浅谈铝合金铸旋轮毂的减重设计方法

李颖，王琼雅，白飞

（三门峡戴卡轮毂制造有限公司 技术管理部，河南 三门峡 472000）

21世纪社会经济都在飞速地发展着，对于汽车行驶过程中的减重减排有着极高的要求和标准。当前，汽车轻量化已经成为时代发展中的一项必然趋势，在进行车辆设计过程中，应用铝合金铸旋轮毂能够有效地减轻汽车的实际重量，提高汽车的燃油效率。车身减重能够极大地优化车辆燃油经济性，提升车辆行驶控制的稳定性。随着技术的发展，轻合金轮毂在汽车领域的应用也更加广泛，对于当前我国汽车的轻量化来说，汽车材料加工是其中的关键问题所在。当前，市面上应用的低密度、高强度轻质材料在轮毂中应用十分广泛，能够极大地减轻车辆的自重，实现轮毂结构的轻量化。同时，能够节省生产耗用的材料，有助于节能环保。当前车辆轮毂中应用的复合型材料包括：高分子材料、镁合金材料等等，但是由于此类材料在实际的规模化生产中存在一定的技术问题，同时应用此类材料所需耗费的成本较高，因此难以很好地投入实际应用。铝合金材料在铸旋轮毂中的应用设计具有强度高、质量轻、稳定性好、价格适中等显著优势。而且应用铝合金材料能够实现回收利用，对于当前我国车辆节能减排以及控制能耗等方面具有一定的优势。因此，铝合金材料在铸旋轮毂中的设计应用是市场的一大趋势，铝合金材料已经成为市面上大多数汽车轮毂设计制造的首选材料。本文针对汽车轮毂铝合金B356的生产设计展开研究，通过对B356进行工艺以及设备的分析，提出优化改进措施，使之最终研发出来的B356具有更高的韧性以及强度。

1 铝合金轮毂铸旋成形的技术研究

1.1 铸造铝合金的工艺发展

铝合金材料在工艺中的应用十分广泛。铝合金作为一种有色金属结构材料，能够应用于航天、民用工业企业、汽车企业、机械企业等领域的设备以及零件制造。当前，铝合金材料在我国各个领域中得到了大量的应用。其中铸造铝合金在实际应用过程中具有强度高、重量轻以及便于用在铸造领域等优势，具有极高的综合力学性能。铝合金材料在汽车轮毂生产中的应用能够有效地减轻车身的自重，同时能够满足车辆的强度以及安全性能等方面的要求，具有良好的可塑性。

1.2 铝合金轮毂的实际应用

铝合金材料在车辆轮毂的设计应用最初始于20世纪70年代。随着汽车行业的发展，铝合金轮毂生产在行业中得到了越来越广泛的应用。当前，铝合金轮毂的成形具有多种方法，而不同的方法在生产完成后具备不同的优势。现阶段，我国市面上较为常用到的铝合金轮毂成形方式主要包括：重力铸造式、低压铸造式、挤压铸造式、液态模锻式。铝合金轮毂的铸造法经多次的验证和研究得到了一定的改进，在使用上大大提升了车辆性能，但对比锻造轮毂的可靠性以及轻量化，仍然存在一定的差距。当前，一些高档汽车的轮毂设计中应用锻造轮毂，但由于锻造轮毂的成本较高，为了节约成本，市场上大部分车辆生产厂家仍采用铸造成形轮毂。当前，为了满足车辆的基本能耗需求以及性能需求，铝合金轮毂正朝着更加轻量化、高韧性、高强度的趋势发展。

