一种可提高材料利用率使锻造铝合金车轮轻量化的模具

刘林林　刘玉山

摘 要：锻造铝车轮的金属晶体组织密度较强，以其良好的机械性能和质量轻便等优势广泛应用于各类车辆。但同时，锻造铝车轮也存在一定的缺点，比如需要较高的成本消耗、制作流程较为复杂等。本文正是从这一角度出发，以提高材料利用率为目的，对一款锻造铝合金车轮模具进行介绍，为我国铝车轮的制造提供一定借鉴。

关键词：铝车轮;铸造;锻造;车轮模具

从当前市场上锻造铝车轮的应用来看，22.5×9.0锻造铝合金车轮的应用最为广泛。这款产品最早出现在2012年，目前还在坚持生产的有浙江宏鑫公司和山西银光公司等。该产品主要应用于大型车辆，比如重型卡车和大客车。与钢圈相比，这种锻造铝合金车轮的外形更为美观，且重量轻，散热性能良好，在使用中占据很大优势。但由于受到技术限制，生产过程中的锻造折叠工艺存在一定缺陷，多工序锻造和旋压定位准确性低，造成旋壓轮辋和锻造轮辐部分的同心度差，且经过热处理后难以保持原型，进而导致该产品生产中消耗的成本极高，要损耗近50%的原材料。也就是说，要想生产出25公斤的产品，就需要铸入约51公斤的铝棒料，材料利用率低[1]。

1 锻造铝车轮的生产工艺

1.1 制坯

在摆动碾压技术下，棒料加工为饼状坯料的过程即为制坯过程。从原理上来说，制坯需要以带圆锥的上模为工具，对毛坯进行局部加工，在倾斜操作下让毛坯成型。这种加工方式的效率较高，也能增加能量利用率，控制成本消耗。通过这种方式，就算压力只有250吨，其能实现的普通压力机工作也能达到3000吨以上。此外，在制坯工艺下，棒料内部的材料能够在毛坯表面均匀分布，所形成的金属流向呈现螺旋形，有助于提高锻造供需整体表面质量，保证其有良好的工作性能。

1.2 锻造

锻造工序主要用于车轮轮辐和窗口部位的锻造。其工作流程首先是进行高温预热，在制坯后形成毛坯;其次借助压力机进行锻造;最后形成车轮的旋压前毛坯。不同机型的压力机发挥的作用也存在一定差异，锻造过程中主要根据车轮成型对压力的要求来选择压力机机型，其中4000吨及以上的设备使用频率较高。此外，还要控制终锻温度，6061的铝合金过烧温度通常不能超过500摄氏度[2]。在终锻过程中，如果固溶加热产生的晶粒过大，将对整个工艺流程造成不良影响，因此需要合理控制终锻温度，一般不能超过450摄氏度。

1.3 旋压

车轮本身的结构有一定特殊性，铸造车轮辋的过程存在很大的难度，只有借助加工旋压技术进行铸造才能保证车轮辋部位成型。常用的旋压设备有立式三旋轮强力旋压机，还有卧式旋压机等。旋压工艺分为冷旋和热旋，轮辋成形的难易程度不同，需要选择的旋压工艺也不同，在适合的旋压工艺下，材料加工才能更紧密，同时增强其力学性能，提高产品质量。

1.4 热处理

毛坯在固定状态下，通过加热、保温和冷却，内部的组织结构发生相应变化，进而获得一定的机械性能，这一过程即为热处理。在铝车轮的锻造过程中，T6热处理工艺是最常用的一种工艺形式，即先针对固体做热熔处理，再进行人工时效。在T6热处理下，6061锻造车轮的抗压能力得到提升，各部位能承受的压力通常大于350MPa[3]。从实际操作上来说，需要合理提升温度，其中Mg2Si的溶解需要提高固溶温度;Mg2Si的沉淀析出则需要适当提高人工时效温度，最终加强热处理效果。

1.5 切削加工

在进行旋压后，车轮毛坯的内外表面需要经过CNC车床加工，加工过程使用的设备对专业性有一定的要求。此外，CNA加工后还要对螺栓孔、气门孔等进行立式加工，同样需要使用专业设备。

1.6 表面处理

铝车轮的表面处理工艺形式多样，既包括全装涂，也包括抛光和电镀，还包括精车等。从成本的角度来说，最适合用于大批规模生产的是全装涂工艺。涂料也分为多种类型，其中环保型粉质与水性涂料最受客户欢迎。从锻造的角度来说，抛光工艺的优势更大，这主要是由于锻造铝合金的组织较为细密，凭借其优越的表面质量，车轮进行抛光时对周围环境造成的破坏能够降到最低程度。

2 锻造铝车轮的优点

2.1 机械性能好

锻造铝车轮的机械性能远远高于铸造铝车轮，这主要表现为三个方面：第一，锻造铝车轮的强度和延伸率高;第二，锻造铝车轮承载能力高，据测验，在车轮变形5cm的标准控制下，锻造铝车轮能承受的最高重力为72000kg，而铁车轮承受的最高重力为14000kg[4];第三，锻造铝车轮的刚性更好，能够减少轮胎的磨损程度，这一点日本轻金属协会已经做过模拟实验：货车保持50km的时速撞向路边石块，结果证实，锻造车轮的损伤程度可以忽略不计，而铁车轮经过撞击后已经基本上失去原有性能，无法再继续使用。

