【正文】 出鋁合金輪轂反擠壓、擴(kuò)口、墩擠以及熱處理等工藝方法以及各個(gè)工藝過程所配套的模具，這是一個(gè)有意義的嘗試。作為主要承載部件的輪轂，在整車中數(shù)量多，占整車重比例大。同時(shí)，鑄造過程中難以避免的缺陷，直接影響了整車性能。 鋁合金具有密度小、導(dǎo)電性好、耐蝕性強(qiáng)、散熱性能好、比強(qiáng)度高和易于進(jìn)行多種加工等優(yōu)點(diǎn)，是用于制造車輪等的良好減振 材料。 與鋼制輪轂相比，鋁合金輪轂具有如下優(yōu)點(diǎn) :重量輕，可比鋼制車輪轂重量減輕30%～ 40%[4]，汽車的質(zhì)量每減少 1%[4]，其耗油量將降低 %～ 1%[1]；減震性能好 ,吸收沖擊能量強(qiáng) ,從而可以改善車輛的行駛性能，提高安全性；導(dǎo)熱性好，熱導(dǎo)率約為鋼 3倍 [2]，可以降低輪胎的工作溫度 ,提高輪胎的使用壽命；外形美觀 ,采用不同工藝生產(chǎn)鋁合金輪轂的結(jié)構(gòu)可以多樣化，可以很好地滿足 各類使用者的審美要求。 ⑴金屬重力鑄造法 金屬重力鑄造法是指在常壓下，液體金屬靠重力作用充填金屬鑄型而獲得鑄件的一種鑄造方法，這也是一種古老的鑄造方法。但此方法生產(chǎn)的鋁輪轂內(nèi)部質(zhì)量較差 ,縮孔縮松嚴(yán)重，澆注過程中氧化膜和熔渣等夾雜物易卷入鑄件，有時(shí)也會(huì)卷入氣體而形成氣孔缺陷，同時(shí)金屬液的收得率也較低。因在壓力下充型和凝固 ,所以充填性好 ,鑄件縮松少 ,致密性高。由于低壓鑄造利用壓力充型和補(bǔ)充 ,大大簡(jiǎn)化了澆冒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使金屬液收得率大大提高，一般可達(dá) 90%[3],而金屬型重力鑄造僅 40%～ 60%[8]。低壓鑄造法的缺點(diǎn)是鑄造時(shí)間較長(zhǎng)，加鋁料、換模具費(fèi)時(shí)間，設(shè)備投資大，低壓鑄造機(jī)使用的升液管成本較高且易損壞。采用壓鑄工藝生產(chǎn)的鑄件組織致密 ,機(jī) 械性能好，強(qiáng)度表面硬度較高，鑄件的尺寸精確、表面光潔。 ⑴常規(guī)鍛造法 鍛造是鋁輪轂應(yīng)用較早的成形工藝之一。鍛鋁輪轂的晶粒流向與受力的方向一致，其強(qiáng)度、韌性與疲勞強(qiáng)度均顯著優(yōu) 于鑄造鋁輪轂。如果在金屬凝固過程中施以強(qiáng)烈攪拌 ,可使常規(guī)凝固時(shí)易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而成為分散的顆粒懸浮在剩余液相中，這種經(jīng)攪動(dòng)制的合金一般稱為非枝晶半固態(tài)坯料 ,這種半固態(tài)坯料在固相率達(dá)到 50%～ 60%[10]時(shí)仍具有很好的流動(dòng)性，可以采用常規(guī)的成形工藝如壓鑄、模鍛、擠壓等實(shí)現(xiàn)金屬的成形，這就是 20 世紀(jì) 70 年代初由美國(guó) 麻省理工學(xué)院 教授等開發(fā)出的一種新型的金屬加工工藝半固態(tài)金屬成形工藝。現(xiàn)在有向液態(tài)模鍛成形、半固態(tài)模鍛和模鍛成形方向發(fā)展趨勢(shì)。鑄造輪轂有其固有的缺陷，采用擠壓成形的輪轂機(jī)械性能高、綜合性能更好。鋁合金進(jìn)入汽車工業(yè)領(lǐng)域后發(fā)展迅猛，用量逐年增加。 2020 年 ,整個(gè)歐洲汽車工業(yè)一年消耗了 150 萬噸以上的鋁合金，其中大約 25 萬噸用于車身制造， 80 萬噸用于制造汽車傳動(dòng)系，另有 萬噸用于制造汽車行駛機(jī)構(gòu)和懸掛機(jī)構(gòu)。 鋁的比重很小，僅為 (屬輕金屬 )，大致為鋼的 1/3。全球鋁的年產(chǎn)量在非鐵合金中居首位，僅次于鋼鐵。某些鋁合金的強(qiáng)度甚至高于普通結(jié)構(gòu)鋼，現(xiàn)已有抗拉強(qiáng)度超過 600Mpa 的超高強(qiáng)度高韌性鋁合金材料。另外 ,雖然多數(shù)鋁合金的強(qiáng)度在高溫條件下下降很快，然而在低溫下，隨著溫度的 下降，在 0℃以下鋁及鋁合金材料的強(qiáng)度反而會(huì)增加，因而成為一種優(yōu)良的低溫金屬材料 【 12】 。