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.內蒙古華唐鋁業有限公司 北京市 101113 2.北京新興企業集團 北京市 101113

從當前市場上鍛造鋁車輪的應用來看，22.5×9.0鍛造鋁合金車輪的應用最為廣泛。這款產品最早出現在2012年，目前還在堅持生產的有浙江宏鑫公司和山西銀光公司等。該產品主要應用于大型車輛，比如重型卡車和大客車。與鋼圈相比，這種鍛造鋁合金車輪的外形更為美觀，且重量輕，散熱性能良好，在使用中占據很大優勢。但由于受到技術限制，生產過程中的鍛造折疊工藝存在一定缺陷，多工序鍛造和旋壓定位準確性低，造成旋壓輪輞和鍛造輪輻部分的同心度差，且經過熱處理后難以保持原型，進而導致該產品生產中消耗的成本極高，要損耗近50%的原材料。也就是說，要想生產出25公斤的產品，就需要鑄入約51公斤的鋁棒料，材料利用率低[1]。

1 鍛造鋁車輪的生產工藝

1.1 制坯

在擺動碾壓技術下，棒料加工為餅狀坯料的過程即為制坯過程。從原理上來說，制坯需要以帶圓錐的上模為工具，對毛坯進行局部加工，在傾斜操作下讓毛坯成型。這種加工方式的效率較高，也能增加能量利用率，控制成本消耗。通過這種方式，就算壓力只有250噸，其能實現的普通壓力機工作也能達到3000噸以上。此外，在制坯工藝下，棒料內部的材料能夠在毛坯表面均勻分布，所形成的金屬流向呈現螺旋形，有助于提高鍛造供需整體表面質量，保證其有良好的工作性能。

1.2 鍛造

鍛造工序主要用于車輪輪輻和窗口部位的鍛造。其工作流程首先是進行高溫預熱，在制坯后形成毛坯；其次借助壓力機進行鍛造；最后形成車輪的旋壓前毛坯。不同機型的壓力機發揮的作用也存在一定差異，鍛造過程中主要根據車輪成型對壓力的要求來選擇壓力機機型，其中4000噸及以上的設備使用頻率較高。此外，還要控制終鍛溫度，6061的鋁合金過燒溫度通常不能超過500攝氏度[2]。在終鍛過程中，如果固溶加熱產生的晶粒過大，將對整個工藝流程造成不良影響，因此需要合理控制終鍛溫度，一般不能超過450攝氏度。

1.3 旋壓

車輪本身的結構有一定特殊性，鑄造車輪輞的過程存在很大的難度，只有借助加工旋壓技術進行鑄造才能保證車輪輞部位成型。常用的旋壓設備有立式三旋輪強力旋壓機，還有臥式旋壓機等。旋壓工藝分為冷旋和熱旋，輪輞成形的難易程度不同，需要選擇的旋壓工藝也不同，在適合的旋壓工藝下，材料加工才能更緊密，同時增強其力學性能，提高產品質量。

1.4 熱處理

毛坯在固定狀態下，通過加熱、保溫和冷卻，內部的組織結構發生相應變化，進而獲得一定的機械性能，這一過程即為熱處理。在鋁車輪的鍛造過程中，T6熱處理工藝是最常用的一種工藝形式，即先針對固體做熱熔處理，再進行人工時效。在T6熱處理下，6061鍛造車輪的抗壓能力得到提升，各部位能承受的壓力通常大于350MPa[3]。從實際操作上來說，需要合理提升溫度，其中Mg2Si的溶解需要提高固溶溫度；Mg2Si的沉淀析出則需要適當提高人工時效溫度，最終加強熱處理效果。

1.5 切削加工

在進行旋壓后，車輪毛坯的內外表面需要經過CNC車床加工，加工過程使用的設備對專業性有一定的要求。此外，CNA加工后還要對螺栓孔、氣門孔等進行立式加工，同樣需要使用專業設備。

1.6 表面處理

鋁車輪的表面處理工藝形式多樣，既包括全裝涂，也包括拋光和電鍍，還包括精車等。從成本的角度來說，最適合用于大批規模生產的是全裝涂工藝。涂料也分為多種類型，其中環保型粉質與水性涂料最受客戶歡迎。從鍛造的角度來說，拋光工藝的優勢更大，這主要是由于鍛造鋁合金的組織較為細密，憑借其優越的表面質量，車輪進行拋光時對周圍環境造成的破壞能夠降到最低程度。

