鋁合金車輪鍛件缺陷分析與控制

文／劉海濱，楊金嶺，吳志軍，付蕾，李慧·中信戴卡股份有限公司

輪轂是汽車行駛系統(tǒng)中的重要零件之一，不僅要美觀而且要有足夠的安全性。目前汽車輪轂大部分采用鋁合金輪轂，鋼質(zhì)輪轂越來越少了。與鋼質(zhì)輪轂相比，鋁合金輪轂的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，降低了汽車的油耗，且機(jī)械性能非常好，改善了汽車行駛的性能。鋁合金輪轂分鍛造鋁合金輪轂和鑄造鋁合金輪轂，鑄造鋁合金輪轂容易產(chǎn)生縮孔、縮松、夾渣等缺陷，降低了產(chǎn)品的機(jī)械性能，而鍛造鋁合金輪轂的生產(chǎn)工藝避免了這些缺陷，大大提高了產(chǎn)品的機(jī)械性能，因此，鍛造鋁合金輪轂越來越受市場(chǎng)青睞，安裝鍛造鋁合金輪轂的汽車也越來越好銷售。本文針對(duì)鋁合金車輪鍛造工藝流程、成形缺陷及形成機(jī)理展開論述。

鋁合金車輪鍛造基本原理及工藝流程

基本原理

鍛造鋁合金輪轂是利用金屬的塑性變形得到一定形狀的制品，同時(shí)提高金屬力學(xué)性能的壓力加工方法。它的基本原理：把短棒加熱后放到相應(yīng)的模具里，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)鍛造壓力機(jī)、初鍛壓力機(jī)、終鍛壓力機(jī)的壓制，最后經(jīng)過切邊、擴(kuò)孔即可完成鍛造的工藝過程。

原材料

鍛造鋁合金輪轂的原材料為連鑄長棒型材，鋁合金牌號(hào)有6 系、7 系等，常用的棒料直徑有7 寸、8 寸、9 寸、10 寸、14 寸等幾種。

工藝流程

⑴鋸床：把6 米的長棒按相應(yīng)的長度要求由鋸床鋸切成短棒。

⑵毛坯加熱：將短棒放到毛坯加熱爐里加熱至460℃～480℃。毛坯爐一般有3 個(gè)加熱區(qū)，因設(shè)備不同設(shè)定溫度也有所不同，能保證毛坯出料溫度即可。

⑶模具加熱：把旋轉(zhuǎn)鍛、初鍛、終鍛模具加熱，出爐溫度最好控制在420℃～450℃，冬季可將車間溫度上調(diào)30℃～40℃。

⑷潤滑機(jī)械手：潤滑機(jī)械手前端是噴盤，用于潤滑模具，噴盤分為上盤面和下盤面，一般上盤面分為5 個(gè)區(qū)，下盤面分為4 個(gè)區(qū)，特殊模具也可以制作相應(yīng)的噴盤或分區(qū)，使用油基鍛造脫模劑脫模。

⑸旋轉(zhuǎn)鍛造：采用300 噸鍛壓機(jī)，由1 號(hào)機(jī)械手把短棒夾到旋轉(zhuǎn)鍛工位，按照設(shè)定好的工藝參數(shù)將其旋成餅子。

⑹初鍛壓力機(jī)：采用6000 噸或1 萬噸鍛壓機(jī)，由2 號(hào)機(jī)械手夾持餅子放到初鍛壓力機(jī)里，通過初鍛壓力機(jī)壓制工作后形成初鍛件。初鍛工序是鍛造產(chǎn)品的關(guān)鍵工序，變形量大且大部分缺陷都在初鍛工序產(chǎn)生。

⑺中間加熱爐：由2 號(hào)機(jī)械手把初鍛件放到中間加熱爐入口，中間加熱爐自動(dòng)入料、自動(dòng)出料，每爐料可存放8 ～16 塊料，出料溫度可控制在380℃～460℃。

⑻終鍛壓力機(jī)：采用6000 噸或1 萬噸鍛壓機(jī)，3號(hào)機(jī)械手收到中間爐信號(hào)開始取料并將其放到終鍛壓力機(jī)里，通過終鍛壓力機(jī)壓制工作后形成終鍛件。終鍛工序是鍛造產(chǎn)品的成形工序。

