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

1.內蒙古華唐偉業再生資源有限公司 北京市 101113 2.北京新興企業集團 北京市 101113

目前市場上比較廣泛的一種新的產品是22.5×9.0的鍛造鋁合金車輪，這種車輪的生產始于2012年，目前在產的公司有戴卡興龍、浙江宏鑫、山西銀光等。這種鍛造鋁合金車輪的應用范圍在重型卡車、大型客車，但是相比較于鋼圈，它還有諸多的優勢，比如說重量輕、散熱佳、真圓度高以及外形美觀等特點。但是以目前現有的技術來說，材料的有效利用率僅為49%，在模具中生產需要51公斤的鑄鋁棒料來生產25公斤的產品，造成這種問題的原因主要是在于鍛造折疊缺陷、多工序鍛造以及旋壓的定位存在誤差等因素所導致的的旋壓輪輞部分與鍛造輪輻部分的同心度差與熱處理變形等情況[1]。

1 鍛造鋁車輪的生產工藝

1.1 制坯

所謂的制坯就是指通過擺動碾壓技術來使棒料變為餅狀坯料。其制作原理就是利用一個帶圓錐的上模來對毛坯進行局部的加工處理，并且稍微傾斜一些使得毛坯能夠成型。運用以上這種方式的優勢有以下兩個方面，首先是能夠保障效率，同時也能夠減少能量方面的消耗，其工作強度使其能夠在壓力250噸的情況下來實現3000噸以上的普通壓力機的工作。其次是能夠將棒料內部的材料均勻的分布到毛坯的表面上，并且使其形成特有的螺旋形金屬流線，使得鍛造供需的整體表面和性能質量有所提升。

1.2 鍛造

鍛造的工序主要指的是在高溫預熱中，制坯后形成毛坯，然后運用壓力機鍛造最終形成車輪的旋壓前毛坯，最主要制造的是車輪的輪輻與窗口部位的鍛造。壓力機機型的選擇一般都是根據車輪的成型所需要的壓力，通常選擇的有4000噸及以上的設備。同時還要考慮鍛造的次數，也就是一臺壓力機在進行鍛造的數量，6061的鋁合金過燒溫度最適宜在500攝氏度上下[2]。同時為了防止固溶加熱過程中會產生較大的晶粒，終鍛溫度通常會控制在450攝氏度以下。

1.3 旋壓

由于車輪本身的構造原因，使得車輪輞部位很難被鑄造成型，還需要靠后者的加工旋壓技術來使它最終成型。通常會選用立式三旋輪強力旋壓機、臥式旋壓機作為旋壓設備，旋壓工藝則需要根據輪輞的成形難易程度來進行選擇冷旋或者是熱旋，來促使材料更加緊密，力學性能也有所強化。

1.4 熱處理

熱處理的工作原理是使毛坯在固態的狀態下來加熱、保溫以及冷卻，通過以上的方式來改變自己內部的組織結構，以此來獲得一種機械性能。鍛造鋁車輪的處理工藝一般都是運用T6熱處理，也就是先將固體進行熱溶處理，然后再進行人工時效。運用這種工藝能夠使得6061鍛造車輪各種部位的抗拉強度都在350MPa之上[3]。在進行實際的操作過程中，首先是需要提升固溶溫度，使得Mg2Si能夠充分的進行溶解，其次是提升人工時效溫度，這樣能夠使Mg2Si的沉淀析出，得到最好的強化效果。

1.5 切削加工

在進行旋壓之后的車輪毛坯的內外表面，需要經過CNC的車床加工，然后在立式加工中心對螺栓孔、氣門孔等進行加工。其中不管是立式加工還是CNC加工，所用的一般都是專門的設備。

1.6 表面處理

鋁車輪的表面處理工藝一般為全涂裝、拋光、電鍍以及精車等。由于其具備設備多、投資較大的特點，全涂裝最合適用來大批規模的進行生產；客戶所認可的涂料一般為環保型粉質與水性涂料。鍛造鋁車輪最合適的方式是拋光工藝，由于鍛造鋁合金組織比較的細密，其表面的質量也是比較的優越，使得車輪拋光之后能夠與電鍍進行相比較，優點在于能夠避免對環境造成污染。

