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：锻造铝车轮是一种拥有较高密度的金属晶体物质，其本身具有很高的强度，整体重量较低，并且它也拥有较好的机械性能。除此之外，锻造铝车轮也有一定的缺点，例如制作流程比较繁琐、需要的原材料较多、产品的生产费用及投资较高等。本文内容主要阐述了一款可以提升资源使用效率的鍛造铝合金车轮模具，在此基础上给国内的铝车轮生产提供一些相关的建议。

关键词：铝车轮;铸造;锻造;车轮模具

早在2012年所出现的22.5×9.0的锻造铝合金车轮，变成汽车行业中使用较为广泛的一种车轮，如今，这种车轮的生产企业主要有戴卡兴龙、浙江宏鑫以及山西银光等。这种类型的车轮一般被卡车或客车之类的大型车辆所使用，就传统的钢圈而言，他有着多方面的优点，例如，散热效果好、总体重量较低、车轮的圆度较高等等。然而，现在所使用的铝合金车轮生产技术，原材料的使用效率不高，仅为49%，在生产过程中，50斤的产品一般需要102斤的原材料才能产出，这是由于生产过程折叠缺陷、生产工序过多以及旋压的定位偏差等问题造成的，进而使得的旋压轮辋部分以及锻造轮辐部分的同心度差和热处理变形等[1]。

1 锻造铝车轮的生产工艺

1.1 制坯

制坯就是指利用摆动碾压工艺将棒料转变为车轮的坯料。具体来讲，利用一种圆锥模具对胚料进行进一步加工，并以此为标准略微一点让胚料可以成型使用。利用这种工艺的优点主要有两点：首先，可以保证产品的生产效率，并且能够大大减少能力的损耗，它的实际工作强度，使其可以在压力250吨左右的环境下，实现等于甚至超过3000吨的普通压力机的工作。此外，它能够将棒料中的材料平均分摊到胚料的表面上，让胚料产生独特的螺旋形金属流线，提高锻造供需的总体表面及性能水平。

1.2 锻造

所谓的锻造就是在将原材料放入高温中预热最终制成毛坯，接着使用压力机，将其制作为车轮的旋压前毛坯，在这个过程中，最主要的制作工序就是车轮的轮辐及窗口部位的锻造。压力机普遍是按照车轮制作时所需要的压力程度来选择，通常情况下，4000吨及以上的设备被普遍使用。不仅如此，还需要考虑所有压力机同一时间锻造的数量，6061的铝合金过烧温度一般为500摄氏度左右最佳[2]。另外，为避免或降低固溶加热时出现较大晶粒的现象，整个锻造过程的温度一般会在低于450摄氏度的环境下进行。

1.3 旋压

因为车轮的组成结构比较复杂，导致车轮辋部位成形的难度大大增加，必须依靠车轮辋部的加工旋压技术使其成形。通常来讲，立式三旋轮强力旋压机、卧式旋压机是常用的旋压设备，旋压技术必须按照轮辋的成形难度来选取旋压的方式，以此提高材料的紧密性，同时力学性能也得到了一定程度的提升。

1.4 热处理

所谓的热处理的就是指毛坯以固态的形式进行加热、保温和冷却，使用这种方法将毛坯的内部结构进行改变，从而获得一种机械性能。锻造铝车轮的加工过程中一般使用T6热处理，通俗来说就是使固体经过热溶处理后，再进行人工时效。这种生产技术的使用可以将6061锻造车轮所有部位的抗拉强度都保持在350MPa之上[3]。在实际的车轮制作过程中，需要提升固体热熔的温度，让Mg2Si能够完全溶解，此外，人工时效的温度也需要提升，这样才能够使Mg2Si的沉淀分离，从而进一步提高车轮制作的效果。

1.5 切削加工

旋压之后的车轮毛坯的内外表面，还需要利用CNC车床的制造工艺，在立式加工中心对螺栓孔、气门孔等进行加工。在上述过程中，CNC加工以及立式加工，均是利用专业的仪器设备来进行。

1.6 表面处理

一般来说，表面处理技术通常包括全涂装、抛光、电镀和精车等。而且他具备了成本较高、涉及设备较多的特点，通常情况下，全涂装被用于铝车轮的大量制造之中;环保型的水性涂料或粉质普遍被客户所认可。这种车轮的最佳制造手段就是抛光技术，因为锻造铝合金结构比较复杂且细腻，其表面质量也处于一个较高的水平，致使车轮抛光之后可以和电镀相互比较，它的优势就是可以大大降低对环境的破坏。

