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

摘 要：鍛造鋁車輪是一種擁有較高密度的金屬晶體物質，其本身具有很高的強度，整體重量較低，并且它也擁有較好的機械性能。除此之外，鍛造鋁車輪也有一定的缺點，例如制作流程比較繁瑣、需要的原材料較多、產品的生產費用及投資較高等。本文內容主要闡述了一款可以提升資源使用效率的鍛造鋁合金車輪模具，在此基礎上給國內的鋁車輪生產提供一些相關的建議。

關鍵詞：鋁車輪;鑄造;鍛造;車輪模具

早在2012年所出現的22.5×9.0的鍛造鋁合金車輪，變成汽車行業中使用較為廣泛的一種車輪，如今，這種車輪的生產企業主要有戴卡興龍、浙江宏鑫以及山西銀光等。這種類型的車輪一般被卡車或客車之類的大型車輛所使用，就傳統的鋼圈而言，他有著多方面的優點，例如，散熱效果好、總體重量較低、車輪的圓度較高等等。然而，現在所使用的鋁合金車輪生產技術，原材料的使用效率不高，僅為49%，在生產過程中，50斤的產品一般需要102斤的原材料才能產出，這是由于生產過程折疊缺陷、生產工序過多以及旋壓的定位偏差等問題造成的，進而使得的旋壓輪輞部分以及鍛造輪輻部分的同心度差和熱處理變形等[1]。

1 鍛造鋁車輪的生產工藝

1.1 制坯

制坯就是指利用擺動碾壓工藝將棒料轉變為車輪的坯料。具體來講，利用一種圓錐模具對胚料進行進一步加工，并以此為標準略微一點讓胚料可以成型使用。利用這種工藝的優點主要有兩點：首先，可以保證產品的生產效率，并且能夠大大減少能力的損耗，它的實際工作強度，使其可以在壓力250噸左右的環境下，實現等于甚至超過3000噸的普通壓力機的工作。此外，它能夠將棒料中的材料平均分攤到胚料的表面上，讓胚料產生獨特的螺旋形金屬流線，提高鍛造供需的總體表面及性能水平。

1.2 鍛造

所謂的鍛造就是在將原材料放入高溫中預熱最終制成毛坯，接著使用壓力機，將其制作為車輪的旋壓前毛坯，在這個過程中，最主要的制作工序就是車輪的輪輻及窗口部位的鍛造。壓力機普遍是按照車輪制作時所需要的壓力程度來選擇，通常情況下，4000噸及以上的設備被普遍使用。不僅如此，還需要考慮所有壓力機同一時間鍛造的數量，6061的鋁合金過燒溫度一般為500攝氏度左右最佳[2]。另外，為避免或降低固溶加熱時出現較大晶粒的現象，整個鍛造過程的溫度一般會在低于450攝氏度的環境下進行。

1.3 旋壓

因為車輪的組成結構比較復雜，導致車輪輞部位成形的難度大大增加，必須依靠車輪輞部的加工旋壓技術使其成形。通常來講，立式三旋輪強力旋壓機、臥式旋壓機是常用的旋壓設備，旋壓技術必須按照輪輞的成形難度來選取旋壓的方式，以此提高材料的緊密性，同時力學性能也得到了一定程度的提升。

1.4 熱處理

所謂的熱處理的就是指毛坯以固態的形式進行加熱、保溫和冷卻，使用這種方法將毛坯的內部結構進行改變，從而獲得一種機械性能。鍛造鋁車輪的加工過程中一般使用T6熱處理，通俗來說就是使固體經過熱溶處理后，再進行人工時效。這種生產技術的使用可以將6061鍛造車輪所有部位的抗拉強度都保持在350MPa之上[3]。在實際的車輪制作過程中，需要提升固體熱熔的溫度，讓Mg2Si能夠完全溶解，此外，人工時效的溫度也需要提升，這樣才能夠使Mg2Si的沉淀分離，從而進一步提高車輪制作的效果。

1.5 切削加工

旋壓之后的車輪毛坯的內外表面，還需要利用CNC車床的制造工藝，在立式加工中心對螺栓孔、氣門孔等進行加工。在上述過程中，CNC加工以及立式加工，均是利用專業的儀器設備來進行。

1.6 表面處理

一般來說，表面處理技術通常包括全涂裝、拋光、電鍍和精車等。而且他具備了成本較高、涉及設備較多的特點，通常情況下，全涂裝被用于鋁車輪的大量制造之中;環保型的水性涂料或粉質普遍被客戶所認可。這種車輪的最佳制造手段就是拋光技術，因為鍛造鋁合金結構比較復雜且細膩，其表面質量也處于一個較高的水平，致使車輪拋光之后可以和電鍍相互比較，它的優勢就是可以大大降低對環境的破壞。

2 鍛造鋁車輪的優點

2.1 機械性能好

以鑄造鋁車輪為標準，鍛造鋁車輪的強度至少要超出它的60%，延伸率至少超出它的200%。除此之外，相關的研究表明，鍛造鋁車輪的抗壓能力較大，在7.2噸的壓力之下，僅變形五厘米左右，同樣的情況下鐵車輪變形五厘米只需1.4噸的壓力[4]。鍛造鋁車輪的有點還在于它擁有良好的剛性，可以大大降低車輪的偏磨現象。關于這一方面的研究，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，以研究的具體結果來看，鍛造鋁車輪幾乎毫發未損，但鐵車輪的受損情況十分嚴重。

