锻造镁合金轮毂机加工后热处理工艺研究

■ 王柱兴，吕金旗，栗智鹏

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1. 镁合金材料性能及在汽车领域的应用

镁合金材料具有重量轻、强度高、弹性模量佳、吸震减振好、能全部回收利用的特点，采用镁合金材料制造汽车轮毂是继铝合金材料后最佳的轮毂材料，可提高汽车的操控性能、加速性能和制动性能，且能省油10%～14%。

相对传统的铝合金轮毂，镁合金轮毂具有重量更轻、力学性能更好等优势。随着汽车轻量化和汽车工业节能减排环保的要求，越来越多的镁合金轮毂会被应用于汽车上。

2. 镁合金轮毂的成形工艺现状

由于镁合金材料的晶粒粗大且晶格呈六角方形排列，在常温下晶粒位错滑移度很低，难以塑性变形；在高温塑性变形时，变形温度范围较窄，且对变形速率、变形速度的控制要求十分敏感。

（1）镁合金轮毂毛坯的铸造成形 在当前技术背景下，镁合金汽车轮毂多采用铸造成形工艺，铸造工艺的优点是生产效率较高，铸造设备、技术成熟。

比较成熟的镁合金汽车轮毂成形生产工艺，有上海交通大学轻合金研究所的低压铸造法，还有中北大学的先铸后锻二步法，虽然生产效率较高，但是存在较多问题，例如镁合金汽车轮毂组织不够致密，组织成分不够均匀，以及成形轮毂机械强度较低等缺点。

（2）镁合金轮毂毛坯的锻造成形 鉴于镁合金材料的材料性能，本文以AM81M牌号镁合金为例，提供了一种生产效率较高，能够提高镁合金汽车轮毂组织致密性，以及可获得组织成分均匀、机械强度较高的镁合金汽车轮毂锻造生产工艺。

具体锻造生产工艺如下：

步骤一，将镁合金棒料加工成圆柱形毛坯，毛坯形状如图1a所示，经过毛坯加热炉中加热，毛坯炉加热温度控制在350～410℃，预热1～1.5h；同时对锻造模具预热，使模具表面温度达到380℃±10℃。

步骤二，将镁合金棒料从加热炉中取出并通过转运装置快速转运至初锻工序。起动液压锻造机（40000kN）将镁合金棒料锻压成盘状毛坯，锻压时间控制在30s，成形后盘状毛坯如图1b所示。

步骤三 ，将盘状毛坯通过转运装置转运到中间加热炉中加热，中间炉加热温度控制在350～410℃；起动初成形液压锻造机（40000kN）将盘状毛坯锻成初成形轮毂，初成形轮毂如图1c所示。

步骤四，将初成形轮毂通过转运装置转运到精成形中间炉中加热，加热温度控制在350～410℃；起动精成形液压锻造机（60000kN）将初成形轮毂锻压成精成形轮毂，精成形轮毂如图1d所示。

步骤五，将精成形轮毂通过转运装置转运到精准成形中间炉中加热，加热温度控制在350～400℃ ；起动精准成形液压锻造机（60000kN），将精成形轮毂锻成精准成形轮毂，精准成形轮毂如图1e所示。

步骤六，对精准成形轮毂进行轮辋旋压定形，将精准成形轮毂通过转运装置转运到镁合金汽车轮毂成形模具上，进行轮辋旋压定形，完成镁合金汽车轮毂的锻造。

采用上述锻压工艺加工成形的镁合金轮毂，内部组织致密，表面无裂纹、折叠等锻压缺陷。

（3）镁合金轮毂毛坯的锻造成形优点 该镁合金汽车轮毂锻造生产工艺，在锻造过程中通过加热炉对镁合金棒料及各工序坯料进行加热，并通过多个转运装置进行转运，缩短了锻造时间，生产效率较高，获得的镁合金汽车轮毂组织致密，成分均匀，机械强度较高。

