一種可提高材料利用率使鍛造鋁合金車輪輕量化的模具

劉林林　劉玉山

摘 要：鍛造鋁車輪的金屬晶體組織密度較強(qiáng)，以其良好的機(jī)械性能和質(zhì)量輕便等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于各類車輛。但同時(shí)，鍛造鋁車輪也存在一定的缺點(diǎn)，比如需要較高的成本消耗、制作流程較為復(fù)雜等。本文正是從這一角度出發(fā)，以提高材料利用率為目的，對(duì)一款鍛造鋁合金車輪模具進(jìn)行介紹，為我國(guó)鋁車輪的制造提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：鋁車輪;鑄造;鍛造;車輪模具

從當(dāng)前市場(chǎng)上鍛造鋁車輪的應(yīng)用來看，22.5×9.0鍛造鋁合金車輪的應(yīng)用最為廣泛。這款產(chǎn)品最早出現(xiàn)在2012年，目前還在堅(jiān)持生產(chǎn)的有浙江宏鑫公司和山西銀光公司等。該產(chǎn)品主要應(yīng)用于大型車輛，比如重型卡車和大客車。與鋼圈相比，這種鍛造鋁合金車輪的外形更為美觀，且重量輕，散熱性能良好，在使用中占據(jù)很大優(yōu)勢(shì)。但由于受到技術(shù)限制，生產(chǎn)過程中的鍛造折疊工藝存在一定缺陷，多工序鍛造和旋壓定位準(zhǔn)確性低，造成旋壓輪輞和鍛造輪輻部分的同心度差，且經(jīng)過熱處理后難以保持原型，進(jìn)而導(dǎo)致該產(chǎn)品生產(chǎn)中消耗的成本極高，要損耗近50%的原材料。也就是說，要想生產(chǎn)出25公斤的產(chǎn)品，就需要鑄入約51公斤的鋁棒料，材料利用率低[1]。

1 鍛造鋁車輪的生產(chǎn)工藝

1.1 制坯

在擺動(dòng)碾壓技術(shù)下，棒料加工為餅狀坯料的過程即為制坯過程。從原理上來說，制坯需要以帶圓錐的上模為工具，對(duì)毛坯進(jìn)行局部加工，在傾斜操作下讓毛坯成型。這種加工方式的效率較高，也能增加能量利用率，控制成本消耗。通過這種方式，就算壓力只有250噸，其能實(shí)現(xiàn)的普通壓力機(jī)工作也能達(dá)到3000噸以上。此外，在制坯工藝下，棒料內(nèi)部的材料能夠在毛坯表面均勻分布，所形成的金屬流向呈現(xiàn)螺旋形，有助于提高鍛造供需整體表面質(zhì)量，保證其有良好的工作性能。

1.2 鍛造

鍛造工序主要用于車輪輪輻和窗口部位的鍛造。其工作流程首先是進(jìn)行高溫預(yù)熱，在制坯后形成毛坯;其次借助壓力機(jī)進(jìn)行鍛造;最后形成車輪的旋壓前毛坯。不同機(jī)型的壓力機(jī)發(fā)揮的作用也存在一定差異，鍛造過程中主要根據(jù)車輪成型對(duì)壓力的要求來選擇壓力機(jī)機(jī)型，其中4000噸及以上的設(shè)備使用頻率較高。此外，還要控制終鍛溫度，6061的鋁合金過燒溫度通常不能超過500攝氏度[2]。在終鍛過程中，如果固溶加熱產(chǎn)生的晶粒過大，將對(duì)整個(gè)工藝流程造成不良影響，因此需要合理控制終鍛溫度，一般不能超過450攝氏度。

1.3 旋壓

車輪本身的結(jié)構(gòu)有一定特殊性，鑄造車輪輞的過程存在很大的難度，只有借助加工旋壓技術(shù)進(jìn)行鑄造才能保證車輪輞部位成型。常用的旋壓設(shè)備有立式三旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)，還有臥式旋壓機(jī)等。旋壓工藝分為冷旋和熱旋，輪輞成形的難易程度不同，需要選擇的旋壓工藝也不同，在適合的旋壓工藝下，材料加工才能更緊密，同時(shí)增強(qiáng)其力學(xué)性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1.4 熱處理

