摘　要：为生产高性能、低成本、重量轻的汽车轮毂，铝合金材料得到广泛应用；为降低部件的重量，结构轻量化技术被普遍应用于产品设计阶段。传统轮毂铸造工艺对零件性能有所提高，但对其内部组织的改善并不明显。铸锻一体化成形工艺则可以减少甚至消除铸造缺陷，提高工件性能，与铸造工艺相比，该工艺成形出的铝合金轮毂性能接近锻造的铝合金轮毂，质量高，重量轻，且比锻造工艺成本低、工艺简单。文章以１７ｉｎ．铝合金汽车轮毂为对象，采用拓扑优化方法对轮毂进行轻量化设计，并采用有限元仿真与实验相结合的方法，对铝合金轮毂的铸锻一体化成形工艺进行深入研究。通过ＦＯＲＧＥ软件对铝合金汽车轮毂铸锻一体化成形工艺的主要影响因素，即模具温度、活塞压射压力、锻造速度进行有限元仿真，得到不同参数对成形过程的影响规律。

   
   　引　言

    汽车产业发展迅猛，高性能、轻量化的汽车轮毂需求量逐年增加，密度较轻的铝合金材料逐渐取代钢铁材料成为首选生产材料。因此，铝合金汽车轮毂的结构轻量化技术及其制造工艺受到众多学者的关注。前期设计阶段，拓扑优化在保证零件使用性能的前提下，可以减少材料使用量，实现轻量化结构设计，该技术受到设计部门的广泛关注。在铝
合金轮毂的成形阶段，常用生产工艺有重力铸造、低压铸造、挤压铸造和锻造工艺。这些传统工艺获得的工件的内部组织、综合力学性能不理想，且零件较重。而锻造生产的铝合金汽车轮毂虽然性能优异，但工艺复杂，制造成本高，只在少数豪华车辆中使用。与上述传统工艺相比，铸锻一体化工艺可在相对简单的工序下成形出成本较低，但性能接近锻件的汽车轮毂  。铸锻一体化工艺将铸造工艺与锻造工艺巧妙结合，铸造后工件的性能可通过锻造过程提高，且铸造中的缺陷也可通过锻造消除。目前，关于汽车轮毂铸锻一体化成形工艺的研究较少，其工艺参数的选取需要通过试错法获得，但该方法效率较低，成本高；有限元分析法是解决该问题的有效途径之一。而且，现有的轮毂铸锻一体化成形工艺主要工艺参数的系统研究，难以分析其对工艺成形过程和成形件力学性能影响，因此，对该工艺深入系统的研究具有重要的理论与实际意义。

      １　、铸锻一体化成形工艺的简介

     铸锻一体化成形工艺是基于挤压铸造和连铸连轧技术发展起来的一种先进的成形工艺。其利用同一套模具实现先铸造，待工件冷却凝固后，再进行锻造的铸锻联合，该工艺又称为双重挤压铸造或铸锻联合工艺。其核心在于锻造，铸造只需保证铝合金液顺利充满型腔即可，后续的锻造将消除铸造过程中出现的缩松、气孔等缺陷，对工件性能进行改善，合理的工艺参数可以将工件的铸造力学性能转换成锻造力学性能。铸锻一体化成形工艺的工作流程如图１所示，主要分４步，压射活塞将合金液压铸到型腔中；合金液在压射活塞的压力下结晶、凝固；冲头对已凝固的工件进行锻造（锻造量通常较小）；开模、取件，通过推动压射活塞下移将锻造过程中产生的余料从进出料口处挤出。

　
    挤压铸造工艺获得的工件组织属于铸造组织，与之相比，铸锻一体化成形工艺获得的工件组织锻造效果明显，工件性能得到明显改善。此外，该工艺能够消除成形件的缩孔、气孔，力学性能接近锻件；可成形结构复杂的薄壁件，实现近净成形；无需浇口浇道系统，生产效益高；始锻温度高，所需锻造力比一般锻造小；锻造时工件在封闭模内处于三向压应力状态，不易产生裂纹；在锻造力作用下工件表面与模壁紧密相贴，表面质量较高，尺寸精确。

     
                                  图１　铸锻一体化技术流程

    ａ）合模、浇注；ｂ）充型、凝固；ｃ）锻造；ｄ）开模、取件
    １－上模板；２－上模压板；３－下模；４－上模；５－下模压板；６－料筒
    ７－下模板；８－压射活塞；９－输液管；１０－定量勺；１１－输液管压头

 
    ２、　轮毂零件的拓扑优化及其模具结构

    ２．１　轮毂零件的拓扑优化

    铸锻一体化工艺能提高零件的力学性能，因此，有必要对原铸造的铝合金轮毂进行轻量化设计，降低生产成本。

    研究的汽车铝合金轮毂毛坯最大直径为１７ｉｎ，高１５１ｍｍ，轮毂的轮芯部位、轮辐部位、轮辐和轮辋交界处较厚，轮辋部位较薄。轮毂壁厚最厚处为轮芯凸台部位，近轮毂中心部位较厚。

