淺談鋁合金鑄旋輪轂的減重設(shè)計方法

李穎，王瓊雅，白飛

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

21世紀社會經(jīng)濟都在飛速地發(fā)展著，對于汽車行駛過程中的減重減排有著極高的要求和標準。當前，汽車輕量化已經(jīng)成為時代發(fā)展中的一項必然趨勢，在進行車輛設(shè)計過程中，應(yīng)用鋁合金鑄旋輪轂?zāi)軌蛴行У販p輕汽車的實際重量，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，對于當前我國汽車的輕量化來說，汽車材料加工是其中的關(guān)鍵問題所在。當前，市面上應(yīng)用的低密度、高強度輕質(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，實現(xiàn)輪轂結(jié)構(gòu)的輕量化。同時，能夠節(jié)省生產(chǎn)耗用的材料，有助于節(jié)能環(huán)保。當前車輛輪轂中應(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際的規(guī)模化生產(chǎn)中存在一定的技術(shù)問題，同時應(yīng)用此類材料所需耗費的成本較高，因此難以很好地投入實際應(yīng)用。鋁合金材料在鑄旋輪轂中的應(yīng)用設(shè)計具有強度高、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、價格適中等顯著優(yōu)勢。而且應(yīng)用鋁合金材料能夠?qū)崿F(xiàn)回收利用，對于當前我國車輛節(jié)能減排以及控制能耗等方面具有一定的優(yōu)勢。因此，鋁合金材料在鑄旋輪轂中的設(shè)計應(yīng)用是市場的一大趨勢，鋁合金材料已經(jīng)成為市面上大多數(shù)汽車輪轂設(shè)計制造的首選材料。本文針對汽車輪轂鋁合金B(yǎng)356的生產(chǎn)設(shè)計展開研究，通過對B356進行工藝以及設(shè)備的分析，提出優(yōu)化改進措施，使之最終研發(fā)出來的B356具有更高的韌性以及強度。

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)、機械企業(yè)等領(lǐng)域的設(shè)備以及零件制造。當前，鋁合金材料在我國各個領(lǐng)域中得到了大量的應(yīng)用。其中鑄造鋁合金在實際應(yīng)用過程中具有強度高、重量輕以及便于用在鑄造領(lǐng)域等優(yōu)勢，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，同時能夠滿足車輛的強度以及安全性能等方面的要求，具有良好的可塑性。

1.2 鋁合金輪轂的實際應(yīng)用

鋁合金材料在車輛輪轂的設(shè)計應(yīng)用最初始于20世紀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)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。當前，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。現(xiàn)階段，我國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)多次的驗證和研究得到了一定的改進，在使用上大大提升了車輛性能，但對比鍛造輪轂的可靠性以及輕量化，仍然存在一定的差距。當前，一些高檔汽車的輪轂設(shè)計中應(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，市場上大部分車輛生產(chǎn)廠家仍采用鑄造成形輪轂。當前，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、高強度的趨勢發(fā)展。