早期 ,鋁的價(jià)格非常昂貴，同時(shí)產(chǎn)量很低。鋁合金的大量使用始于第二次世界大戰(zhàn)，戰(zhàn)爭(zhēng)期間 ,鋁合金作為重要的戰(zhàn)略物資被用于制造飛機(jī)，航空鋁材市場(chǎng)的發(fā)展促使了鋁合金應(yīng)用的第一次 大幅增長(zhǎng)；戰(zhàn)后六、七十年代，鋁合金在建筑行業(yè)得到大量的應(yīng)用，建材鋁合金市場(chǎng)的逐漸成熟又給鋁合金的應(yīng)用帶來第二次大的發(fā)展； 70～ 80 年代鋁制包裝物 (鋁罐、鋁箔、鋁容器等 )的大量使用使鋁合金市場(chǎng)出現(xiàn)了第三次大的飛躍； 1973 年第一次全球石油危機(jī)后，石油價(jià)格暴漲。石油危機(jī)對(duì)整個(gè)汽車工業(yè)帶來了巨大的沖擊，各國(guó)紛紛開發(fā)和應(yīng)用車用鋁合金技術(shù)以節(jié)省能源和降低汽車 燃料消耗 ,從而出現(xiàn)了鋁合金材料應(yīng)用的第四次高峰。進(jìn)入二十世紀(jì)早期，鋁主要在制造豪華汽車和賽車上有一定的應(yīng)用 ,鋁制車身的汽車開始出現(xiàn)，如亨利在二戰(zhàn)期間，每輛汽車平均用鋁僅 【 13】 ，至 1971 年已增加到 35kg【 13】 而在最近 10 年中，鋁的使用量又增加了 2倍多。 鋁合金車輪的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀 國(guó)外鋁合金輪轂制造業(yè)在 20世紀(jì) 70年代得到了快速的發(fā)展。一般企業(yè)最小生產(chǎn)規(guī)模不低于年產(chǎn) 120 萬只，產(chǎn)量大的企業(yè)超過 1000 萬只。 北美 鋁合金車輪市場(chǎng)發(fā)展具有代表性。就目前來說鋁合金輪轂有一定的發(fā)展?jié)摿Α? 1981 年，美國(guó)凱澤鋁及化學(xué)公司用擠壓方法首次生產(chǎn)鋁合金轎車整體輪轂，其直徑為 毫米，用于裝備 80年代中期前輪驅(qū)動(dòng)的小型轎車。 1988 年我國(guó)第一家鋁合金車輪企業(yè)戴卡輪轂制造有限公司成立；進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，廣東南海中南鋁等一批鋁合金車輪制造企業(yè)迅速建立起來，鋁合金車輪迅速在我國(guó)得到推廣。鋁合金車輪輕量化、大直徑、寬輪輞方向發(fā)展。兩一方面，在鍛造鋁合金輪轂的使用上，重型車的市場(chǎng)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過轎車和輕型卡車的市場(chǎng)。精密塑性成形技術(shù)已經(jīng)在較大的程度上實(shí)現(xiàn)了近凈成形，即制造接近零件形狀的工件毛坯，較傳統(tǒng)的成形技術(shù)減少了后續(xù)工序的切削量，減少了材料、能源的消耗。精密塑性成形不但可以節(jié)材、節(jié)能、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，而且可以使金屬流線沿零件輪廓合理分布，獲得更好的材料組織結(jié)構(gòu) 與性能。 精密塑性體積成形技術(shù)是在傳統(tǒng)成形工藝的基礎(chǔ)上逐漸完善和發(fā)展起來的。它可使成形的機(jī)械構(gòu)件具有準(zhǔn)確的外形、較高的尺寸精度和形位精度、較好的表面粗糙度。 ⑶使金屬流線沿零件輪廓合理分布，獲得更好的材料組織結(jié)構(gòu)與性能，從而可以減輕制件的質(zhì)量，提高產(chǎn)品安全性、可靠性和使用壽命。 按照成形方法的不同，精密體積成形可分為模鍛、擠壓、閉塞式鍛造、多向模鍛、徑向鍛造、精壓、精密碾壓、變薄拉伸、強(qiáng)力旋壓和粉末成形等。制造業(yè)特別是機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，要求生產(chǎn)過程節(jié)約能源、節(jié)約材料、提高資源利用率，這已經(jīng)成為參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要因素。近年來，我國(guó)在鍛壓方面已經(jīng)基本掌握了精鍛、精沖、溫?cái)D等少無切削鍛壓工藝。