     ２．１．１　定义材料属性

      按照材料性能对软件中的各项参数进行设置，轮毂材料为铝合金Ａ３５６，其物理性能［４］如表１所示。
 
      表１　Ａ３５６的物理性能

     ２．１．２　定义载荷及边界条件

     由轮毂受力分析可知，轮毂正常状态下，其受力可等效为轮辋轴向７　８００ｍｍ２ 的面积上并在轮毂局部施加０．９ＭＰａ的载荷压强，在轮毂中心装配轴承孔处建立ＲＢＥ２刚性单元，并约束该单元的６个自由度，从而实现轮毂的固定，利用Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ进行优化分析，其有限元模型如图２所示。
  

                      图２　成形用汽车轮毂的有限元模型

    根据建立的轮毂拓扑优化设计数学模型，设定拓扑优化设计的相关参数，优化区域为轮毂的７个轮辐区及轮毂中心区域，优化变量为优化区域离散单元的假想密度，优化目标为应变能最小，约束为体积上下限值。为使优化出的结构便于制造，在Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ的Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ模块中设置最大最小尺寸，避免优化后结构的材料过度集中或出现网线化；添加拔模方向约束使优化后的结构便于铸造；添加模型重复约束，保证优化后７个轮辐的结构一致性。以轮辐优化后的模型对轮毂中心进行优化。

    密度值取０．３的轮辐部位和轮毂中心部位的拓扑优化结果分别如图３和图４所示，轮辐中间区域与轮毂中心５个螺栓孔之间区域的材料因密度值低于０．３而被去除。

     
                 图３　轮辐部位的拓扑优化结果

       
                        图４　轮毂中心部位优化结果

     应用旋压工艺提高轮毂铸锻一体化工艺成形件轮辋部位的性能，并按体积不变原理对轮辋部位进行旋压预留量的设计。根据优化结果对轮毂重新建模，与优化前相比，轮毂质量减轻１０％，如图５所示，并以此模型作为铸锻一体化工艺的成形模型。

                图５　拓扑优化后的轮毂模型

     ２．２　铸锻一体化成形模具结构

     汽车轮毂铸锻一体化成形工艺需要使用结构复杂的铸锻复合模具，铸锻复合模具中锻造功能的实现对轮毂零件的成形性能有重要影响。轮毂铸锻一体化成形模具结构如图６所示，合模后由冲头、上模、侧模、底模、浮动模组成封闭型腔。

                          图６　模具总装爆炸图
 
    １，３，１１，１３－侧模镶块；２，４，１２，１４－侧模抽芯滑块；５－浮动模
    ６－进出料套；７－下模架；８－氮气弹簧；９－底模；１０－轮毂工件
    １５－冲头；１６－上模；１７－上模架；１８－推杆；１９－推杆压板

     ３　、工艺参数对铸锻一体化成形的影响

     在铸锻一体化成形工艺中，模具温度、活塞压射预压力、锻造时间是重要的影响因素。本文采用ＦＯＲＧＥ软件对各参数的影响规律进行分析。锻造区域为轮芯和轮辐部位。假设压铸工序中合金液瞬间充满型腔，工件在模具内冷却，浇注温度均为７００℃，始锻温度４８０℃，锻造量均为３ｍｍ，采用如下３个模拟方案。

     模拟方案１：活塞压射压力１００ＭＰａ，锻造速度０．１ｍｍ／ｓ，模具温度１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃。

    模拟方案２：模具温度３００℃，锻造速度０．１ｍｍ／ｓ，活塞压射压力５０ＭＰａ、１００ＭＰａ、１５０ＭＰａ、２００ＭＰａ。
 
    模拟方案３：模具温度３００℃，活塞压射压力１００ＭＰａ，锻造速度０．０５ｍｍ／ｓ、０．１ｍｍ／ｓ、０．１５ｍｍ／ｓ、０．２ｍｍ／ｓ。

     ３．１　模具温度对铸锻一体化工艺的影响

     在铸锻一体化成形中，不同模具温度下工件的温度场变化、所需待锻时间及锻造力均不同。本文采用的压铸成型方式模具温度取１５０℃～３００℃。获得不同模具温度１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃下（见模拟方案１）工件温度场的分布，并确定不同模具温度下所需的锻造力。模具温度为２００℃时，待锻时间内轮毂工件典型时刻的温度场分布如图７所示，壁厚的位置冷却较慢，易出现缩松、缩孔等缺陷。４种模具温度下锻造力随时间的变化规律如图８所示。

                       图７　待锻时间内典型时刻温度场的分布
                                  ａ）正面；ｂ）反面

                      图８　不同模具温度下的锻造力随时间的变化关系

     由图８可知，模具温度为１５０℃时需要２　８００ｔ左右的锻造力，模具温度为３００℃时需要１　５００ｔ左右的锻造力，轮毂铸锻一体化工艺所需锻造力的大小随着模具温度的升高明显下降。因此，在一定的温度范围内，较高的模具温度可以降低锻造力，节省能源。

