重卡輕量化鋁合金輪輞連接盤鍛造工藝研究與應用

文／武絡，周擁軍，李云飛，閆利軍·車奇楠·內蒙古一機集團富成鍛造有限責任公司

隨著汽車輕量化技術的不斷發展與應用，以鋁合金為代表的輕型材料越來越廣泛地應用于汽車領域，同時帶動了重卡汽車以調鋼拓鋁為政策指引的產品開發。鋁合金輪輞連接盤產品是我公司近期開發的一款重卡零部件產品，以替代原鋼質材料產品，鋁合金材質輪輞連接盤較之前的鋼材質輪輞重量減輕2/3，此外，我公司成功開發出具有錘上鍛造工藝特點的新型鋁合金材料生產工藝。

產品結構與工藝分析

產品結構特點

圖1 鋁合金輪輞連接盤

該輪輞連接盤產品零件結構如圖1所示，產品屬重卡汽車輪轂部件，配合車輪在行駛過程中的平順和安全性，因此實際鍛造生產過程中性能控制要求較高。依據圖1所示的產品零件基本結構進行鍛件的設計與分析，計算得出該產品包容體的質量為32.7kg，所得鍛件復雜系數為0.303，屬于S3級較復雜鍛件。

該鍛件(圖2)上表面有均勻分布的花瓣結構，下表面有五個均勻分布的凸臺結構，凸起和花瓣處附近的金屬在鍛造過程中流動受阻，易產生折疊和不能充型的情況，再加上產品原材料(鋁合金6061)的材料流動性、可鍛性較其他鋁合金差，不僅需要消耗更多的設備能量，而且產品整體鍛造成形難度大。

工藝技術設計難度解決措施

圖2 重卡鋁合金輪輞連接盤鍛件實體

圖3 預鍛、終鍛模具示意圖

⑴增加預鍛工序。通過分析計算鍛件各截面面積，結合有限元模擬分析，充分調整預鍛模與終鍛模的匹配程度，特別在花瓣和凸起等位置，充分考慮鍛件溫度變化對材料流動的影響，優化對應位置處的尺寸設計，以達到完全充型的目的，圖3為產品設計優化后的預鍛、終鍛模具示意圖。

⑵預鍛、終鍛模具設計中采取相同的熱收縮系數。如熱收縮率選取不當，花瓣或凸起部位尺寸會發生錯位，在終鍛過程中易發生花瓣重皮或折疊缺陷。設計過程中利用DEFORM-3D軟件進行仿真分析，優化選取該產品在預鍛和終鍛厚度、直徑等方向的不同熱收縮率數值設計，同時在易發生加工缺陷的部位單獨加大圓角過渡，經數次模擬后選取最佳模具設計方案，并通過實際生產驗證，證明了模擬方案選擇的正確性，模擬過程所設置相關參數如表1所示。

圖4 DEFORM-3D模擬效果圖

表1 模擬相關參數設置

⑶生產過程中，嚴格控制終鍛溫度，鍛造過程中按工藝頻次對坯料進行測溫觀察，針對鍛造坯料溫度低于350℃的坯料，回爐進行再次加熱處理，保證鍛件的最終成形質量。

工藝流程

工藝流程為：下料(高速帶鋸)→加熱(室式電爐)→鐓粗→預、終鍛鍛造成形(5M1-5M2模鍛錘)→切邊(500t/630t壓力機)→技術檢驗→探傷(滲透探傷)→固溶時效→表面清理(噴砂)→鍛件終檢→轉機加。

鍛造工藝

計算下料規格。依據該鋁合金輪輞連接盤鍛件圖，通過經驗計算、實體造型及有限元模擬分析等手段，綜合計算得出下料規格尺寸為φ260mm×(75±2)mm，經小批(60件)生產驗證，滿足生產要求，已固化到生產工藝。

⑴加熱。鋁合金6061材料，鍛造加熱設計溫度為(450±10)℃，工藝定制為電阻室式爐加熱，并用光學高溫計按一定頻次進行檢測并做好記錄，避免鍛造時鍛件過燒或溫度過低。

⑵鍛造成形。根據模擬分析結果，制坯采取鐓粗方式，將坯料鐓至(36±2)mm，然后進行預鍛、終鍛成形。為設計符合錘上鍛造生產特點的鍛造工藝，生產工藝中規定預、終鍛打擊次數均為8次，鍛打過程中為保證該鋁合金材料變形控制在有效范圍內，第一、二錘使用輕錘鍛打，第三、四錘中錘鍛打，第五-八錘重錘鍛打，一方面充分保證原材料的流動速率，另一方面避免多次打擊的情況下出現鍛造缺陷。

⑶潤滑。與傳統合金鋼鍛造潤滑相比，鋁合金6061材料的鍛造過程對潤滑劑的潤滑效果要求更高。由于該材料粘附力大，流動性差，鍛造過程中常常形成金屬流動困難，因此模具必須經過充分潤滑，以改善模具表面狀態來降低摩擦阻力，保證鍛件表面質量和幾何尺寸。產品實際生產中采用標號20的炮用潤滑油脂（標準SH/T 0383-2005)作為模具潤滑劑，不但能避免常規水基石墨潤滑在高溫狀態下汽化對鍛件的沖擊，而且油脂燃燒后產生的熱量在一定程度上保持坯料溫度和模具溫度不會快速降低，更有利于產品充型。

⑷切邊。鍛件由500t/630t壓力機一次性完成切邊過程。

探傷

鍛件切邊完成后，待鍛件冷卻后需對鍛件進行探傷。基于鋁合金材料非磁性特點，結合公司實際，選擇了鋁合金產品使用較為廣泛的滲透探傷方式，利用該探傷方式可有效地對鋁合金工件進行表面缺損檢測，從而判定鍛件有無折疊等缺陷。

熱處理及終檢

依據該產品的性能要求，技術人員通過反復試驗驗證，最終確定該產品的熱處理工藝方案為固溶+人工時效，固溶：(525±5)℃，保溫時間180min，水冷；時效溫度(165±5)℃，保溫時間480min，最終得到的產品性能指標為：抗拉強度≥310MPa，屈服強度≥276MPa，完全符合用戶對產品的性能要求。

結束語

通過該重卡輕量化鋁合金輪輞連接盤產品的工藝試制及生產驗證，最終證明產品的工藝方案、鍛造及熱處理工藝參數正確、合理，能夠切實指導生產。試制所用的生產設備、工藝裝備、檢測儀器及檢測方法能夠保證產品的質量要求，生產的產品鍛件外觀質量、尺寸精度均得到用戶的高度認可。