⑼切邊壓力機(jī)：采用600 噸鍛壓機(jī)，由3 號(hào)機(jī)械手把終鍛件放到中轉(zhuǎn)平臺(tái)，然后4 號(hào)機(jī)械手從中轉(zhuǎn)平臺(tái)把終鍛件取走并放到切邊壓力機(jī)里，經(jīng)過擴(kuò)孔、切邊即可完成鍛造過程。鍛造工藝流程見圖1。

圖1 鍛造工藝流程示意圖

鍛造鋁合金輪轂的主要缺陷與控制

折疊缺陷

⑴折疊缺陷形成的機(jī)理。

金屬變形過程中已氧化的表層金屬因流動(dòng)速度不一致而深淺不一地匯合在一起稱為鍛造折疊。它可以是由兩股或多股金屬對(duì)流匯合而成，也可以是由變形金屬發(fā)生彎曲回流而成。折疊缺陷的產(chǎn)生與模具設(shè)計(jì)不合理、坯料選擇不當(dāng)、壓下量過大、潤滑不均勻和模具溫度低等有關(guān)，如潤滑不均勻、潤滑過多或模具溫度低則產(chǎn)生的折疊就大。有的折疊很淺，通過機(jī)加工可以去除；有的折疊很深，機(jī)加工后仍存在，這樣的產(chǎn)品必須報(bào)廢，因?yàn)樗鼑?yán)重影響了汽車的安全性。

⑵折疊缺陷預(yù)防方法。

折疊是鍛造產(chǎn)品常見的表面缺陷之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鍛件報(bào)廢。折疊廢品約占鍛造產(chǎn)品廢品總量的65%～85%，所以通過分析鍛件折疊的原因，采取正確措施預(yù)防折疊廢品的產(chǎn)生，對(duì)于提高鍛造產(chǎn)品的成品率有著非常重要的意義。鍛造鋁合金輪轂產(chǎn)生折疊缺陷的原因有很多，主要是模具設(shè)計(jì)不合理，其次是潤滑不均勻及模具溫度低。

1)模具設(shè)計(jì)不合理。

折疊多數(shù)產(chǎn)生在窗口附近，如果輪輻與窗口處的凹角半徑設(shè)計(jì)過小就容易產(chǎn)生折疊，反之就不易產(chǎn)生折疊，但是凹角半徑設(shè)計(jì)過大又會(huì)浪費(fèi)材料，所以凹角半徑設(shè)計(jì)要適中。

2)潤滑不均勻。

開始連線生產(chǎn)時(shí)，要對(duì)模具充分潤滑以保證不粘模，有時(shí)潤滑過多折疊產(chǎn)品就會(huì)增多，這就要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來保證模具得到充分潤滑又不產(chǎn)生折疊。個(gè)別車輪需要更換不同的噴盤，改變潤滑的分區(qū)，不在易出折疊的地方噴潤滑劑，避免折疊的產(chǎn)生。

3)模具溫度低。

設(shè)備異常停機(jī)會(huì)引起模具溫度降低，導(dǎo)致折疊廢品增多。一旦設(shè)備停機(jī)就需馬上合模保溫，必要時(shí)模具需要回爐加熱，根據(jù)車輪造型結(jié)構(gòu)的不同，同樣的停機(jī)時(shí)間產(chǎn)生折疊廢品的數(shù)量也不同，有的車輪停機(jī)10 分鐘左右就會(huì)出現(xiàn)折疊廢品，所以保證設(shè)備的正常運(yùn)行是首要前提。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，我們總結(jié)了一些常見的折疊缺陷，見圖2～圖5，這些缺陷出現(xiàn)的位置及預(yù)防措施見表1。

表1 折疊預(yù)防措施表

圖2 螺栓孔折疊

圖3 輪輻折疊

圖4 窗口折疊

圖5 內(nèi)壁折疊

充不足缺陷

⑴充不足缺陷形成的機(jī)理。

金屬變形過程中因流動(dòng)速度不一致出現(xiàn)鍛件缺肉的現(xiàn)象稱為充不足。充不足缺陷的產(chǎn)生與模具設(shè)計(jì)不合理、潤滑不均勻和模具溫度低等有關(guān)。

