【正文】 且色彩也好。我國鋁合金輪轂制造以低壓鑄造為主，一些先進的制造工藝還未采用。隨著世界汽車輕量化進程的加快，國際汽車市場競爭日趨激烈，節(jié)能化、輕量化成為我國汽車工藝發(fā)展的必然趨勢，目前輕合金輪轂主要為鋁合金輪轂，鎂合金輪轂尚處于起步階段，而鋁合金輪轂生產(chǎn)方法有了較大的進步。本文通過對汽車輪轂典型的制造方法分類、通過選擇典型的應用案例，分析案例的理論信息，歸納出鋁合金輪轂反擠壓、擴口、墩擠以及熱處理等工藝方法以及各個工藝過程所配套的模具，這是一個有意義的嘗試。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，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、導電性好、耐蝕性強、散熱性能好、比強度高和易于進行多種加工等優(yōu)點，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: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,從而可以改善車輛的行駛性能，提高安全性；導熱性好，熱導率約為鋼 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,縮孔縮松嚴重，澆注過程中氧化膜和熔渣等夾雜物易卷入鑄件，有時也會卷入氣體而形成氣孔缺陷，同時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充,大大簡化了澆冒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使金屬液收得率大大提高，一般可達 90%[3],而金屬型重力鑄造僅 40%～60% [8]。低壓鑄造法的缺點是鑄造時間較長，加鋁料、換模具費時間，設(shè)備投資大，低壓鑄造機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,機械性能好，強度表面硬度較高，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，其強度、韌性與疲勞強度均顯著優(yōu)于鑄造鋁輪轂。如果在金屬凝固過程中施以強烈攪拌,可使常規(guī)凝固時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)坯料在固相率達到 50%～60% [10]時仍具有很好的流動性，可以采用常規(guī)的成形工藝如壓鑄、模鍛、擠壓等實現(xiàn)金屬的成形，這就是 20世紀 70年代初由美國麻省理工學院 種新型的金屬加工工藝半固態(tài)金屬成形工藝?，F(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。鑄造輪轂有其固有的缺陷，采用擠壓成形的輪轂機械性能高、綜合性能更好。鋁合金進入汽車工業(yè)領(lǐng)域后發(fā)展迅猛，用量逐年增加。2022 年,整個歐洲汽車工業(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系，另有 。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。某些鋁合金的強度甚至高于普通結(jié)構(gòu)鋼，現(xiàn)已有抗拉強度超過 600Mpa的超高強度高韌性鋁合金材料。另外,雖然多數(shù)鋁合金的強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度反而會增加，因而成為一種優(yōu)良的低溫金屬材料 【12】 。早期,鋁的價格非常昂貴，同時產(chǎn)量很低。鋁合金的大量使用始于第二次世界大戰(zhàn)，戰(zhàn)爭期間,鋁合金作為重要的戰(zhàn)略物資被用于制造飛機，航空鋁材市場的發(fā)展促使了鋁合金應用的第一次大幅增長；戰(zhàn)后六、七十年代，鋁合金在建筑行業(yè)得到大量的應用，建材鋁合金市場的逐漸成熟又給鋁合金的應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出現(xiàn)了第三次大的飛躍；1973 年第一次全球石油危機后，石油價格暴漲。石油危機對整個汽車工業(yè)帶來了巨大的沖擊，各國紛紛開發(fā)和應用車用鋁合金技術(shù)以節(jié)省能源和降低汽車燃料消耗,從而出現(xiàn)了鋁合金材料應用的第四次高峰。進入二十世紀早期，鋁主要在制造豪華汽車和賽車上有一定的應用,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。 鋁合金車輪的國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀國外鋁合金輪轂制造業(yè)在 20世紀 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?981年，美國凱澤鋁及化學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 ，用于裝備 80年代中期前輪驅(qū)動的小型轎車。1988 年我國第一家鋁合金車輪企業(yè)戴卡輪轂制造有限公司成立；進入 20世紀 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，重型車的市場會遠遠超過轎車和輕型卡車的市場。精密塑性成形技術(shù)已經(jīng)在較大的程度上實現(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。它可使成形的機械構(gòu)件具有準確的外形、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、強力旋壓和粉末成形等。制造業(yè)特別是機械制造業(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)成為參與國際市場競爭的重要因素。近年來，我國在鍛壓方面已經(jīng)基本掌握了精鍛、精沖、溫擠等少無切削鍛壓工藝。溫成形主要是在再結(jié)晶溫度以下，僅有動態(tài)回復發(fā)生：在再結(jié)晶溫度以上時，動態(tài)回復、動態(tài)再結(jié)晶同時發(fā)生，進行的程度視材料及變形條件而定。溫擠壓變形兼有冷熱擠壓變形的優(yōu)點，而且避免了它們各自的缺點。如果控制合適，模具的壽命也比冷擠壓時要高。我國進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、家用電器、航天航空等領(lǐng)域應用，取得了一些成功經(jīng)驗。有人預言，溫擠壓件十年內(nèi)應用比重將會有一個較大的發(fā)展，甚至超過冷擠壓件。