淺談鋁合金鑄旋輪轂的減重設(shè)計(jì)方法

李穎，王瓊雅，白飛

（三門(mén)峽戴卡輪轂制造有限公司 技術(shù)管理部，河南 三門(mén)峽 472000）

21世紀(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)都在飛速地發(fā)展著，對(duì)于汽車行駛過(guò)程中的減重減排有著極高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，汽車輕量化已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展中的一項(xiàng)必然趨勢(shì)，在進(jìn)行車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用鋁合金鑄旋輪轂?zāi)軌蛴行У販p輕汽車的實(shí)際重量，提高汽車的燃油效率。車身減重能夠極大地優(yōu)化車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，提升車輛行駛控制的穩(wěn)定性。隨著技術(shù)的發(fā)展，輕合金輪轂在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也更加廣泛，對(duì)于當(dāng)前我國(guó)汽車的輕量化來(lái)說(shuō)，汽車材料加工是其中的關(guān)鍵問(wèn)題所在。當(dāng)前，市面上應(yīng)用的低密度、高強(qiáng)度輕質(zhì)材料在輪轂中應(yīng)用十分廣泛，能夠極大地減輕車輛的自重，實(shí)現(xiàn)輪轂結(jié)構(gòu)的輕量化。同時(shí)，能夠節(jié)省生產(chǎn)耗用的材料，有助于節(jié)能環(huán)保。當(dāng)前車輛輪轂中應(yīng)用的復(fù)合型材料包括：高分子材料、鎂合金材料等等，但是由于此類材料在實(shí)際的規(guī)?；a(chǎn)中存在一定的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)應(yīng)用此類材料所需耗費(fèi)的成本較高，因此難以很好地投入實(shí)際應(yīng)用。鋁合金材料在鑄旋輪轂中的應(yīng)用設(shè)計(jì)具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、價(jià)格適中等顯著優(yōu)勢(shì)。而且應(yīng)用鋁合金材料能夠?qū)崿F(xiàn)回收利用，對(duì)于當(dāng)前我國(guó)車輛節(jié)能減排以及控制能耗等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。因此，鋁合金材料在鑄旋輪轂中的設(shè)計(jì)應(yīng)用是市場(chǎng)的一大趨勢(shì)，鋁合金材料已經(jīng)成為市面上大多數(shù)汽車輪轂設(shè)計(jì)制造的首選材料。本文針對(duì)汽車輪轂鋁合金B(yǎng)356的生產(chǎn)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，通過(guò)對(duì)B356進(jìn)行工藝以及設(shè)備的分析，提出優(yōu)化改進(jìn)措施，使之最終研發(fā)出來(lái)的B356具有更高的韌性以及強(qiáng)度。

1 鋁合金輪轂鑄旋成形的技術(shù)研究

1.1 鑄造鋁合金的工藝發(fā)展

鋁合金材料在工藝中的應(yīng)用十分廣泛。鋁合金作為一種有色金屬結(jié)構(gòu)材料，能夠應(yīng)用于航天、民用工業(yè)企業(yè)、汽車企業(yè)、機(jī)械企業(yè)等領(lǐng)域的設(shè)備以及零件制造。當(dāng)前，鋁合金材料在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域中得到了大量的應(yīng)用。其中鑄造鋁合金在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有強(qiáng)度高、重量輕以及便于用在鑄造領(lǐng)域等優(yōu)勢(shì)，具有極高的綜合力學(xué)性能。鋁合金材料在汽車輪轂生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠有效地減輕車身的自重，同時(shí)能夠滿足車輛的強(qiáng)度以及安全性能等方面的要求，具有良好的可塑性。

