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，鋼質輪轂越來越少了。與鋼質輪轂相比，鋁合金輪轂的優(yōu)點是重量輕，降低了汽車的油耗，且機械性能非常好，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)品的機械性能，因此，鍛造鋁合金輪轂越來越受市場青睞，安裝鍛造鋁合金輪轂的汽車也越來越好銷售。本文針對鋁合金車輪鍛造工藝流程、成形缺陷及形成機理展開論述。

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，同時提高金屬力學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的模具里，經(jīng)過旋轉鍛造壓力機、初鍛壓力機、終鍛壓力機的壓制，最后經(jīng)過切邊、擴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 個加熱區(qū)，因設備不同設定溫度也有所不同，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30℃～40℃。

⑷潤滑機械手：潤滑機械手前端是噴盤，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 個區(qū)，下盤面分為4 個區(qū)，特殊模具也可以制作相應的噴盤或分區(qū)，使用油基鍛造脫模劑脫模。

⑸旋轉鍛造：采用300 噸鍛壓機，由1 號機械手把短棒夾到旋轉鍛工位，按照設定好的工藝參數(shù)將其旋成餅子。

⑹初鍛壓力機：采用6000 噸或1 萬噸鍛壓機，由2 號機械手夾持餅子放到初鍛壓力機里，通過初鍛壓力機壓制工作后形成初鍛件。初鍛工序是鍛造產(chǎn)品的關鍵工序，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 號機械手把初鍛件放到中間加熱爐入口，中間加熱爐自動入料、自動出料，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：采用6000 噸或1 萬噸鍛壓機，3號機械手收到中間爐信號開始取料并將其放到終鍛壓力機里，通過終鍛壓力機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：采用600 噸鍛壓機，由3 號機械手把終鍛件放到中轉平臺，然后4 號機械手從中轉平臺把終鍛件取走并放到切邊壓力機里，經(jīng)過擴孔、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折疊缺陷形成的機理。

金屬變形過程中已氧化的表層金屬因流動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)生與模具設計不合理、坯料選擇不當、壓下量過大、潤滑不均勻和模具溫度低等有關，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，通過機加工可以去除；有的折疊很深，機加工后仍存在，這樣的產(chǎn)品必須報廢，因為它嚴重影響了汽車的安全性。

⑵折疊缺陷預防方法。

折疊是鍛造產(chǎn)品常見的表面缺陷之一，嚴重時會造成鍛件報廢。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，采取正確措施預防折疊廢品的產(chǎn)生，對于提高鍛造產(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，主要是模具設計不合理，其次是潤滑不均勻及模具溫度低。

1)模具設計不合理。

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計過小就容易產(chǎn)生折疊，反之就不易產(chǎn)生折疊，但是凹角半徑設計過大又會浪費材料，所以凹角半徑設計要適中。

2)潤滑不均勻。

開始連線生產(chǎn)時，要對模具充分潤滑以保證不粘模，有時潤滑過多折疊產(chǎn)品就會增多，這就要總結經(jīng)驗來保證模具得到充分潤滑又不產(chǎn)生折疊。個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。

設備異常停機會引起模具溫度降低，導致折疊廢品增多。一旦設備停機就需馬上合模保溫，必要時模具需要回爐加熱，根據(jù)車輪造型結構的不同，同樣的停機時間產(chǎn)生折疊廢品的數(shù)量也不同，有的車輪停機10 分鐘左右就會出現(xiàn)折疊廢品，所以保證設備的正常運行是首要前提。

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

表1 折疊預防措施表

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理。

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

⑵充不足缺陷預防方法。

充不足是鍛造產(chǎn)品常見的表面缺陷之一，嚴重時會造成鍛件報廢。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，采取正確措施預防充不足廢品的產(chǎn)生，對于提高鍛造產(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，主要是模具設計不合理，其次是潤滑不均勻及模具溫度低。

1)模具設計不合理。

很多缺陷產(chǎn)生的原因都是模具設計的不合理，有的是模具配合存在問題，這就需要根據(jù)實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。

潤滑不均勻也會產(chǎn)生充不足缺陷，像輪輞充不足多數(shù)需要用噴槍手動補噴，潤滑劑足夠金屬流動即可，但是輪輻正面如果潤滑過多就會產(chǎn)生充不足缺陷，不同輪型的不同部位對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，設備異常停機也容易產(chǎn)生充不足廢品，停機時一定要把模具合模，以保證模具溫度，必要時模具要回爐加熱。

⑶常見充不足的預防措施。

1)輪輻充不足(圖6)：減小鍛模的壓力及保壓時間，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)：用噴槍手動補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，使初鍛下死點降低，再增加保壓時間來保證充型；降低旋轉鍛下死點位置使餅子飽滿，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)：在相應位置修改模具參數(shù)；提高旋轉鍛下死點位置，減少大毛邊的產(chǎn)生。

圖9 背腔法蘭充不足

鍛造毛坯壓傷

以實際生產(chǎn)為例簡要介紹壓傷。在某次生產(chǎn)中，操作手更改切邊下死點參數(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 所示的嚴重壓傷后，才將產(chǎn)品全部報廢。實際上，任何參數(shù)的更改都有可能導致廢品的產(chǎn)生，因此參數(shù)更改后必須確認下線產(chǎn)品的質量。

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 正面嚴重壓傷

結束語

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)時產(chǎn)生的3 個主要缺陷，詳細分析了折疊、充不足形成的基本原理并給出了預防措施。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)不同輪型的造型結構結合生產(chǎn)的實際情況進行分析，然后優(yōu)化模具、優(yōu)化噴盤、細化工藝參數(shù)，從而消除缺陷、提高成品率。