2 锻造铝车轮的优点

2.1 机械性能好

以铸造铝车轮为标准，锻造铝车轮的强度至少要超出它的60%，延伸率至少超出它的200%。除此之外，相关的研究表明，锻造铝车轮的抗压能力较大，在7.2吨的压力之下，仅变形五厘米左右，同样的情况下铁车轮变形五厘米只需1.4吨的压力[4]。锻造铝车轮的有点还在于它拥有良好的刚性，可以大大降低车轮的偏磨现象。关于这一方面的研究，可以通过日本轻金属协会模拟货车以时速50千米撞向路边石块的实验作为参考，以研究的具体结果来看，锻造铝车轮几乎毫发未损，但铁车轮的受损情况十分严重。

2.2 制动效果好

就以锻造铝车轮的整体质量来看，它是铸造铝车轮的质量的五分之四，且仅仅是铁车轮质量的二分之一。根据国际铝业协会的研究，车辆的总体重量会影响汽车的燃油消耗，车辆的重量每降低10%，燃油的消耗就会降低7%[5]。不仅如此，因为锻造铝车轮的整体重点较低，在汽车的行驶过程中会感到格外的轻快，即使在高速公路上行驶也比较平稳，车辆的总体制动效果较好，提高了汽车的驾驶体验。

2.3 延长系统使用寿命

锻造铝车轮的重要优势是散热效果较好，能够提高其本身的使用时间。以高速公路上飞速行驶的车辆而言，轮胎和公路之间产生的摩擦力及制动往往是比较大的，因此会出现温度过高爆胎以及制动效果不理想等局面。锻造铝车轮相对于钢铁来说，其热传导系数比其高出了三倍，除此之外，因为铝车轮的构成特点，车轮与底盘产出的热量就会随之分散，消失于空气之中。另外，锻造铝车轮在路上行驶过程中。产生的温度相对较低，因此刹车系统就不需要安装耐高温的材质，对刹车系统的相关材质也会起到很好的保护作用，进而最大限度的降低制动养护费用。

2.4 漂亮美观

铝车轮能够根据不同种类的需求，制作出多种多样的轮辐窗口，而且制作出的表面具备高质量以及操作简单的特点。与钢铁车轮进行对比，锻造铝車轮在全涂装、电镀等技术的加工情况下，可以表现的更有质感，其高贵的风范与气质更是一目了然，进而全面提升了汽车的美观程度。

3 一种可提高材料利用率的锻造铝合金车轮模具

3.1 该技术的核心及需要解决的问题

就以目前的车轮模具工艺来讲，论文中所提到的新型锻造铝合金车轮模具，主要有着两种有点。一是，车轮的制造结合了轻量化，比较全面的优化模具的构成成分，且模具曲线的设计更为科学，进一步提高了材质的使用次数，降低了成本;第二是最大限度的减少了材料厚度，降到了2mm，这不仅符合车轮制造的要求，而且使模具自身的重量大大降低。

3.2 提高材料使用效率的几种形式

影响材料使用次数的原因有以下三点：

第一是锻造折叠方面尚未完善，在生产过程中，如果模具的制作仅是在原来的前提上增添了一些特定的余量，这将使得轮缘出现折叠问题，产生的废品就会增多。新型的锻造铝合金车轮模具可以运用模流进行探究和实验，不仅可以防止锻造折叠出现问题，还能设计出更为科学合理的模具曲线，进而提高模具的使用次数。

第二是经历了多个环节的锻造与旋压，定位的准确程度显著降低，以致于旋压轮辋及锻造轮辐的同心度同时产生了偏差，所以，为避免或减少生产设备在车轮制造时出现切削不到的情况，就必须保留出多余的制造部分。而新型的锻造铝合金车轮模具可以通过具体检测所有流程中温度与坯料的收缩程度，对每一道工序实行全方位的定位，除此之外，还可以在制造过程对坯料的温度进行实时性控制，确保坯料的性质不变。

第三是热加工变形，在产品通过T6加工以后，使得轮辋的形状发生改变，其主要因素并不是热加工工艺，是由于模具的设计及制造、旋压模具的设计及制造所产生的。例如，在整个制作流程中轮辋厚度的偏差超过了1mm，热加工变形会受到旋压之后坯料的内应力的影响，但是这种可以提高材质使用效率的锻造铝合金车轮模具就能够全面的配合公差与定位[6]。

通过这种新一代的可以提高材质使用效率的锻造铝合金车轮模具的具体研究，可以看出该车轮模具需要注入的铸铝棒料总共42公斤，生产出的产品共有25公斤，全部材质的使用效率是59.5%，与现已经存在的51公斤铸铝棒料，生产出的产品也有25公斤，材质使用效率是49%相比，其使用效率提高了10.5%，由此可见，这种新一代的模具可以更好的提高材质的使用效率，最大限度的降低成本。

课题项目：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.