溫成形主要是在再結(jié)晶溫度以下，僅有動(dòng)態(tài)回復(fù)發(fā)生：在再結(jié)晶溫度以上時(shí)，動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶同時(shí)發(fā)生，進(jìn)行的程度視材料及變形條件而定。 溫?cái)D壓變形兼有冷熱擠壓變形的優(yōu)點(diǎn)，而且避免了它們各自的缺點(diǎn)。如果控制合適，模具的壽命也比冷擠壓時(shí)要高。 我國(guó)進(jìn)行溫成形工藝研究涉及的材料有碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼 、不銹鋼、軸承鋼、輕合金等，并陸續(xù)在汽車、拖拉機(jī)、家用電器、航天航空等領(lǐng)域應(yīng)用，取得了一些成功經(jīng)驗(yàn)。有人預(yù)言，溫?cái)D壓件十年內(nèi)應(yīng)用比重將會(huì)有一個(gè)較大的發(fā)展，甚至超過冷擠壓件。但是，溫?cái)D壓技術(shù)還很年輕，研究與實(shí)踐的資料還不十分完整，對(duì)溫?cái)D壓變形過程的基本參數(shù)：包括變形溫度、變形程度、變形力、摩擦潤(rùn)滑條件、合理的模具結(jié)構(gòu)、模具材料的選用、產(chǎn)品能達(dá)到的精度與性能等缺少全面系統(tǒng)的研究 孫俊豪： 7A04 鋁合金輪轂擠壓成形與模具設(shè)計(jì) 6 近年來，隨 著航空航天、交通運(yùn)輸、國(guó)防建設(shè)的發(fā)展，新型輕合金材料的研制和開發(fā)日益受到各國(guó)的高度重視，鋁合金憑借其優(yōu)異的性能以及低廉的原料價(jià)格，促使包括中國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)相繼投入大量人力物力，進(jìn)行開發(fā)研究，已成為材料研究的一大熱門，其研究成果也在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此，世界各國(guó)近年來都加強(qiáng)了鋁合金在汽車等交通工具上的應(yīng)用開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化研究。國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者對(duì)于這個(gè)問題進(jìn)行了研究，提出了一些可行的方法。該工藝誕生于 1965 年，當(dāng)時(shí)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)工件時(shí)，研究人員曾試用此工藝。美國(guó)用該方法生產(chǎn)了鑄鐵齒輪和多徑凸緣，其強(qiáng)度大大超過了普通鑄鐵件，為 了消除鑄錠的原始組織的不均勻性，先對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化退火，然后直接塑性變形，既克服了鑄造工藝產(chǎn)生的強(qiáng)度不足，又降低了生產(chǎn)成本。因此，鋁合金輪轂的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第二章 鋁合金輪轂成形工藝制定 引 言 某車輛輪轂原采用鑄鋼材料鑄造加工而成，嚴(yán)重超重影響了整車的性能。 本章依據(jù)輪轂的外形特點(diǎn)及服役要求，選擇輪轂制造的材料，對(duì)材料進(jìn)行相應(yīng)工藝分析，確定成形工藝參數(shù)。 輪轂材料的選擇 輪轂的性能直接與整車的許多性能密切相關(guān)。采用鋁合金制備大型客車輪轂、載重車輪轂已經(jīng)獲得了認(rèn)可，其性能良好、運(yùn)行平穩(wěn)。 超硬鋁：是在鋁 鎂 銅系基礎(chǔ)上加入鋅而形成的鋁合金，進(jìn)一步提高了合金的機(jī)械性能，特別是解決 了鋅、鎂含量高時(shí)存在的嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕問題。 硬鋁：硬鋁的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，在退火及淬火的塑性良好，焊接性良好，可液態(tài)壓力加工，多數(shù)硬鋁在淬火 +自然時(shí)效狀態(tài)下使用。 