輪轂閉式反擠壓成形工藝研究

劉 川，趙文成，張 磊，3

（1.清華大學 天津高端裝備研究院,天津300300；2.中冶重工（唐山）有限公司，河北 唐山063000；3.清華大學 機械工程學院，北京100084）

汽車輕量化是世界汽車發展大趨勢。試驗證明，汽車整備質量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.8L[1]；汽車重量降低10%，油耗可降低6%～8%[2]。汽車重量由兩部分組成：簧下質量、簧上質量。根據行業經驗：減輕1kg 簧下質量的效能等同于減輕15kg 簧上質量[3-5]。在簧上質量不變的情況下，減輕簧下質量可以有效提升汽車的加速性、穩定性以及操控性[6]。

輪轂屬于簧下質量，是關系到汽車安全的關重件。目前大部分汽車安裝的輪轂為鑄造鋁合金輪轂（以乘用車為主）或鋼質車輪（以商用車為主）。鍛造鋁合金輪轂重量比鑄造鋁合金輪轂的重量輕10%以上[7]，比鋼質輪轂重量輕2/3 左右。因此，采用鍛造鋁合金輪轂符合汽車輕量化發展的大趨勢。

目前，市場上的鍛造鋁合金輪轂鍛件的典型成形工藝流程為：預鍛+終鍛+沖孔切邊擴孔+強力旋壓。該流程鍛造工序多且每個工序均需要準備一套模具和一臺鍛造設備。鍛造鋁合金輪轂成形工序復雜，導致其成本較高。鍛造鋁合金輪轂的成本問題是限制其廣泛生產和應用的主要絆腳石[8]。

與常規的鍛造鋁合金輪轂成形工序相比，閉式反擠壓工藝只需一套模具和一臺鍛造設備便可成形輪轂鍛件的輪緣、輪輞，縮短輪轂鍛件成形工序，可有效降低輪轂生產成本。

1 輪轂產品介紹

本文以材質為鋁合金6061 的16×6.5 輪轂為例，詳細說明輪轂閉式反擠壓輪轂成形工藝，圖1 為16×6.5 鍛造鋁合金輪轂產品，產品重8.69kg。鍛件設計時，輪輻上端面不留加工余量，輪輻下端加工余量為5mm，輪輞單邊加工余量2.5mm，具體如圖2 所示，鍛件重16.74kg。

圖1 16×6.5 輪轂零件三維圖

圖2 16×6.5 輪轂鍛件三維圖

2 輪轂閉式反擠壓成形工藝有限元模擬

16×6.5 輪轂鍛件閉式反擠壓成形時，模具結構如圖3 所示。輪轂鍛件閉式反擠壓成形時，坯料規格為?304.8mm×93mm，輪轂材質為鋁合金6061，其材料模型如圖4 所示。

圖3 輪轂閉式反擠壓工藝有限元模擬模具結構

有限元模擬閉式反擠壓工藝時，坯料材質為鋁合金6061，模具材質為H13，坯料溫度為480℃，模具溫度為300℃，模具運行速度為25mm/s。坯料與模具之間的摩擦系數為0.15，坯料與模具之間的熱交換系數為8N/（s·mm·℃），16×6.5 寸輪轂鍛件成形過程如圖5 所示。鍛件成形過程中，金屬填充情況良好，表面無折疊。

3 輪轂閉式反擠壓成形工藝試驗驗證

圖4 鋁合金6061 材料模型

圖5 輪轂鍛件閉式反擠壓過程

根據16×6.5 寸輪轂成形工藝模擬設計模具結構，模具結構如圖6 所示，試驗過程中實際模具結構如圖7 所示。

圖6 16×5.5 輪轂閉式擠壓成形用模具設計結構

圖7 16×5.5 輪轂閉式擠壓成形用模具結構

試驗過程中，鋁合金6061 棒料規格是?304.8mm×93mm，坯料加熱溫度為480℃，模具預熱溫度為300℃，模具表面采用油基石墨潤滑，閉式反擠壓工藝成形的輪轂如圖8 所示，鍛件表面無折疊，金屬填充良好。

圖8 閉式反擠壓工藝成形的輪轂鍛件

4 結論

閉式反擠壓工藝可一次成形輪轂的輪輞、輪緣，減少市場上常規鍛造輪轂的成形工序。通過有限元模擬及試驗驗證該閉式反擠壓成形工藝成形的輪轂無缺陷，填充情況良好。

閉式反擠壓工藝成形輪轂具有鍛造流程短、成本低等特點，符合綠色制造的趨勢，同時可顯著節省裝備成本和生產成本，推進鍛造車輪普及應用，提高汽車輕量化水平。