2 铝合金铸旋轮毂减重设计研究

2.1 铝合金铸旋工艺

铸坯轮辋热旋压工艺主要利用回转体铸坯的局部连续旋转，通过旋辊进行压缩，使其成型。这一过程中，进行旋压时，仅有轮辋部分产生了变形，而轮毂的外边缘以及轮辐能够对其进行固定。在芯模上装夹毛坯，主轴带动毛坯旋转，此时，系统能够按照预先设定的程序自动控制旋轮的运行轨迹以及运行方向。通过对毛坯进行挤压，从而使毛坯与模具型面仅仅贴合，实现对轮辋的铸形。考虑到本文中选用铝合金材料具有较差的室温塑性，在对其进行加工过程中，应在热态下使之加工成形。通过对不同温度下铝合金的力学性能展开分析可知，温度逐渐降低，此时铝合金材料的强度逐渐升高，而且可塑性随之降低。反之，则温度上升，材料强度降低，可塑性升高。通过对比不同的温度铝合金材料的变化情况，最终得出结论，为满足铝合金材料的可塑性以及材料强度，当旋压温度范围为370～400℃时，铝合金的可塑性和材料强度最佳。与此同时，铝合金轮毂铸坯热旋压在实际应用中存在缺陷。由于轮毂铸坯热旋压过程操作性较强，并需要进行多次的数控加工等工艺流程，因此，若材料的温度过低或者将材料进行堆积，则会影响到最终产品的性能。若这一过程中材料的温度过低，则会严重影响到材料的塑性。若此时材料产生大面积的隆起，则会造成产品的开裂甚至影响到材料的尺寸和精度。

2.2 铝合金轮毂铸坯热旋压工艺

对铝合金轮毂铸坯热旋压成形影响最大的因素主要是由于除旋压成形温度以及旋压工艺的参数。旋轮成形角作为影响铝合金轮毂的一项重要工艺，参数越大，旋转成形角隆起则越高。此时，金属则会呈现出不稳定的状态。而铝合金材料在进行加工过程中非常容易隆起，因此在对旋转成形角进行取值时，不应取最大值。但与此同时，也应注意旋转成形角的取值不能过小，若取值过小也会影响旋压力。为了保证旋轮成形状态良好。对于进给率设定应结合壁厚减簿率进行综合考虑。若该项数值的设定过大，则会造成材料起皮、表面凸起，而若该项数值设定过小，则会引发一系列的形变问题。因此，应将铝合金轮毂的变薄旋压的进给率控制在0.5～2mmr-1的取值范围内，减轻对材料造成的影响。同时在设置道次减薄率时也应对其进行控制，使之保持在20%～50%，控制变薄率保持在20%～30%最佳。对于多旋轮错距的控制也是影响轮毂质量的重要因素，若多旋轮的错距过大，则实际工作时容易出现金属隆起，造成材料表面的起皮、折叠，若多旋轮的错距过小，则容易出现旋轮前面材料的突起，这会造成材料堆积，对于铝合金轮毂的表面材料造成十分严重的影响，致使铝合金轮毂尺寸不准。一般在对多旋轮的错距进行设计时，最好不要超过旋轮直径的一半。

2.3 铸坯热旋压工艺的选择分析

由于铝合金轮毂铸坯的热旋压成形过程涉及到的物理知识以及几何知识较广，而且这一实现过程较为复杂。在铸坯热旋压工艺生产过程中，能够对最终效果产生影响的因素较多，如果单一的应用某一种方法对其进行轮毂铸旋工艺研究，则极有可能造成资金消耗过大，而且研究时间长，结果不够准确等情况。考虑到轮毂铸旋的工艺以及材料、资金的投入，应用数值模拟技术能够对轮毂铸旋的工艺进行制定，并能够有效地实现铸坯数值的精准性。在实际应用时，可通过铝合金轮毂铸坯热旋压过程进行数值模拟，确定旋轮轨迹以及坯料开口角等工艺步骤的参数设置，实现对铸坯热旋压工艺的优化设计。而且在应用过程中能够大大缩短工程的耗用时间。

3 结语

综上所述，应用低压铸造生产技术，最终制造出的轮毂尺寸较大，而且负荷较高，重量难以符合当前我国车辆轻量化的标准要求。而应用铝合金铸旋轮毂设计，在成型后轮毂不必受到车辆设定的尺寸约束，具有极好的可塑性，而且外形美观大方，符合当前车辆设计的要求。铝合金铸旋轮毂设计能够有效地减轻车辆自重，满足当前车辆轮毂的轻量化要求。而在车辆轮毂的实际生产过程中，应用铸旋加工更有利于节约汽车生产制造企业的成本，更加经济适用，在市场竞争中更加有利。铝合金铸旋轮毂的设计生产具有广阔的市场发展前景，也是我国车辆轮毂制造的一大必然趋势。因此，相关车辆制造商更应对这一技术展开研究，通过深入的分析和研究，使铸造铝合金的热旋压技术能够在实际生产过程中得到优化，进一步促进我国汽车行业的市场竞争和良性发展。