毛坯在固定狀態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻，內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而獲得一定的機(jī)械性能，這一過程即為熱處理。在鋁車輪的鍛造過程中，T6熱處理工藝是最常用的一種工藝形式，即先針對(duì)固體做熱熔處理，再進(jìn)行人工時(shí)效。在T6熱處理下，6061鍛造車輪的抗壓能力得到提升，各部位能承受的壓力通常大于350MPa[3]。從實(shí)際操作上來說，需要合理提升溫度，其中Mg2Si的溶解需要提高固溶溫度;Mg2Si的沉淀析出則需要適當(dāng)提高人工時(shí)效溫度，最終加強(qiáng)熱處理效果。

1.5 切削加工

在進(jìn)行旋壓后，車輪毛坯的內(nèi)外表面需要經(jīng)過CNC車床加工，加工過程使用的設(shè)備對(duì)專業(yè)性有一定的要求。此外，CNA加工后還要對(duì)螺栓孔、氣門孔等進(jìn)行立式加工，同樣需要使用專業(yè)設(shè)備。

1.6 表面處理

鋁車輪的表面處理工藝形式多樣，既包括全裝涂，也包括拋光和電鍍，還包括精車等。從成本的角度來說，最適合用于大批規(guī)模生產(chǎn)的是全裝涂工藝。涂料也分為多種類型，其中環(huán)保型粉質(zhì)與水性涂料最受客戶歡迎。從鍛造的角度來說，拋光工藝的優(yōu)勢(shì)更大，這主要是由于鍛造鋁合金的組織較為細(xì)密，憑借其優(yōu)越的表面質(zhì)量，車輪進(jìn)行拋光時(shí)對(duì)周圍環(huán)境造成的破壞能夠降到最低程度。

2 鍛造鋁車輪的優(yōu)點(diǎn)

2.1 機(jī)械性能好

鍛造鋁車輪的機(jī)械性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鑄造鋁車輪，這主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：第一，鍛造鋁車輪的強(qiáng)度和延伸率高;第二，鍛造鋁車輪承載能力高，據(jù)測(cè)驗(yàn)，在車輪變形5cm的標(biāo)準(zhǔn)控制下，鍛造鋁車輪能承受的最高重力為72000kg，而鐵車輪承受的最高重力為14000kg[4];第三，鍛造鋁車輪的剛性更好，能夠減少輪胎的磨損程度，這一點(diǎn)日本輕金屬協(xié)會(huì)已經(jīng)做過模擬實(shí)驗(yàn)：貨車保持50km的時(shí)速撞向路邊石塊，結(jié)果證實(shí)，鍛造車輪的損傷程度可以忽略不計(jì)，而鐵車輪經(jīng)過撞擊后已經(jīng)基本上失去原有性能，無法再繼續(xù)使用。

2.2 制動(dòng)效果好

從質(zhì)量上來說，鍛造鋁車輪的重量基本上為鐵車輪的一半。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)已經(jīng)通過研究指出，汽車質(zhì)量與燃油消耗有很大關(guān)聯(lián)，每減輕10%的質(zhì)量，燃油消耗約減少7%[5]。此外，由于鍛造鋁車輪重量輕，在駕駛過程中將會(huì)運(yùn)行更平穩(wěn)、輕快，從而保障了汽車的制動(dòng)效果，駕駛的舒適度也更高。

2.3 延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命

鍛造鋁車輪散熱較快，能夠延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。當(dāng)汽車行駛速度較高時(shí)，輪胎與地面的摩擦力大大增加，普通鐵車輪將面臨著高溫爆胎的危險(xiǎn)，且制動(dòng)效果也會(huì)大打折扣。而鍛造鋁車輪的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鐵車輪，且鋁車輪由于結(jié)構(gòu)的特殊性，能夠使輪胎產(chǎn)生的熱量在空氣中消散，避免爆胎。此外，鍛造鋁車輪的行駛溫度得到控制，節(jié)約了剎車系統(tǒng)安裝耐高溫材料和后期維修的成本。

2.4 漂亮美觀

鍛造鋁車輪的成型度高，能夠滿足不同的風(fēng)格需求，輪輻窗口的形式多種多樣，且鍛造表面很容易進(jìn)行后期處理。因此，經(jīng)過全裝涂和電鍍等工藝加工后，鍛造鋁車輪外觀能呈現(xiàn)出更鮮明的特色，提高車輛整體的美觀性。