1.2 鋁合金輪轂的實(shí)際應(yīng)用

鋁合金材料在車輛輪轂的設(shè)計(jì)應(yīng)用最初始于20世紀(jì)70年代。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，鋁合金輪轂生產(chǎn)在行業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，鋁合金輪轂的成形具有多種方法，而不同的方法在生產(chǎn)完成后具備不同的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，我國(guó)市面上較為常用到的鋁合金輪轂成形方式主要包括：重力鑄造式、低壓鑄造式、擠壓鑄造式、液態(tài)模鍛式。鋁合金輪轂的鑄造法經(jīng)多次的驗(yàn)證和研究得到了一定的改進(jìn)，在使用上大大提升了車輛性能，但對(duì)比鍛造輪轂的可靠性以及輕量化，仍然存在一定的差距。當(dāng)前，一些高檔汽車的輪轂設(shè)計(jì)中應(yīng)用鍛造輪轂，但由于鍛造輪轂的成本較高，為了節(jié)約成本，市場(chǎng)上大部分車輛生產(chǎn)廠家仍采用鑄造成形輪轂。當(dāng)前，為了滿足車輛的基本能耗需求以及性能需求，鋁合金輪轂正朝著更加輕量化、高韌性、高強(qiáng)度的趨勢(shì)發(fā)展。

2 鋁合金鑄旋輪轂減重設(shè)計(jì)研究

2.1 鋁合金鑄旋工藝

鑄坯輪輞熱旋壓工藝主要利用回轉(zhuǎn)體鑄坯的局部連續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)旋輥進(jìn)行壓縮，使其成型。這一過(guò)程中，進(jìn)行旋壓時(shí)，僅有輪輞部分產(chǎn)生了變形，而輪轂的外邊緣以及輪輻能夠?qū)ζ溥M(jìn)行固定。在芯模上裝夾毛坯，主軸帶動(dòng)毛坯旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，系統(tǒng)能夠按照預(yù)先設(shè)定的程序自動(dòng)控制旋輪的運(yùn)行軌跡以及運(yùn)行方向。通過(guò)對(duì)毛坯進(jìn)行擠壓，從而使毛坯與模具型面僅僅貼合，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪輞的鑄形?？紤]到本文中選用鋁合金材料具有較差的室溫塑性，在對(duì)其進(jìn)行加工過(guò)程中，應(yīng)在熱態(tài)下使之加工成形。通過(guò)對(duì)不同溫度下鋁合金的力學(xué)性能展開(kāi)分析可知，溫度逐漸降低，此時(shí)鋁合金材料的強(qiáng)度逐漸升高，而且可塑性隨之降低。反之，則溫度上升，材料強(qiáng)度降低，可塑性升高。通過(guò)對(duì)比不同的溫度鋁合金材料的變化情況，最終得出結(jié)論，為滿足鋁合金材料的可塑性以及材料強(qiáng)度，當(dāng)旋壓溫度范圍為370～400℃時(shí)，鋁合金的可塑性和材料強(qiáng)度最佳。與此同時(shí)，鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓在實(shí)際應(yīng)用中存在缺陷。由于輪轂鑄坯熱旋壓過(guò)程操作性較強(qiáng)，并需要進(jìn)行多次的數(shù)控加工等工藝流程，因此，若材料的溫度過(guò)低或者將材料進(jìn)行堆積，則會(huì)影響到最終產(chǎn)品的性能。若這一過(guò)程中材料的溫度過(guò)低，則會(huì)嚴(yán)重影響到材料的塑性。若此時(shí)材料產(chǎn)生大面積的隆起，則會(huì)造成產(chǎn)品的開(kāi)裂甚至影響到材料的尺寸和精度。