2.2 制动效果好

从质量上来说，锻造铝车轮的重量基本上为铁车轮的一半。世界铝业协会已经通过研究指出，汽车质量与燃油消耗有很大关联，每减轻10%的质量，燃油消耗约减少7%[5]。此外，由于锻造铝车轮重量轻，在驾驶过程中将会运行更平稳、轻快，从而保障了汽车的制动效果，驾驶的舒适度也更高。

2.3 延长系统使用寿命

锻造铝车轮散热较快，能够延长系统的使用寿命。当汽车行驶速度较高时，轮胎与地面的摩擦力大大增加，普通铁车轮将面临着高温爆胎的危险，且制动效果也会大打折扣。而锻造铝车轮的热传导系数远远高于铁车轮，且铝车轮由于结构的特殊性，能够使轮胎产生的热量在空气中消散，避免爆胎。此外，锻造铝车轮的行驶温度得到控制，节约了刹车系统安装耐高温材料和后期维修的成本。

2.4 漂亮美观

锻造铝车轮的成型度高，能够满足不同的风格需求，轮辐窗口的形式多种多样，且锻造表面很容易进行后期处理。因此，经过全装涂和电镀等工艺加工后，锻造铝车轮外观能呈现出更鲜明的特色，提高车辆整体的美观性。

3 一种可提高材料利用率的锻造铝合金车轮模具

3.1 该技术要点与要解决的技术问题

本设计中新型锻造铝合金车轮模具主要有以下两个优点：第一，模具结构在传统模具的基础上进行了优化更新，以轻量化为最终的设计目标，模具曲线更符合产品实际功能，从而提高材料的有效使用率;第二，材料厚度控制在2mm内，这样既符合生产要求，也使最终设计出的模具更为轻便，使用效果更好。

3.2 提升材料利用率的具體实施方式

材料利用率的影响因素包括以下几点：

第一，锻造折叠的不足。在成品基础上，如果只是通过加入固定的余量来设计锻造模具，车轮边缘将可能出现折叠等缺陷，出现较多报废产品，造成成本浪费。而新型的锻造铝合金模具则是在设计模具曲线之前进行足够的模拟实验和数据分析，在最大程度上降低锻造折叠的失误率，提高模具材料利用率。

第二，在多种工序的锻造与旋压下，定位容易出现偏差，旋压轮辋和锻造轮辐部分存在同心度差，因此，需要留更多加工余量才能保障机器在锻造过程中进行全方位切削，减少失误率。新型的锻造铝合金车轮模具则可以在实践中检验各道工序的生产温度，并对各工序坯料的收缩率进行检测，从而准确定位加工流程，同时，坯料的温度也需要实时掌控，增强毛坯的一致性。

第三，在T6热处理工艺下，轮辋将会产生一定程度的变形。从根本上来说，造成变形的因素并不是热处理本身，锻造行业旋压模具的设计与装配都会造成轮辋变形，举例来说，锻造时轮辋厚度偏差大于1mm，经过旋压，坯料内应力将会对热处理的变形程度造成直接影响，而新型的锻造铝合金车轮模具则能够有效配合公差和定位[6]，减小轮辋变形程度，是材料利用率得到提升。

通过对新型锻造铝合金模具的模拟实验，数据表明，在同样生产25公斤产品的目标下，新型锻造铝合金模具只需要投入铸铝棒料42公斤，而当前的普通模具在生产中需要投入铸铝棒料51公斤。从整体上来看，当前普通模具的材料有效利用率只有49%，而新型锻造铝合金模具的材料有效率达59.5%，比普通模具提升了10.5%的利用率。由此可以根据数据分析得出结论：新型锻造铝合金模具材料利用率高与其他模具，能够有效节约成本投入。

课题项目：（工信部联装【2016】213号）由：“智能制造综合标准化与新模式应用项目” 资助。

参考文献：

[1]王祝堂.美国铝业公司向法拉利汽车公司等供应铝合金锻造车轮[J].轻合金加工技术，2012，40（06）：30.

[2]刘智冲，勾春宇，常海平.锻造铝车轮的生产工艺简介及应用现状[J].汽车零部件，2012（08）：97-101.

[3]美铝公司首次在中国苏州成立铝车轮工厂[J]. 特种铸造及有色合金，2013，33（01）：52.

[4]张颖.将最先进的锻造铝车轮带入中国市场 访美铝车轮和运输产品总裁蒂莫西D.迈尔斯[J].汽车与配件，2013（08）：52-54.

[5]杨金岭.高级轿车精锻铝车轮模具UG/CAD CAM应用[J].金属加工（冷加工），2013（16）：66-68.

[6]奥科宁克与客户签署逾4.5亿美元协议  供应Alcoa-美铝车轮[J].汽车与配件，2016（52）：15.