3 一種可提高材料利用率的鍛造鋁合金車輪模具

3.1 該技術(shù)要點(diǎn)與要解決的技術(shù)問題

本設(shè)計(jì)中新型鍛造鋁合金車輪模具主要有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，模具結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)模具的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化更新，以輕量化為最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)，模具曲線更符合產(chǎn)品實(shí)際功能，從而提高材料的有效使用率;第二，材料厚度控制在2mm內(nèi)，這樣既符合生產(chǎn)要求，也使最終設(shè)計(jì)出的模具更為輕便，使用效果更好。

3.2 提升材料利用率的具體實(shí)施方式

材料利用率的影響因素包括以下幾點(diǎn)：

第一，鍛造折疊的不足。在成品基礎(chǔ)上，如果只是通過加入固定的余量來設(shè)計(jì)鍛造模具，車輪邊緣將可能出現(xiàn)折疊等缺陷，出現(xiàn)較多報(bào)廢產(chǎn)品，造成成本浪費(fèi)。而新型的鍛造鋁合金模具則是在設(shè)計(jì)模具曲線之前進(jìn)行足夠的模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，在最大程度上降低鍛造折疊的失誤率，提高模具材料利用率。

第二，在多種工序的鍛造與旋壓下，定位容易出現(xiàn)偏差，旋壓輪輞和鍛造輪輻部分存在同心度差，因此，需要留更多加工余量才能保障機(jī)器在鍛造過程中進(jìn)行全方位切削，減少失誤率。新型的鍛造鋁合金車輪模具則可以在實(shí)踐中檢驗(yàn)各道工序的生產(chǎn)溫度，并對(duì)各工序坯料的收縮率進(jìn)行檢測(cè)，從而準(zhǔn)確定位加工流程，同時(shí)，坯料的溫度也需要實(shí)時(shí)掌控，增強(qiáng)毛坯的一致性。

第三，在T6熱處理工藝下，輪輞將會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形。從根本上來說，造成變形的因素并不是熱處理本身，鍛造行業(yè)旋壓模具的設(shè)計(jì)與裝配都會(huì)造成輪輞變形，舉例來說，鍛造時(shí)輪輞厚度偏差大于1mm，經(jīng)過旋壓，坯料內(nèi)應(yīng)力將會(huì)對(duì)熱處理的變形程度造成直接影響，而新型的鍛造鋁合金車輪模具則能夠有效配合公差和定位[6]，減小輪輞變形程度，是材料利用率得到提升。

通過對(duì)新型鍛造鋁合金模具的模擬實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明，在同樣生產(chǎn)25公斤產(chǎn)品的目標(biāo)下，新型鍛造鋁合金模具只需要投入鑄鋁棒料42公斤，而當(dāng)前的普通模具在生產(chǎn)中需要投入鑄鋁棒料51公斤。從整體上來看，當(dāng)前普通模具的材料有效利用率只有49%，而新型鍛造鋁合金模具的材料有效率達(dá)59.5%，比普通模具提升了10.5%的利用率。由此可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論：新型鍛造鋁合金模具材料利用率高與其他模具，能夠有效節(jié)約成本投入。

課題項(xiàng)目：（工信部聯(lián)裝【2016】213號(hào)）由：“智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目” 資助。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉智沖，勾春宇，常海平.鍛造鋁車輪的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].汽車零部件，2012（08）：97-101.

[3]美鋁公司首次在中國(guó)蘇州成立鋁車輪工廠[J]. 特種鑄造及有色合金，2013，33（01）：52.

[4]張穎.將最先進(jìn)的鍛造鋁車輪帶入中國(guó)市場(chǎng) 訪美鋁車輪和運(yùn)輸產(chǎn)品總裁蒂莫西D.邁爾斯[J].汽車與配件，2013（08）：52-54.

[5]楊金嶺.高級(jí)轎車精鍛鋁車輪模具UG/CAD CAM應(yīng)用[J].金屬加工（冷加工），2013（16）：66-68.

[6]奧科寧克與客戶簽署逾4.5億美元協(xié)議? 供應(yīng)Alcoa-美鋁車輪[J].汽車與配件，2016（52）：15.