3. 镁合金轮毂锻造后机加工及热处理工艺

镁合金与铝合金及黑色金属相比，镁合金具有良好的可加工性能，可在高切削速度和大进给量情况下进行强力切削，采用这种方式可提高镁合金轮毂的机加工效率；但是采用这种加工方法的同时，会造成镁合金轮毂产生较大的应力变形，因此需要采用相应的热处理工艺，以消除应力，减少轮毂变形。

（1）镁合金轮毂锻造后的机加工工艺 通常情况下，成品镁合金轮毂重量只有5～6kg；而锻造成形后的镁合金轮毂毛坯重量为8～9kg，因此还需要进一步对锻造后的镁合金轮毂进行切削加工，去除多余的金属，获得轻量化轮毂。因为轮毂的轮辋占整只轮毂重量的60%～70%，所以轻量化加工方法主要涉及轮毂的轮辋减重。

本文以镁合金轮毂轮辋机加工为例，简述采用CNC立车加工锻造镁合金轮毂轮辋的机加工艺，具体工艺详见附表。

图1 镁合金轮毂锻造工艺示意

锻造镁合金轮毂轮辋CNC机加工工艺

由附表可见，锻造镁合金轮毂轮辋的机加工工艺，包括对锻压后轮毂粗机加工，然后经过两次精机加工，最后对轮毂进行第三次精加工。

在粗机加工工序中，因为去除金属较多，所以CNC机床的转速通常选取得较低，控制在1500r/min以下，采用这种机加工工艺，可最大限度地减少轮毂轮辋变形。同样，为了减少轮辋变形，在第一次精机加工序、第二次精机加工序，将CNC机床的转速控制在1500r/min以下，其目的也是为了减少轮辋变形。

需要注意的是，镁合金在机加工过程会产生较大的热量，而镁合金的燃点低于熔点，根据生产经验，当镁合金切屑的温度达到其熔点600℃时会与空气中的氧气相结合，发生燃烧现象。因此，镁合金轮毂机加工时要合理地采用切削液，尤其是在第三次精加工时，要加大切削液供应量，降低切屑的温度；同时，主轴转速尽量控制在3000～4000 r/min，减少镁合金加工时产生的热量，避免镁合金燃烧而发生安全事故。

（2）镁合金轮毂机加工过程中的热处理工艺 镁合金轮毂在机加工过程中因切削产生的变形量，可以通过特定的热处理工艺进行校正。通常在镁合金轮毂粗机加工序后采用特定的热冷循环处理工艺，消除因应力产生的变形，减少轮毂的后续机加工误差。

在轮毂的粗机加工序后，采用的热处理工艺包括：

步骤一，将镁合金轮毂热处理去应力温度设定在140～150℃，保温时间为6h，随炉冷却至室温。

步骤二，随炉冷却至室温后，进行冷处理，工艺方法为在低温－40℃环境下保持4h。

步骤三，冷处理后，将轮毂在室温下保持4h。

步骤四，在室温下保持4h后，继续在低温－40℃环境下保持4h，然后在室温下保持4h。

经过大量生产数据验证，采用该热处理工艺，可以有效地消除因机加工产生的机械残余应力，减少轮毂变形量。

4. 镁合金与铝合金轮毂在可靠性及材料试验中的对比

通过轮毂弯曲疲劳试验验证，当弯曲载荷在5.73kN·m时，镁合金轮毂的疲劳寿命/循环次数可以达到75万LC，而铝合金轮毂的疲劳寿命/循环次数只有13万LC，如图2所示。

图2 镁合金与铝合金轮毂的疲劳寿命/循环次对比

通过材料试验验证，以A M 8 1 M牌号镁合金做成的轮毂，其极限抗拉强度≥300MPa，硬度≥70HBW，伸长率≥8%，疲劳强度σ≥160MPa；而以A356.2为代表的铝合金轮毂，其极限抗拉强度≥220MPa，硬度≥50HBW，伸长率≥2%，疲劳强度σ≥150MPa。

综上所述，镁合金轮毂更符合汽车轻量化的发展趋势。