H形铝合金车轮辗锻工艺研究

李建， 王利梅，陈红平，孙惠学

(1.秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司，河北秦皇岛 066004；2.秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司，河北秦皇岛 066004)

H形铝合金车轮辗锻工艺研究

李建1， 王利梅2，陈红平1，孙惠学1

(1.秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司，河北秦皇岛 066004；2.秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司，河北秦皇岛 066004)

针对传统铝车轮锻造工艺中存在的压力机吨位大、能耗高等问题，制定了铝车轮辗锻新工艺，仅采用3 500 kN的旋转辗锻机即获得与传统50～60 MN压力机相同的锻件，而且缩短了工艺流程，降低了生产成本。以H形车轮为例，对辗锻过程进行有限元模拟，考察几个关键因素对辗锻成形力的影响，并进行了实际工艺试验。结果表明：成形力随着每转下压量P的减小而减小，随模具及棒料温度的降低而降低，终成形时模具下压速度推荐控制在15 mm/s以内，批量生产时需要考虑增设模具隔热及补温装置。试制得到的锻件质量良好，验证了工艺路线的正确性及可行性。

车轮；铝合金；辗锻

0 引言

轮毂作为车辆承载最重要的安全部件，它不仅承载汽车自身的质量，还要受到车辆在起动、制动时动态扭矩的作用，这就要求轮毂要有精度高、疲劳强度高、减震性好、质量轻和美观等特点。铝合金轮毂由于自身质量轻、外观造型自由等优点已经取代钢质车轮普遍应用于轿车轮毂上，质量的减轻使轿车的启动、加速、制动性能有很大提高。铝合金轮毂常用成形方法有铸造和锻造两种，锻造车轮相比铸造车轮具有力学性能好、内部缺陷较少等优点，成为越来越多中、高端轿车及客车的首选[1-2]。

摆动辗压，也称辗锻，日本学术界称其为摇动锻造[3]。摆动辗压工艺是由美国在20世纪初首创，随后英国、波兰、瑞士、日本以及德国和苏联等国家也陆续研制摆辗机，我国关于摆辗机研究起步相对较晚，1972年上海电机锻造厂开始研制摆辗机，并从事摆动辗压成形工艺研究工作，1973年研制成功第一台2 000 kN卧式摆辗机[4]，由于加工相同锻件，其辗压力仅是常规锻造方法变形力的1/5～1/20[5]，而且锻件尺寸精度和表面光洁程度高，因此辗锻工艺达到了节材节能的目的。

作者针对传统铝车轮成形工艺中，存在的工艺路线长、生产成本高等问题，研发了采用低吨位、低能耗的旋转辗锻机配合旋压工序的新工艺成形车轮，以H形铝合金车轮为例通过有限元软件模拟了辗锻过程，考察了几个关键因素对辗锻成形力的影响，并采用某公司开发的3 600 kN铝合金车轮辗锻机进行了实际工艺试验，得到了质量较好的锻坯。

1 车轮辗锻工艺

传统的铝合金车轮锻造工艺路线图如图1 所示，可以看出传统工艺需要辗锻机、大吨位模锻压力机(1台或2台)、小吨位扩口压力机、清洗设备、预机加机床、旋压机等多台设备，旋压采用冷旋工艺，存在工艺路线长、设备投资大等问题。

图1 传统铝合金锻造车轮成形工艺路线

针对上述工艺中存在的问题制定了辗锻配合旋压的新工艺路线，如图2所示，可以看出：从传统的7步工序缩短至3步工序，工艺流程大幅度缩短，即仅采用一台旋转辗锻机与传统多设备多工序得到的锻坯相同，因此减少了设备投资，降低了能耗。

图2 铝合金锻造车轮辗锻成形工艺路线

2 辗锻过程有限元模拟

以一款66.67 cm(20寸)的H形车轮为例对其辗锻成形过程进行有限元模拟，H形车轮锻坯尺寸如图3所示。在模拟分析过程中将上模设置为主动，坯料和下模设置为从动，轴向进给速度设置为5 mm/s，模拟得到的成形过程如图4所示。可以看出：坯料在整个成形模拟过程中变形较为均匀，正侧轮辋先成形，背腔侧轮辋成形相对缓慢，整个成形中未发现折叠、涡流等锻造缺陷。

图3 H形车轮锻坯图

图4 坯料辗锻成形过程

3 辗锻成形力影响因素分析

辗锻机的上模和下模主轴之间具有一定倾角，大小一般为1～5°，在辗锻过程中产生了偏心负载，较大的偏心负载将对设备的主轴、轴承等零部件产生较大的影响，因此降低工作过程中的辗锻成形力既有利于降低设备损耗，又能延长模具的使用寿命。现采用有限元软件分别分析每转下压量P、模具及坯料温度3个因素对辗锻成形力的影响。

3.1 每转下压量对成形力的影响

每转下压量P是指下模带动坯料每旋转一周，上模轴向进给的距离，单位为mm/r，每转下压量P可以按照如下公式表述：

其中：v为轴向进给速度，mm/min;ω为转动角速度，r/min。

利用有限元软件分别考察每转下压量P=7.5 mm/r、P=5 mm/r以及P=3 mm/r 3种情况时，上模辗锻力的大小，试验坯料选用6061铝合金圆棒料，模具和料坯温分别设置为400和450 ℃，有限元模拟详细参数表如表1所示。