2.2 鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓工藝

對(duì)鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓成形影響最大的因素主要是由于除旋壓成形溫度以及旋壓工藝的參數(shù)。旋輪成形角作為影響鋁合金輪轂的一項(xiàng)重要工藝，參數(shù)越大，旋轉(zhuǎn)成形角隆起則越高。此時(shí)，金屬則會(huì)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)。而鋁合金材料在進(jìn)行加工過(guò)程中非常容易隆起，因此在對(duì)旋轉(zhuǎn)成形角進(jìn)行取值時(shí)，不應(yīng)取最大值。但與此同時(shí)，也應(yīng)注意旋轉(zhuǎn)成形角的取值不能過(guò)小，若取值過(guò)小也會(huì)影響旋壓力。為了保證旋輪成形狀態(tài)良好。對(duì)于進(jìn)給率設(shè)定應(yīng)結(jié)合壁厚減簿率進(jìn)行綜合考慮。若該項(xiàng)數(shù)值的設(shè)定過(guò)大，則會(huì)造成材料起皮、表面凸起，而若該項(xiàng)數(shù)值設(shè)定過(guò)小，則會(huì)引發(fā)一系列的形變問(wèn)題。因此，應(yīng)將鋁合金輪轂的變薄旋壓的進(jìn)給率控制在0.5～2mmr-1的取值范圍內(nèi)，減輕對(duì)材料造成的影響。同時(shí)在設(shè)置道次減薄率時(shí)也應(yīng)對(duì)其進(jìn)行控制，使之保持在20%～50%，控制變薄率保持在20%～30%最佳。對(duì)于多旋輪錯(cuò)距的控制也是影響輪轂質(zhì)量的重要因素，若多旋輪的錯(cuò)距過(guò)大，則實(shí)際工作時(shí)容易出現(xiàn)金屬隆起，造成材料表面的起皮、折疊，若多旋輪的錯(cuò)距過(guò)小，則容易出現(xiàn)旋輪前面材料的突起，這會(huì)造成材料堆積，對(duì)于鋁合金輪轂的表面材料造成十分嚴(yán)重的影響，致使鋁合金輪轂尺寸不準(zhǔn)。一般在對(duì)多旋輪的錯(cuò)距進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最好不要超過(guò)旋輪直徑的一半。

2.3 鑄坯熱旋壓工藝的選擇分析

由于鋁合金輪轂鑄坯的熱旋壓成形過(guò)程涉及到的物理知識(shí)以及幾何知識(shí)較廣，而且這一實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為復(fù)雜。在鑄坯熱旋壓工藝生產(chǎn)過(guò)程中，能夠?qū)ψ罱K效果產(chǎn)生影響的因素較多，如果單一的應(yīng)用某一種方法對(duì)其進(jìn)行輪轂鑄旋工藝研究，則極有可能造成資金消耗過(guò)大，而且研究時(shí)間長(zhǎng)，結(jié)果不夠準(zhǔn)確等情況?？紤]到輪轂鑄旋的工藝以及材料、資金的投入，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)能夠?qū)嗇炶T旋的工藝進(jìn)行制定，并能夠有效地實(shí)現(xiàn)鑄坯數(shù)值的精準(zhǔn)性。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可通過(guò)鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，確定旋輪軌跡以及坯料開(kāi)口角等工藝步驟的參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯熱旋壓工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。而且在應(yīng)用過(guò)程中能夠大大縮短工程的耗用時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，應(yīng)用低壓鑄造生產(chǎn)技術(shù)，最終制造出的輪轂尺寸較大，而且負(fù)荷較高，重量難以符合當(dāng)前我國(guó)車輛輕量化的標(biāo)準(zhǔn)要求。而應(yīng)用鋁合金鑄旋輪轂設(shè)計(jì)，在成型后輪轂不必受到車輛設(shè)定的尺寸約束，具有極好的可塑性，而且外形美觀大方，符合當(dāng)前車輛設(shè)計(jì)的要求。鋁合金鑄旋輪轂設(shè)計(jì)能夠有效地減輕車輛自重，滿足當(dāng)前車輛輪轂的輕量化要求。而在車輛輪轂的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用鑄旋加工更有利于節(jié)約汽車生產(chǎn)制造企業(yè)的成本，更加經(jīng)濟(jì)適用，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更加有利。鋁合金鑄旋輪轂的設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景，也是我國(guó)車輛輪轂制造的一大必然趨勢(shì)。因此，相關(guān)車輛制造商更應(yīng)對(duì)這一技術(shù)展開(kāi)研究，通過(guò)深入的分析和研究，使鑄造鋁合金的熱旋壓技術(shù)能夠在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中得到優(yōu)化，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)汽車行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和良性發(fā)展。