2.2 制動效果好

就以鍛造鋁車輪的整體質量來看，它是鑄造鋁車輪的質量的五分之四，且僅僅是鐵車輪質量的二分之一。根據國際鋁業協會的研究，車輛的總體重量會影響汽車的燃油消耗，車輛的重量每降低10%，燃油的消耗就會降低7%[5]。不僅如此，因為鍛造鋁車輪的整體重點較低，在汽車的行駛過程中會感到格外的輕快，即使在高速公路上行駛也比較平穩，車輛的總體制動效果較好，提高了汽車的駕駛體驗。

2.3 延長系統使用壽命

鍛造鋁車輪的重要優勢是散熱效果較好，能夠提高其本身的使用時間。以高速公路上飛速行駛的車輛而言，輪胎和公路之間產生的摩擦力及制動往往是比較大的，因此會出現溫度過高爆胎以及制動效果不理想等局面。鍛造鋁車輪相對于鋼鐵來說，其熱傳導系數比其高出了三倍，除此之外，因為鋁車輪的構成特點，車輪與底盤產出的熱量就會隨之分散，消失于空氣之中。另外，鍛造鋁車輪在路上行駛過程中。產生的溫度相對較低，因此剎車系統就不需要安裝耐高溫的材質，對剎車系統的相關材質也會起到很好的保護作用，進而最大限度的降低制動養護費用。

2.4 漂亮美觀

鋁車輪能夠根據不同種類的需求，制作出多種多樣的輪輻窗口，而且制作出的表面具備高質量以及操作簡單的特點。與鋼鐵車輪進行對比，鍛造鋁車輪在全涂裝、電鍍等技術的加工情況下，可以表現的更有質感，其高貴的風范與氣質更是一目了然，進而全面提升了汽車的美觀程度。

3 一種可提高材料利用率的鍛造鋁合金車輪模具

3.1 該技術的核心及需要解決的問題

就以目前的車輪模具工藝來講，論文中所提到的新型鍛造鋁合金車輪模具，主要有著兩種有點。一是，車輪的制造結合了輕量化，比較全面的優化模具的構成成分，且模具曲線的設計更為科學，進一步提高了材質的使用次數，降低了成本;第二是最大限度的減少了材料厚度，降到了2mm，這不僅符合車輪制造的要求，而且使模具自身的重量大大降低。

3.2 提高材料使用效率的幾種形式

影響材料使用次數的原因有以下三點：

第一是鍛造折疊方面尚未完善，在生產過程中，如果模具的制作僅是在原來的前提上增添了一些特定的余量，這將使得輪緣出現折疊問題，產生的廢品就會增多。新型的鍛造鋁合金車輪模具可以運用模流進行探究和實驗，不僅可以防止鍛造折疊出現問題，還能設計出更為科學合理的模具曲線，進而提高模具的使用次數。

第二是經歷了多個環節的鍛造與旋壓，定位的準確程度顯著降低，以致于旋壓輪輞及鍛造輪輻的同心度同時產生了偏差，所以，為避免或減少生產設備在車輪制造時出現切削不到的情況，就必須保留出多余的制造部分。而新型的鍛造鋁合金車輪模具可以通過具體檢測所有流程中溫度與坯料的收縮程度，對每一道工序實行全方位的定位，除此之外，還可以在制造過程對坯料的溫度進行實時性控制，確保坯料的性質不變。

第三是熱加工變形，在產品通過T6加工以后，使得輪輞的形狀發生改變，其主要因素并不是熱加工工藝，是由于模具的設計及制造、旋壓模具的設計及制造所產生的。例如，在整個制作流程中輪輞厚度的偏差超過了1mm，熱加工變形會受到旋壓之后坯料的內應力的影響，但是這種可以提高材質使用效率的鍛造鋁合金車輪模具就能夠全面的配合公差與定位[6]。

通過這種新一代的可以提高材質使用效率的鍛造鋁合金車輪模具的具體研究，可以看出該車輪模具需要注入的鑄鋁棒料總共42公斤，生產出的產品共有25公斤，全部材質的使用效率是59.5%，與現已經存在的51公斤鑄鋁棒料，生產出的產品也有25公斤，材質使用效率是49%相比，其使用效率提高了10.5%，由此可見，這種新一代的模具可以更好的提高材質的使用效率，最大限度的降低成本。

課題項目：由“智能制造綜合標準化與新模式應用項目”資助。

參考文獻：

[1]王祝堂.美國鋁業公司向法拉利汽車公司等供應鋁合金鍛造車輪[J].輕合金加工技術，2012，40（06）：30.

[2]劉智沖，勾春宇，常海平.鍛造鋁車輪的生產工藝簡介及應用現狀[J].汽車零部件，2012（08）：97-101.

[3]美鋁公司首次在中國蘇州成立鋁車輪工廠[J].特種鑄造及有色合金，2013，33（01）：52.

[4]張穎.將最先進的鍛造鋁車輪帶入中國市場 ?訪美鋁車輪和運輸產品總裁蒂莫西D.邁爾斯[J]. 汽車與配件，2013（08）：52-54.

[5]楊金嶺.高級轎車精鍛鋁車輪模具UG/CAD CAM應用[J].金屬加工（冷加工），2013（16）：66-68.

[6]奧科寧克與客戶簽署逾4.5億美元協議 ?供應Alcoa-美鋁車輪[J]. 汽車與配件，2016（52）：15.