⑵充不足缺陷預(yù)防方法。

充不足是鍛造產(chǎn)品常見的表面缺陷之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鍛件報(bào)廢。充不足廢品約占鋁合金鍛件廢品總量的8%～16%。通過分析鍛造產(chǎn)品充不足的形成原因，采取正確措施預(yù)防充不足廢品的產(chǎn)生，對(duì)于提高鍛造產(chǎn)品的成品率有著非常重要的意義。鍛造鋁合金輪轂產(chǎn)生充不足缺陷的原因有很多，主要是模具設(shè)計(jì)不合理，其次是潤滑不均勻及模具溫度低。

1)模具設(shè)計(jì)不合理。

很多缺陷產(chǎn)生的原因都是模具設(shè)計(jì)的不合理，有的是模具配合存在問題，這就需要根據(jù)實(shí)際情況修改模具然后再試制，有的輪型需要多次修改模具。

2)潤滑不均勻。

潤滑不均勻也會(huì)產(chǎn)生充不足缺陷，像輪輞充不足多數(shù)需要用噴槍手動(dòng)補(bǔ)噴，潤滑劑足夠金屬流動(dòng)即可，但是輪輻正面如果潤滑過多就會(huì)產(chǎn)生充不足缺陷，不同輪型的不同部位對(duì)潤滑的要求也不一樣。

3)模具溫度低。

模具溫度低鍛件充型肯定不好，設(shè)備異常停機(jī)也容易產(chǎn)生充不足廢品，停機(jī)時(shí)一定要把模具合模，以保證模具溫度，必要時(shí)模具要回爐加熱。

⑶常見充不足的預(yù)防措施。

1)輪輻充不足(圖6)：減小鍛模的壓力及保壓時(shí)間，存在欠壓量可使鍛件有足夠的充型量；修改模具使不足處多肉。

圖6 輪輻充不足

2)輪輞充不足(圖7)：用噴槍手動(dòng)補(bǔ)噴上模以加大潤滑量，若初鍛模具沒有壓合，可增大初鍛壓力，使初鍛下死點(diǎn)降低，再增加保壓時(shí)間來保證充型；降低旋轉(zhuǎn)鍛下死點(diǎn)位置使餅子飽滿，可減少初鍛輪輞部位的變形量來保證充型；增加料重。

圖7 輪輞充不足

3)窗口充不足(圖8)：將模具的窗口處加工掉1 ～3mm。

圖8 窗口充不足

4)背腔法蘭充不足(圖9)：在相應(yīng)位置修改模具參數(shù)；提高旋轉(zhuǎn)鍛下死點(diǎn)位置，減少大毛邊的產(chǎn)生。

圖9 背腔法蘭充不足

鍛造毛坯壓傷

以實(shí)際生產(chǎn)為例簡(jiǎn)要介紹壓傷。在某次生產(chǎn)中，操作手更改切邊下死點(diǎn)參數(shù)后，沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品上已有壓傷，后道工序發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在圖10 ～圖13 所示的嚴(yán)重壓傷后，才將產(chǎn)品全部報(bào)廢。實(shí)際上，任何參數(shù)的更改都有可能導(dǎo)致廢品的產(chǎn)生，因此參數(shù)更改后必須確認(rèn)下線產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖10 法蘭中心面壓傷

圖11 背腔法蘭壓傷

圖12 正面輕微壓傷

圖13 正面嚴(yán)重壓傷

結(jié)束語

本文闡述了鋁合金車輪鍛造基本原理及工藝流程，列舉了鍛造生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的3 個(gè)主要缺陷，詳細(xì)分析了折疊、充不足形成的基本原理并給出了預(yù)防措施。鍛造輪轂的造型各種各樣，每種輪型產(chǎn)生缺陷的部位也不相同，要根據(jù)不同輪型的造型結(jié)構(gòu)結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行分析，然后優(yōu)化模具、優(yōu)化噴盤、細(xì)化工藝參數(shù)，從而消除缺陷、提高成品率。