2 鍛造鋁車輪的優點

2.1 機械性能好

相比較于鑄造鋁車輪，鍛造鋁車輪能夠將強度提升六成，延伸率能夠提升接近兩倍。同時，經過試驗證明，鍛造鋁車輪的承載能力較高，在承受力72000千克之時變形5厘米，而同比來說，鐵車輪則會在承受14000千克的時候變形5厘米[4]。鍛造鋁車輪的優勢還在于具有較好的剛性特點，不容易造成輪胎的偏磨。對于此項內容的研究，可以通過日本輕金屬協會模擬貨車以時速50千米撞向路邊石塊的實驗作為參考，結果顯示，鍛造鋁車輪基本完好無損，而鐵車輪則基本處于報廢狀態，損壞非常嚴重。

2.2 制動效果好

鍛造鋁車輪的質量會比鑄造鋁車輪的質量較輕，通常會減少20%的重量，比鐵車輪輕一半的重量。根據世界鋁業協會的研究表明，汽車的燃油消耗與汽車的質量存在關系，質量每減少10%，燃油消耗則會減少7%左右[5]。同時，鍛造鋁車輪具有重量較輕的優勢，在駕駛汽車的時候會感覺到比較的輕快，在高速行駛的過程中也會平穩運行，各方面的制動效果比較好，整體上提升了駕駛的舒適度。

2.3 延長系統使用壽命

鍛造鋁車輪具有散熱快與延長系統壽命的作用。在對于進行高速行駛的汽車來說，輪胎通常會與地面產生較大的摩擦與制動，經常會產生高溫爆胎、制動效果差的現象。鍛造鋁車輪的熱傳導系數一般會是鋼鐵的三倍高，同時由于鋁車輪的結構特征，容易將輪胎、車底盤所產生的熱量會散失在空氣之中。除此之外，車輪行使溫度比較低，使得剎車系統不用非得安裝耐高溫的材料，這樣就會對材料產生極好的保護效果，以此來減少剎車的修理費用。

2.4 漂亮美觀

鍛造鋁車輪能夠根據不同的風格要求，鍛造出各種輪輻窗口的形狀，并且鍛造的表面需要質量好、方便處理。相比較于鋼鐵車輪，鍛造鋁車輪能夠在全涂裝、電鍍等工藝的處理下，顯得更加的有質感，能夠充分的展現高貴的風范與氣質，整體上來促使車輛的美感有所提升。

3 一種可提高材料利用率的鍛造鋁合金車輪模具

3.1 該技術要點與要解決的技術問題

相比較于現代車輪模具技術，本文所設計的新型鍛造鋁合金車輪模具的優勢在于以下兩個方面。首先是利用輕量化的設計，對模具的結構進行了優化，并且設計了更加合理的模具曲線，這樣能夠提升材料的利用率，減少成本；其次是將材料厚度減小到2mm，這樣既能夠滿足生產的需要，也能夠減少模具自身的重量。

3.2 提升材料利用率的具體實施方式

影響材料利用率有以下三方面原因：

首先是鍛造折疊存在的缺陷問題，在進行制造的過程中，如果鍛造模具的設計只是在成品的基礎上加入固定的余量，就會導致輪緣形成折疊缺陷，造成較高的廢品率。新型的鍛造鋁合金車輪模具就能夠通過模流分析與實驗，能夠在避免鍛造折疊缺陷的基礎上來設計出更加合理的模具曲線，以此來提升模具的利用率。

其次是經過多種工序的鍛造與旋壓，在定位方面存在較多的誤差，使得旋壓輪輞部分與鍛造輪輻部分同心度比較的差，這樣為了避免生產機器在進行加工的時候有切削不到的地方，就需要留更多的加工余量。而新型的鍛造鋁合金車輪模具則可以通過實踐來對不同工序生產時的溫度與坯料的收縮率進行檢驗，對各個工序進行準確的定位，與此同時還要在生產中對坯料的溫度就是實時的把控，保障毛坯的一致性。

最后是熱處理變形，在產品經過T6處理之后，使得輪輞會產生變形，其根本原因不在于熱處理工序，而是由于鍛造模具的設計與裝配、旋壓模具的設計與裝配因素所造成的。例如，鍛造的時候輪輞厚度偏差在1mm以上，旋壓之后坯料的內應力會影響熱處理變形的程度，而這種可提升材料利用率的鍛造鋁合金車輪模具則可以較為有效的配合公差與定位[6]。

對于這種新型的可提升材料利用率的鍛造鋁合金車輪模具的模擬與實踐，說明該車輪模具共需要投入42公斤的鑄鋁棒料，產出25公斤的產品，整體材料的有效利用率為59.5%，相比較于現有的51公斤鑄鋁棒料，產出25公斤的產品，有效利用率為49%，提升了10.5%的利用率，因此說明這種模具能夠有效的提升材料的利用率，減少成本。