01.商用铝合金轮毂法兰盘几何特征
图1 铝合金轮毂结构
某商用铝合金轮毂结构如图1所示，材料为6061铝合金，直径为ϕ669mm，高度为278mm。
02.商用铝合金轮毂工艺分析
图2 终锻件几何特征
注：Ⅰ为圆凸台；Ⅱ为圆弧处；Ⅲ为外圆处。
（1）终锻件几何特征的确定：根据塑性成型体积不变原则，终锻件体积应为零件体积与机加工余量、切边体积、废料体积之和。经计算将终锻件设计为直径ϕ669mm，高度100mm，终锻件几何特征如图2所示。图2终锻件几何特征注：Ⅰ为圆凸台；Ⅱ为圆弧处；Ⅲ为外圆处。
图3 轮毂法兰盘锻造工艺
（2）由于铝合金轮毂尺寸较大，锻造成形过程复杂，采用一次性锻造成形通常需要较大的成形力且材料填充不饱满，需要增加一道预锻工序。预锻成形可以有效降低金属回流和防止起皱，保证零件的成形质量，另外增加预锻工序可以减少一次性变形程度，有利于降低成形载荷，使金属填充饱满，并且可以减少模具零件的损伤，延长模具使用寿命。将直径为ϕ669mm、高度为52mm的圆形坯料加热以提高材料塑性，再采用反挤压的方式将坯料挤成杯状预锻件，再将杯状预锻件锻成碗状终锻件，然后将该碗形终锻件作为旋压坯料与加热坯料，旋压成旋压件，最后将旋压件机加工、涂装成成品，具体过程如图3所示。
2.轮毂法兰盘有限元模拟及模具结构改进
01.轮毂法兰盘有限元建模
（a）预锻模型
（b）终锻模型
图4 铝合金轮毂锻造模型
针对1.2节成形方案，采用UG三维软件建模，然后将模型以stl格式导出，再导入simufact软件中进行前处理，采用Ringmesh模式对坯料进行网格划分。零件材料为6061铝合金，模具材料为H13钢，预锻、终锻时坯料温度设置为400℃，模具温度设置为350℃；摩擦类型采用剪切摩擦，摩擦因数取0.3。按照1.2节设计，首先对预锻过程进行模拟，再将预锻件及相关信息导入终锻过程，作为终锻过程坯料，进行终锻模拟，建立的模型如图4所示。
02.模拟结果分析及模具结构改进
图5 模具结构改进前和改进后终锻载荷对比
图6 模具结构改进前轮毂终锻件I处填充不满
图7 模具结构改进
（a）改进前
（b）改进后
图8 模具结构改进前和改进后终锻件Ⅰ处对比
按照2.1节设置参数并进行模拟，结果显示终锻载荷过大，最大成形力达到100000kN，如图5所示，且终锻件中I处（见图2）有填充不满的缺陷，如图6所示。从材料流动分析可知，在设计预锻件时，只考虑将预锻件中间厚度挤压成与终锻件Ⅰ处厚度相等，没有考虑终锻件中Ⅱ处（见图2）的减薄，使终锻时Ⅱ处变形程度大，材料流动困难，成形力大，填充不饱满。从模具结构改进方面考虑，将预锻件中对应终锻件Ⅱ处厚度减薄，平衡终锻过程该部分的变形程度，而其他部分保持不变。即将上、下模设计成波浪形，并加工直径ϕ100mm×4mm的圆槽，如图7所示，保证终锻时材料流动顺畅，降低终锻变形程度。模具结构改进后，再次进行有限元模拟分析，其结果如图5和图8所示，最大成形力下降至80000kN，终锻件I处填充饱满（见图8（b））。
3.模具结构改进后终锻有限元模拟分析
（a）终锻过程等效应力分布
（b）终锻过程等效应变分布
图9 终锻模拟分析
模具结构改进后终锻有限元分析结果如图9所示，由图9（a）可知，预锻件上表面最先进入塑性变形，这是因为上表面先接触上模且下端自由，随着上模下行，整个上表面发生塑性变形，形成两侧弧面，此时最大应力约为45MPa，该阶段之前，对应终锻件Ⅰ处应力值最小，说明该部分变形量较小。变形到最后阶段主要是终锻件Ⅰ处成形，应力也主要集中在Ⅰ处，最大应力约为68MPa，应力分布差别并不是很大，因此成形后终锻件中残余应力较小，锻件成形质量良好。
