加工是目前广泛采用的加工工艺，使用这种工艺将控制薄壁零件变形的措施程序固化，从而避免了因操作者不同而引起的质量差异。数控高速加工主要使用高速切割铣削方法，采用粗加工-时效处理-半精加工-精加工的工艺原则，&小切深，快刀走&走刀方式，其具有明显优势：刀具高速旋转时与工件接触的瞬间，工件被软化，切削力变小而加工速度变快；同时切削热被迅速带走，排除了切削热造成的工件变形，能保障零件加工精度和提高加工效率。　　在高速切割铣削粗加工阶段，刀具以倾斜圆弧进刀或螺旋进刀方式切削工件材料，刀具负荷较稳定，刀轨路径方向不改变，在选择切削参数时，以提高生产率为主，采取高进给率、小切削量和高切削速度的原则，进刀量和刀深进给尽量分别控制在刀具直径的6%～8%和5%之间。切削路径的选择，在进刀时，用圆弧或螺旋进刀方式沿等高线逐层切削，走到至深腔部位时，使用较长刀具铣削。　　在高速切割铣削半精加工阶段，铣切运动不宜剧烈，不可过切，通常使用水平和垂直的进刀方式铣削，切削用量应在确保加工品质的前提下，将切削效率、成本考虑在内。　　在高速切割铣削精加工阶段，加工余量不能留得太大，否则会降低工件的加工效率。在加工时，选择较小的进给，尽量能减小残余应力，从而保证零件表面品质，但这样的精加工工时耗费会是粗加工的几倍。针对薄壁框体零件，应摆脱仅凭确定精加工余量的生产模式，制定合理的精加工余量计算式，以技术优势带动高生产效率的提高。　　4 结束语　　航空航天薄壁框体零件出现加工变形的状况与加工过程中残余应力的释放、刀具的削切作用及工件的装夹条件有关，通过消除薄壁零件的残余应力、优化加工工艺和装夹工艺，能有效解决这一问题。采用数控高速加工工艺，粗加工-半精加工-精加工的工艺原则，&小切深，快刀走&的走刀方式，合理计算精加工余量，能有效提高加工效率，实现薄壁框体零件的高效加工。
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