但是，溫擠壓技術(shù)還很年輕，研究與實踐的資料還不十分完整，對溫擠壓變形過程的基本參數(shù)：包括變形溫度、變形程度、變形力、摩擦潤滑條件、合理的模具結(jié)構(gòu)、模具材料的選用、產(chǎn)品能達到的精度與性能等缺少全面系統(tǒng)的研究近年來，隨著航空航天、交通運輸、國防建設(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格，促使包括中國在內(nèi)的世界各國相繼投入大量人力物力，進行開發(fā)研究，已成為材料研究的一大熱門，其研究成果也在各個領(lǐng)域得到應用。因此，世界各國近年來都加強了鋁合金在汽車等交通工具上的應用開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化研究。國內(nèi)外的許多學者對于這個問題進行了研究，提出了一些可行的方法。該工藝誕生于 1965年，當時生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)工件時，研究人員曾試用此工藝。美國用該方法生產(chǎn)了鑄鐵齒輪和多徑凸緣，其強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，先對鑄錠進行均勻化退火，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)實意義。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，嚴重超重影響了整車的性能。本章依據(jù)輪轂的外形特點及服役要求，選擇輪轂制造的材料，對材料進行相應工藝分析，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)獲得了認可，其性能良好、運行平穩(wěn)。超硬鋁：是在鋁鎂銅系基礎(chǔ)上加入鋅而形成的鋁合金，進一步提高了合金的機械性能，特別是解決了鋅、鎂含量高時存在的嚴重的應力腐蝕問題。硬鋁：硬鋁的特點是強度高，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+自然時效狀態(tài)下使用。原輪轂的設(shè)計服役條件是具有高強度，工作環(huán)境溫度不高，卻要承受較高的載荷。此外，在相同強度水平下，其斷裂韌性也優(yōu)于硬鋁，同時具有良好的熱加工性能。原輪轂的設(shè)計服役條件是具有高強度，工作環(huán)境溫度不高，卻要承受較高的載荷。此外，在相同強度水平下，其斷裂韌性也優(yōu)于硬鋁，同時具有良好的熱加工性能。7A04鋁合金各化學成分質(zhì)量分數(shù)的范圍比較寬，7A04 鋁合金時效處理后的機械強度高，符合輪轂的工作要求的高載荷環(huán)境。表 21 7A04鋁合金各化學成分的質(zhì)量分數(shù)表 22 7A04的材料性能參數(shù)7A04 單位 物理性能 室溫機械性能Zn Mg Cu Cr Mn Fe Si Al～ ～ ～ ～ ～ ≤ ≤ 剩余部分熔點 ℃ 液相點：638固相點：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℃屈服強度抗拉強度（公斤/毫米 2）4854～56導熱系數(shù) 卡/. ℃25℃：100℃：200℃：300℃：400℃：伸長率% 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，由于鋁合金的流動性差，在金屬流動量相同的情況下，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 7A04鋁合金的影響見表 23【12】表 23 不同鍛造溫度對 7A04鋁合金的影響對于 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化相，300℃時有較多的 S相、T 相及其它相，導致合金工藝塑性差。隨著溫度的升高 7A04鋁合金的晶界會變的越來越不穩(wěn)定，晶界間的粘合力會變小，所以晶界間的滑移就變得越來越容易，材料的延伸率變大。當變形的溫度達到一定的值時延伸率會降低，一般情況下，隨著溫度的升高促使晶粒長大，當接近鋁合金的過燒溫度時，晶粒會嚴重長大，導致塑性變形能力急劇下降如圖 22。這是因為如果變形速率過大，晶粒內(nèi)和晶界間的滑移與位錯擁塞導致應力集中，變形的流動應力加大。因此過大的擠壓速度會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、麻坑和腐蝕，因此每次開模后必須清理。因此要求潤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滑作用。鋁合金中的銅、鎂、鋅等合金元素固溶處理與時效是 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 各種過渡相或平衡的次生相。 固溶處理：實驗的固溶溫度為 460℃ 【23】 ，因為接近 7A04的過燒溫度，因此必須防止過燒，要嚴格控制加熱溫度。影響保溫的因素有以下幾點：⑴工件的厚度：截面大的半成品以及形變量小的工件，強化相較粗大，保溫時間應適當?shù)难娱L，使強化相充分溶解。隨著輪轂變形程度增大，強化相尺寸越小，保溫時間可以適當?shù)目s短。⑶原始組織：完全退火的合金強化相粗大、保溫時間需增長。綜上所述將成形后的工件在 460℃溫度下加熱大約四小時，因為加熱合金院子會整齊排列 時效處理7A04鋁合金淬火后的過飽和固溶體處于不平衡狀態(tài)，有發(fā)生分解和析出第二相的自發(fā)傾向，有些合金在常溫下便開始進行這種析出過程。7A04 鋁合金的自然時效需要數(shù)周甚至數(shù)月的時間才能達到穩(wěn)定階段，且抗應力腐蝕的能力不如人工時效。溫度低、時間短，強度達不到峰值則欠時效。鋁合金自然時效或者在低于100℃ 【18】 的溫度下人工時效后，抗晶間腐蝕能力較強。固溶處理后整齊排列的合金原子失效后由于快速冷卻合金原子整齊的固定下來，從而提高了工件的力學性能以及機械性能。成形力大，加之鋁合金成形易產(chǎn)生粘模現(xiàn)象，給輪轂成形帶來較大困難。與擠壓方向垂直的受力面應增大斜度 a。擠壓件的最終尺寸 d和 D不能太大或者相差太大，應在允許的變形程度范圍內(nèi)。如果擠壓件是不對稱形狀，在機械加工時不能在車床上裝夾只能采用數(shù)控銑加工。擠壓件的底厚為 10mm，拔模斜度為 [21]。設(shè)計的擠壓件圖如圖 33圖 輪轂擠壓件零件圖 輪轂擠壓成形工藝路線確定 鋁合金輪轂的擠壓方式根據(jù)前一章所確定的輪轂材料將 7A04鋼坯按照輪胎的寬度和規(guī)定的長度進行切割，為了提高工藝塑形和盡量減小變形抗力，根據(jù)合金相圖選擇合金處于單相區(qū)內(nèi)變形來確定其鍛造溫度范圍，其原理是