图9（b）所示为轮毂法兰盘终锻过程中等效应变的分布情况。由图9（b）可知，成形前期，锻件应变主要集中在上表面减薄的部分，随着上模下压量的增加，终锻件Ⅲ处（见图2）应变逐渐增大，这是由于终锻件Ⅲ处整形的缘故，成形后期，在Ⅲ处应变达到最大值约为2.7，会出现开裂风险，生产时要注意该处的成形质量。从最终轮毂终锻件的应变分布来看，终锻件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处应变逐渐增大，这是因为终锻时，这3处的变形程度也是依次增大，该模拟过程能够真实地反映实际锻造情况。
4.轮毂法兰盘锻造工艺参数优化
以影响轮毂法兰盘锻造工艺的主要参数如模具温度T、坯料温度t、上模下压速度V、摩擦因数f作为研究对象，采用正交试验，研究其对成形载荷和锻件成形质量的影响，为正确选择锻压工艺参数提供依据，其正交优化表如表1所示。
01.工艺参数选择
模具温度T：模具温度对锻造工艺有很大的影响。合理的模具预热可以减少成形力，但模具温度过高又会影响模具使用寿命。查阅相关资料，模具温度选择：250、350、450℃。
坯料温度t：由于锻造铝合金轮毂温度区间较窄，根据相关资料选择：400、450、500℃。
上模下压速度V：过大的下压速度会使材料在较短时间内变形剧烈，使锻件开裂；而过小的下压速度又会降低生产效率。根据资料和实际生产经验，预锻成形时上模下压速度为：0.1、0.25、0.5mm/s，终锻成形时上模下压速度为：1、3、5mm/s。
摩擦因数f：成形过程中模具和坯料间的摩擦不可避免。摩擦力阻碍材料流动，使材料变形不均匀。因此合理使用润滑剂是必要的，根据相关资料选择摩擦因数为0.1、0.2、0.3。
02.正交试验
正交试验采用三水平四因素，即以模具温度T、坯料温度t、下压速度V、摩擦因数f为四因素。以成形力作为目标函数，建立正交试验及结果见表1所示。
由表1可知，对轮毂法兰盘锻造工艺的模拟结果运用极差原理进行分析，单参数平均值K反映同一因素的各个水平对目标函数的影响程度；极差值R的大小反映各个因素对目标函数影响的显著性，极差值越大，对应因素对目标函数影响越显著。经极值分析得出，预锻过程中影响程度主次关系为模具温度T>上模下压速度V>坯料温度t>摩擦因数f。终锻过程中，影响程度最大的为模具温度T，上模下压速度V、摩擦因数f、坯料温度t影响程度相近。预锻坯料温度最佳为500℃，但6061铝合金超过550℃会有过烧的危险，因此通过对坯料温度K值的比较分析，坯料温度选择400℃；终锻时，最优摩擦因数为0.1，但是锻压过程始终在较高的温度下，材料软化，摩擦因数会增大，最后选择的摩擦因数为0.2。综上所述，根据平均值K，结合实际预锻工艺参数：模具温度450℃、坯料温度400℃、下压速度0.1mm/s、摩擦因数0.2；终锻工艺参数：模具温度450℃、坯料温度400℃、下压速度1mm/s、摩擦因数0.2，对上述2组参数进行模拟，结果显示，终锻时最大成形力为66000kN，符合生产要求，相对于优化前的80000kN，下降了20%。
选庄：第一轮博彩问答，系统随机选择一个玩家做庄。第二轮开始博彩问答，谁胡谁做庄，一炮多响的情况下，放炮者做庄。