     ３．２　活塞压射压力对铸锻一体化工艺的影响铸锻一体化成形工艺在铸造充型后，其压射活塞将继续对金属施加一定的预压力，以获得致密度高的轮毂件。工件凝固后，锻造过程产生的余料将从进出料口处被挤出模具。按照模拟方案２建立４组有限元模型。由于工件所受压强直接影响成形组织的致密性及均匀性和锻造效果的好坏，故对不同压强下的工件所受压强云图进行模拟分析，如图９所示。轮芯及轮辐所受压强较其余部位高，因此可预测这两处的组织比其他部位致密。

                                 图９　工件所受压强云图

     由有限元模型模拟分析可知，活塞压射压力较小时，锻造力和工件所受三向压力也较小，此时，锻造余料易被从进出料套挤出，难以提高工件的性能；随着活塞压力的增大，工件所受三向压力显著增大，此时，工件的致密性增强，性能提高；但活塞预压力超过１５０ＭＰａ后，工件所受三向力增加幅度较小，锻造余料从模具接触面处挤出，易产生飞
边现象。此时，模具处于高温下，内部压力过大易使其变形或损坏，影响使用寿命，因此活塞预压力应取１００ＭＰａ～１５０ＭＰａ。

     ３．３　锻造速度对铸锻一体化工艺的影响

     不同锻造速度下，工件的变形率不同，所需的锻造力也不同。按照模拟方案３进行模拟，结果如图１０所示。在相同工艺条件下，锻造速度越小，所需锻造时间越长，锻造力越小。由于模具具有保温作用，温度对锻造力的影响很小，因此工件变形率才是影响锻造力的主要因素。而锻造速度越小，工件变形率和所需锻造力也越小。过小的锻造速度不利于产品的成形；较大的锻造速率影响模具的性能和使用寿命，同时剧烈的金属塑性变形可能会使金属局部过热。因此，汽车轮毂的锻造速度取０．１ｍｍ／ｓ～０．１５ｍｍ／ｓ。

                     图１０　不同锻造速度下锻造力随时间的变化关系

     ４、　实验研究及性能分析

     为了研究铸锻一体化成形工艺对轮毂组织和性能改善情况，在苏州三基铸造装备股份有限公司完成了铝合金Ａ３５６汽车轮毂铸锻一体化成形实验研究，并对其金相组织进行分析。

      ４．１　实验条件

     使用该公司的ＳＣＶ～２０００立式挤压铸造机，采用压铸充型。依据模拟结果设置实验参数，即充型时合金液浇注温度７００℃，模具温度３００℃，锻造量３ｍｍ，锻造速度０．１２ｍｍ／ｓ，活塞压力１００ｔ，充型８ｓ后开始锻造，成形的铝合金轮毂铸锻一体化成形件如图１１所示。

     ４．２　实验结果分析

     对图１１所示轮毂样件锻造区域的轮芯凸台部位和非锻造区域的轮辐与轮辋连接部位取样观察，其金相组织如图１２所示。

             图１１　铸锻一体化轮毂成形件及取样位置  

                                       图１２　轮毂试样的金相组织
                          ａ）未锻造区域的金相组织；ｂ）锻造区域的金相组织

     轮辐与轮辋连接处的金相组织中α－Ａｌ以树枝状结构为主（见图１２ａ），组织分布疏松［５－７］，属于典型的铸造组织。缩孔率为０．５２％。这是因为，该位置没有经过锻造，组织未能得到改善。轮毂芯凸台部位的壁厚较厚、冷却慢，易生成缩松、缩孔等缺陷，且锻造时易产生过热现象，因此该处的组织（图１２ｂ）比较粗大，但组织中的α－Ａｌ多为粒子状或玫瑰花状，且分布均匀，结构致密。该处的铸造组织已转化为锻造组织，缩孔率为０．３０％。零件的性能得到改善。这与上述的仿真结果一致，表明铸锻一体化成形工艺可通过锻造来改善锻造区域的铸造组织，提高轮毂工件锻造区域的性能。

     ５、　结　论

      对１７ｉｎ铝合金Ａ３５６汽车轮毂进行了拓扑优化，实现汽车轮毂的轻量化设计。对铸锻一体化成形工艺进行研究，获得了模具温度、压射活塞压力和锻造速率对轮毂连铸连锻工艺的影响规律，并通过实验验证了连铸连锻工艺对工件性能的改善情况。

     １）用拓扑优化来对原铸造零件进行轻量化设计，轮毂的重量可减轻１０％。
     ２）充型后冷却凝固时轮毂厚壁部位温度较高，冷却速度慢，薄壁部位温度较低，冷却快，因金属凝固缩松现象，轮毂壁厚部位易产生铸造缺陷，需要后续锻造进行改善。
     ３）锻造过程中适当的压射活塞压力可提高轮毂的致密性，锻造速度影响轮毂的锻造效率及工件的变形率，综合考虑各因素，压射活塞压力取１００ＭＰａ～１５０ＭＰａ、锻造速率取０．１ｍｍ／ｓ～０．１５ｍｍ／ｓ较合适。
     ４）冲头的锻造能改善锻造区域（轮芯凸台部位）的组织，提高工件的性能。