2 鍛造鋁車輪的優點

2.1 機械性能好

鍛造鋁車輪的機械性能遠遠高于鑄造鋁車輪，這主要表現為三個方面：第一，鍛造鋁車輪的強度和延伸率高；第二，鍛造鋁車輪承載能力高，據測驗，在車輪變形5cm的標準控制下，鍛造鋁車輪能承受的最高重力為72000kg，而鐵車輪承受的最高重力為14000kg[4]；第三，鍛造鋁車輪的剛性更好，能夠減少輪胎的磨損程度，這一點日本輕金屬協會已經做過模擬實驗：貨車保持50km的時速撞向路邊石塊，結果證實，鍛造車輪的損傷程度可以忽略不計，而鐵車輪經過撞擊后已經基本上失去原有性能，無法再繼續使用。

2.2 制動效果好

從質量上來說，鍛造鋁車輪的重量基本上為鐵車輪的一半。世界鋁業協會已經通過研究指出，汽車質量與燃油消耗有很大關聯，每減輕10%的質量，燃油消耗約減少7%[5]。此外，由于鍛造鋁車輪重量輕，在駕駛過程中將會運行更平穩、輕快，從而保障了汽車的制動效果，駕駛的舒適度也更高。

2.3 延長系統使用壽命

鍛造鋁車輪散熱較快，能夠延長系統的使用壽命。當汽車行駛速度較高時，輪胎與地面的摩擦力大大增加，普通鐵車輪將面臨著高溫爆胎的危險，且制動效果也會大打折扣。而鍛造鋁車輪的熱傳導系數遠遠高于鐵車輪，且鋁車輪由于結構的特殊性，能夠使輪胎產生的熱量在空氣中消散，避免爆胎。此外，鍛造鋁車輪的行駛溫度得到控制，節約了剎車系統安裝耐高溫材料和后期維修的成本。

2.4 漂亮美觀

鍛造鋁車輪的成型度高，能夠滿足不同的風格需求，輪輻窗口的形式多種多樣，且鍛造表面很容易進行后期處理。因此，經過全裝涂和電鍍等工藝加工后，鍛造鋁車輪外觀能呈現出更鮮明的特色，提高車輛整體的美觀性。

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

本設計中新型鍛造鋁合金車輪模具主要有以下兩個優點：第一，模具結構在傳統模具的基礎上進行了優化更新，以輕量化為最終的設計目標，模具曲線更符合產品實際功能，從而提高材料的有效使用率；第二，材料厚度控制在2mm內，這樣既符合生產要求，也使最終設計出的模具更為輕便，使用效果更好。

3.2 提升材料利用率的具體實施方式

材料利用率的影響因素包括以下幾點：

第一，鍛造折疊的不足。在成品基礎上，如果只是通過加入固定的余量來設計鍛造模具，車輪邊緣將可能出現折疊等缺陷，出現較多報廢產品，造成成本浪費。而新型的鍛造鋁合金模具則是在設計模具曲線之前進行足夠的模擬實驗和數據分析，在最大程度上降低鍛造折疊的失誤率，提高模具材料利用率。

第二，在多種工序的鍛造與旋壓下，定位容易出現偏差，旋壓輪輞和鍛造輪輻部分存在同心度差，因此，需要留更多加工余量才能保障機器在鍛造過程中進行全方位切削，減少失誤率。新型的鍛造鋁合金車輪模具則可以在實踐中檢驗各道工序的生產溫度，并對各工序坯料的收縮率進行檢測，從而準確定位加工流程，同時，坯料的溫度也需要實時掌控，增強毛坯的一致性。

第三，在T6熱處理工藝下，輪輞將會產生一定程度的變形。從根本上來說，造成變形的因素并不是熱處理本身，鍛造行業旋壓模具的設計與裝配都會造成輪輞變形，舉例來說，鍛造時輪輞厚度偏差大于1mm，經過旋壓，坯料內應力將會對熱處理的變形程度造成直接影響，而新型的鍛造鋁合金車輪模具則能夠有效配合公差和定位[6]，減小輪輞變形程度，是材料利用率得到提升。

通過對新型鍛造鋁合金模具的模擬實驗，數據表明，在同樣生產25公斤產品的目標下，新型鍛造鋁合金模具只需要投入鑄鋁棒料42公斤，而當前的普通模具在生產中需要投入鑄鋁棒料51公斤。從整體上來看，當前普通模具的材料有效利用率只有49%，而新型鍛造鋁合金模具的材料有效率達59.5%，比普通模具提升了10.5%的利用率。由此可以根據數據分析得出結論：新型鍛造鋁合金模具材料利用率高與其他模具，能夠有效節約成本投入。