原輪轂的設(shè)計(jì)服役條件是具有高強(qiáng)度，工作環(huán)境溫度不高，卻要承受較高的載荷。此外，在 相同強(qiáng)度水平下，其斷裂韌性也優(yōu)于硬鋁，同時(shí)具有良好的熱加工性能。 原輪轂的設(shè)計(jì)服役條件是具有高強(qiáng)度，工作環(huán)境溫度不高，卻要承受較高的載荷。此外，在相同強(qiáng)度水平下，其斷裂韌性也優(yōu)于硬鋁，同時(shí)具有良好的熱加工性能。 7A04 鋁合金各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍比較寬， 7A04 鋁合金時(shí)效處理后的機(jī)械強(qiáng)度高，符合輪轂的 工作要求的高載荷環(huán)境。 表 21 7A04鋁合金各化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 表 22 7A04的材料性能參數(shù) 7A04 單位 物理性能 室溫機(jī)械性能 Zn Mg Cu Cr Mn Fe Si Al ～ ～ ～ ～ ～ ≤ ≤ 剩余部分 孫俊豪： 7A04 鋁合金輪轂擠壓成形與模具設(shè)計(jì) 8 熔點(diǎn) ℃ 液相點(diǎn)： 638 固相點(diǎn)： 510 彈性模量 （公斤 /毫米 2） 6800 密度 g/cm3 剪切模量 （公斤 /毫米 2） 2700 線膨脹系數(shù) 106 1/℃ 20～ 100℃ 20～ 200℃ 20～ 300℃ 屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 （公斤 /毫米 2） 48 54～ 56 導(dǎo)熱系數(shù) 卡 /厘米 .秒 . ℃ 25℃： 100℃： 200℃： 300℃： 400℃： 伸長(zhǎng)率 % 8～ 10 比熱 卡 /克 . ℃ 100℃： 200℃： 300℃： 400℃： 泊松系數(shù) μ 電阻系數(shù) 歐姆 .毫米 2/米 布氏硬度 HB 125～ 140 7A04 鋁合金擠壓工藝參數(shù)確定 一般說來，由于鋁合金的流動(dòng)性差，在金屬流動(dòng)量相同的情況下，擠壓過程要比鋼多消耗約 30%【 16】 的能量。 擠壓溫度的確定 鋁合金的擠壓溫度范圍比較窄，一般都在 150℃ 【 19】 以內(nèi)， 7A04 鋁合金的擠壓溫度范圍圖 21 7A04 鋁合甚至不到 100℃ 【 19】 。所以在坯料的加熱過程中一定要選擇可靠、溫度精度控制好的加熱設(shè)備。不同鍛造溫度對(duì) 7A04 鋁合金的影響見表 23【 12】 表 23 不同鍛造溫度對(duì) 7A04鋁合金的影響 對(duì)于 7A 合金，數(shù)是過的固溶隨 著溫度降低，從固溶體中要析出強(qiáng)化相， 300℃時(shí)有較多的 S 相、 T 相及其它相，導(dǎo)致合金工藝塑性差。隨著溫度的升高 7A04 鋁合金的晶界會(huì)變的越來越不穩(wěn)定，晶界間的粘合力會(huì)變小，所以晶界間的滑移就變得越來越容易，材料的延伸率變大。當(dāng)變形的溫度達(dá)到一定的值時(shí)延伸率會(huì)降低，一般情況下，隨著溫度的升高促使晶粒長(zhǎng)大，當(dāng)接近鋁合金的過燒溫度時(shí)，晶粒會(huì)嚴(yán) 重長(zhǎng)大，導(dǎo)致塑性變形能力急劇下降如圖 22。這是因?yàn)槿绻冃嗡俾蔬^大，晶粒內(nèi)和晶界間的滑移與位錯(cuò)擁塞導(dǎo)致應(yīng)力集中，變形的流動(dòng)應(yīng)力加大。因此過大的擠壓速度會(huì)造成在輪轂擠壓過程中表 面開裂，影響產(chǎn)品外觀。但是擠壓后的潤(rùn)滑劑的殘留物不易去除，嵌在工件表面的石墨粒子可能引起污點(diǎn)、麻坑和腐蝕，因此每次開模后必須清理。因此要求潤(rùn)滑劑在高壓下仍能具有良好的吸附性，保證擠壓成型過程中能夠起到潤(rùn)滑作用。鋁合金中的銅、鎂、鋅等合金元素固溶處理與時(shí)效是 7A04 都能溶于鋁，形成以鋁為基體的固溶體，它們的溶解度都隨溫度下降而減少。過飽和固溶體在常溫放置或者高于常溫的溫度下保溫，將發(fā)生脫溶沉淀過程，形成包括 區(qū)在內(nèi)的各種過渡相或平衡的次