2 鋁合金鑄旋輪轂減重設(shè)計研究

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)，通過旋輥進行壓縮，使其成型。這一過程中，進行旋壓時，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行固定。在芯模上裝夾毛坯，主軸帶動毛坯旋轉(zhuǎn)，此時，系統(tǒng)能夠按照預(yù)先設(shè)定的程序自動控制旋輪的運行軌跡以及運行方向。通過對毛坯進行擠壓，從而使毛坯與模具型面僅僅貼合，實現(xiàn)對輪輞的鑄形。考慮到本文中選用鋁合金材料具有較差的室溫塑性，在對其進行加工過程中，應(yīng)在熱態(tài)下使之加工成形。通過對不同溫度下鋁合金的力學(xué)性能展開分析可知，溫度逐漸降低，此時鋁合金材料的強度逐漸升高，而且可塑性隨之降低。反之，則溫度上升，材料強度降低，可塑性升高。通過對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度，當旋壓溫度范圍為370～400℃時，鋁合金的可塑性和材料強度最佳。與此同時，鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓在實際應(yīng)用中存在缺陷。由于輪轂鑄坯熱旋壓過程操作性較強，并需要進行多次的數(shù)控加工等工藝流程，因此，若材料的溫度過低或者將材料進行堆積，則會影響到最終產(chǎn)品的性能。若這一過程中材料的溫度過低，則會嚴重影響到材料的塑性。若此時材料產(chǎn)生大面積的隆起，則會造成產(chǎn)品的開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重要工藝，參數(shù)越大，旋轉(zhuǎn)成形角隆起則越高。此時，金屬則會呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)。而鋁合金材料在進行加工過程中非常容易隆起，因此在對旋轉(zhuǎn)成形角進行取值時，不應(yīng)取最大值。但與此同時，也應(yīng)注意旋轉(zhuǎn)成形角的取值不能過小，若取值過小也會影響旋壓力。為了保證旋輪成形狀態(tài)良好。對于進給率設(shè)定應(yīng)結(jié)合壁厚減簿率進行綜合考慮。若該項數(shù)值的設(shè)定過大，則會造成材料起皮、表面凸起，而若該項數(shù)值設(shè)定過小，則會引發(fā)一系列的形變問題。因此，應(yīng)將鋁合金輪轂的變薄旋壓的進給率控制在0.5～2mmr-1的取值范圍內(nèi)，減輕對材料造成的影響。同時在設(shè)置道次減薄率時也應(yīng)對其進行控制，使之保持在20%～50%，控制變薄率保持在20%～30%最佳。對于多旋輪錯距的控制也是影響輪轂質(zhì)量的重要因素，若多旋輪的錯距過大，則實際工作時容易出現(xiàn)金屬隆起，造成材料表面的起皮、折疊，若多旋輪的錯距過小，則容易出現(xiàn)旋輪前面材料的突起，這會造成材料堆積，對于鋁合金輪轂的表面材料造成十分嚴重的影響，致使鋁合金輪轂尺寸不準。一般在對多旋輪的錯距進行設(shè)計時，最好不要超過旋輪直徑的一半。

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程涉及到的物理知識以及幾何知識較廣，而且這一實現(xiàn)過程較為復(fù)雜。在鑄坯熱旋壓工藝生產(chǎn)過程中，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)用某一種方法對其進行輪轂鑄旋工藝研究，則極有可能造成資金消耗過大，而且研究時間長，結(jié)果不夠準確等情況。考慮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旋的工藝進行制定，并能夠有效地實現(xiàn)鑄坯數(shù)值的精準性。在實際應(yīng)用時，可通過鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓過程進行數(shù)值模擬，確定旋輪軌跡以及坯料開口角等工藝步驟的參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)對鑄坯熱旋壓工藝的優(yōu)化設(shè)計。而且在應(yīng)用過程中能夠大大縮短工程的耗用時間。

3 結(jié)語

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，而且負荷較高，重量難以符合當前我國車輛輕量化的標準要求。而應(yīng)用鋁合金鑄旋輪轂設(shè)計，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，符合當前車輛設(shè)計的要求。鋁合金鑄旋輪轂設(shè)計能夠有效地減輕車輛自重，滿足當前車輛輪轂的輕量化要求。而在車輛輪轂的實際生產(chǎn)過程中，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)濟適用，在市場競爭中更加有利。鋁合金鑄旋輪轂的設(shè)計生產(chǎn)具有廣闊的市場發(fā)展前景，也是我國車輛輪轂制造的一大必然趨勢。因此，相關(guān)車輛制造商更應(yīng)對這一技術(shù)展開研究，通過深入的分析和研究，使鑄造鋁合金的熱旋壓技術(shù)能夠在實際生產(chǎn)過程中得到優(yōu)化，進一步促進我國汽車行業(yè)的市場競爭和良性發(fā)展。