表1 模拟分析试验参数表

分析得到的P与成形力关系如图5所示，可以看出：成形力的大小随每转下压量P减小而减小，当每转下压量为7.5 mm/r时，成形力约为4.5 MN，而每转下压量为3 mm/r时，成形力约为3.2 MN。现有的辗锻机压力为3.5 MN，下主轴转速为400 r/min，所以此款车轮成形后期(辗锻力剧增阶段)模具的下压速度推荐控制在15 mm/s以内。

图5 每转进给量P与成形力的关系

3.2 模具及坯料温度对成形力的影响

由于上模及下模分别安装至辗锻机的上、下工作台，在工作过程中模具热量逐步传导到机体及外界空气中，从而导致模具温度逐步降低。先将坯料温度保持不变，然后在模具温度为400、350、300 ℃时刻，分析得到的模具温度与成形力的关系如图6所示。

图6 模具温度与成形力的关系

从图6中可以看出：成形力随模具温度的降低而增大，当温度为300 ℃时刻，所需成形力大小上升到4.1 MN。因此在成形过程中模具温度的变化是影响成形力的主要因素，批量生产时建议增设模具隔热装置以及补温装置，从而保证产品持续批量生产。料温与成形力之间的关系如图7所示。

图7 料温与成形力的关系

由于铝合金的锻造温度范围较窄，一般在150 ℃范围内，温度越低变形抗力越大，由图7可以看出：随着温度降低，成形力由3.2 MN提升到了4.3 MN，因此严格控制出料温度有利于辗锻工艺的顺利进行。

4 辗锻试验

参考有限元模拟获得的工艺参数，采用该公司自行研制的铝合金车轮3 500 kN辗锻机进行成形试验，辗锻机如图8所示，试验毛坯质量为38 kg，毛坯加热温度设置为450 ℃，模具加热温度设置为400 ℃，辗锻过程如图9所示。

图8 铝合金车轮3 500 kN辗锻机

图9 H形车轮辗锻过程

整个辗锻时间约为40 s，成形后得到的H形轮坯如图10所示，可以看出:H形辗锻件的表面质量良好，两侧轮辋充型情况较好，未出现裂纹、折叠等缺陷，为后续成形工序提供了保障。

图10 铝合金H型车轮辗锻毛坯

5 结论

(1)针对H形大尺寸车轮，提出了辗锻配合旋压的成形新工艺，传统工艺成形出锻坯需(50～60)MN压力机，而采用新工艺成形出相同锻坯仅需3 500 kN，因此该工艺降低了生产设备成本及能源损耗，并且延长了模具使用寿命。

(2)辗锻成形力随着每转下压量P的减小而减小，成形此款H形车轮，终成形时模具的下压速度推荐控制在15 mm/s以内，辗锻成形力随模具及棒料温度的降低而降低，批量生产时需要考虑增设模具隔热及补温装置。

(3)实际工艺试验得到了H形车轮辗锻坯，成形时间为40 s/件，坯料充型饱满，表面质量较好，因此也验证了工艺的正确性和可行性。

【1】唐靖林，曾大本．面向汽车轻量化材料加工技术的现状及发展[J]．金属热加工(热加工)，2009(11)：11-16． TANG J L,ZENG D B．Current Situation and Development of Handing Technology for Fight Metal Materials in Automobile Industry[J].MW Metal Forming,2009(11)：11-16．

【2】朱利民．先进的铝轮毂设计与制造技术[J]．铝加工，2008(2)：45-47． ZHU L M.Advanced Design and Manufacture Technology for Aluminum Wheels[J].Aluminium Fabrication，2008(2)：45-47．

【3】纪澜．国外摆动辗压工艺的发展概况[J]．国外锻压，1973(2)．

【4】胡亚民，伍太宾，赵军华．摆动辗压工艺及模具设计[M]．重庆:重庆大学出版社，2008．

【5】张猛，胡亚民．摆辗技术[M]．北京：机械工业出版社，1998:1-96．

Research on Production Process of H-type Aluminum Alloy Wheel

LI Jian1,WANG Limei2,CHEN Hongping1,SUN Huixue1

(1.Qinhuangdao Yanda Modern CIMS Technology Development Co., Qinhuangdao Hebei 066004,China;2.Qinhuangdao Dicastal Xinglong Wheel Co., Ltd., Qinhuangdao Hebei 066004,China)

Due to aluminum wheel traditional forging process exist large tonnage, high energy consumption, the aluminum wheels rotary forging new technology was established, using only 3 500 kN rotary forging machine to get same product with the traditional 50～60 MN press, then the process was shortened and the production cost was reduced. Taking H-type wheel as example, the rotary forging process was simulated to study the influences of several key factors on the forming force. The process test results show: the forming force is decreased with the decrease of each turn rolling reductionP,the forming force is decreased with the decrease of the mold and blank temperature; when the final forming, the recommended mold pressing speed should be controlled less than 15 mm/s; in mass production, thermal insulation device and temperature compensating device should be considered to add. Good quality forging is obtained, verifying the correctness and feasibility of the process route.

Wheel；Aluminum alloy；Rotary forging

2016-09-05

国家863计划资助项目(2012AA040202)

李建(1985—)，男，博士，工程师，主要研究方向为车轮成形工艺及设备。E-mail：cae006@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.001

TG316.3

A

1674-1986(2016)12-003-04