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摘要：提出了轎車鋁合金輪轂液態(tài)模鍛新工藝，并試驗(yàn)驗(yàn)證了新工藝實(shí)現(xiàn)條件及工藝措施，產(chǎn)品性能優(yōu)于目前的低壓鑄造法，設(shè)備簡(jiǎn)單，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：液態(tài)模鍛；輪轂；鋁合金

一、引言

鋁合金輪轂是鋼質(zhì)輪轂的換代產(chǎn)品，它具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱快、美觀華貴、節(jié)能安全等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于轎車及其它輕型客車上。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及國(guó)外配件需求量的增加，市場(chǎng)容量十分可觀。目前國(guó)內(nèi)外制造鋁合金輪轂的方法主要分為兩大類：一類是鍛造法，其中國(guó)外最先進(jìn)的工藝是由連鑄工序和三個(gè)鍛造工序組成，該法雖然質(zhì)量好，但成品率只有50%左右，價(jià)格昂貴。另一類是鑄造法，分重力鑄造和低壓鑄造。重力鑄造法產(chǎn)品中縮孔、疏松、氣孔等缺陷嚴(yán)重，機(jī)械強(qiáng)度低，成品率低，國(guó)外已經(jīng)淘汰。目前國(guó)內(nèi)外大多采用低壓鑄造法，該法產(chǎn)品質(zhì)量和成品率都有一定提高，但工藝復(fù)雜，設(shè)備投資太大，從國(guó)外引進(jìn)年產(chǎn)30萬(wàn)件的設(shè)備需投資億元以上。采用液態(tài)模鍛法，使鋁合金在高壓下結(jié)晶，并在結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生一定量的變形，消除了縮孔、疏松、氣孔等缺陷，產(chǎn)品既具有接近鍛件的優(yōu)良機(jī)械性能，又有精鑄件一次精密成型的高效率、高精度，且投資大大低于低壓鑄造法。

二、輪轂的工藝特點(diǎn)及工藝關(guān)鍵

輪轂是一個(gè)如圖1所示的零件，類似一個(gè)較淺的杯形件，壁較薄，壁厚基本均勻，輪緣直徑較大，高度適中，基本適合液態(tài)模鍛工藝。制造的主要困難在于采用直接液態(tài)模鍛法時(shí)，輪緣與原澆注液面之間容易形成較深的冷隔，必須采取措施避免。

圖1

影響工件內(nèi)部結(jié)晶質(zhì)量及力學(xué)性能的關(guān)鍵是溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的控制，而影響溫度場(chǎng)的因素又較多，因此必須通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算找到比較理想的溫度——時(shí)間曲線。而應(yīng)力場(chǎng)直接關(guān)系到工件中縮孔、疏松、氣孔等缺陷的消除，必須確定合適的應(yīng)力場(chǎng)分布，為獲得高質(zhì)量的工件打下基礎(chǔ)。

三、模具設(shè)計(jì)及成形條件的確定

1.模具設(shè)計(jì)

考慮到工件表面可能出現(xiàn)夾雜等缺陷，厚度尺寸必須留有一定的機(jī)加工余量，所以在零件圖厚度尺寸上單邊加放0.5mm，并取拔模斜度1.5°，繪出鍛件圖。以該圖為依據(jù)設(shè)計(jì)模具。根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必須采取直接液態(tài)模鍛法，凹模采取垂直分型面，以便工件出模。采用垂直分模就必須有水平方向鎖緊裝置，考慮到設(shè)備條件限制，因此采用錐形護(hù)環(huán)鎖緊裝置，見(jiàn)圖2中件3。工作時(shí)，在件4、6、8組成的凹模中澆注金屬后，上模下行，件3首先壓緊件4、8形成鎖模，隨后凸模6加壓成形，保壓后，凸模6隨上模上行，件3在彈簧作用下仍壓緊4、8，以便凸模脫模，彈簧壓緊力應(yīng)大于凸模脫模力，最后件2帶動(dòng)件3上行，件4、8分開(kāi)取出工件。由于是試驗(yàn)?zāi)＞�，�?dǎo)向主要靠設(shè)備導(dǎo)向。合模行程由加壓力控制，這樣可能會(huì)給輪輻部分厚度尺寸帶來(lái)誤差，但并不影響試驗(yàn)效果卻大大簡(jiǎn)化了定量澆注裝置。

圖2

2.成形工藝條件的確定

(1)鋁合金的熔煉及模具準(zhǔn)備

輪轂工作時(shí)承受較大的沖擊載荷，常用鋁—硅合金制造。選用ZL107合金，電爐熔煉，以便比較準(zhǔn)確地控制熔煉溫度，并最好進(jìn)行精煉除氣處理。由于金屬充填距離較長(zhǎng)，為了增加充填性，澆注溫度提高到730℃，模具工作前應(yīng)預(yù)熱到310℃，采用電阻絲加熱，預(yù)熱同時(shí)涂潤(rùn)滑劑，以便順利脫模。采用石墨+機(jī)油為潤(rùn)滑劑，為了保證均勻，最好采用噴涂。澆注溫度與模具溫度太高，會(huì)使工件表面粗糙甚至粘焊，溫度過(guò)低，金屬冷卻太快，給充填成形造成困難。

(2)澆注與加壓

液態(tài)模鍛時(shí)沒(méi)有澆口和冒口，所以要比較精確地定量澆注。采用漏斗澆注，漏斗需加熱至與金屬液相近的溫度，進(jìn)行“底注”，以避免金屬液噴濺到模具上造成缺陷。由于工件平面尺寸較大，散熱較快，要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)澆注完畢，大型液壓機(jī)速度較慢，快速下行轉(zhuǎn)入工作加壓需要一定時(shí)間，所以澆注后讓凸模盡快下行，使開(kāi)始加壓時(shí)間控制在5～8s，加壓速度在0.1m/s左右。速度太快會(huì)使金屬液向外噴濺，造成澆不足。加壓壓力要大于100MPa，這是由于輪緣有一定高度，壓力太低，會(huì)在輪緣與輪輻的連接部分壓力不足，機(jī)械性能較差。保壓時(shí)間約10s，冷卻時(shí)間在15～20s，保壓冷卻時(shí)間太長(zhǎng)，工件溫度過(guò)低，會(huì)使脫模力大幅度增加，脫模困難甚至造成工件收縮破裂。

3.環(huán)形冷隔的處理

直接液態(tài)模鍛時(shí)部分金屬液上移充型，它與原金屬液面之間形成一圈冷隔，這種冷隔有時(shí)是難以避免的，提高澆注溫度與模具預(yù)熱溫度，縮短開(kāi)始加壓時(shí)間后，冷隔有所減輕，但無(wú)法完全避免，仍有1～1.5mm深冷隔，如圖3所示。為此，在模具上冷隔形成的高度開(kāi)一個(gè)R2的半圓弧，使冷隔形成在突起的圓弧上，在機(jī)加工工序切除，這樣就完全消除了冷隔的影響。

圖3

四、輪轂機(jī)械性能的檢測(cè)

為了檢測(cè)輪轂的機(jī)械性能，首先對(duì)其進(jìn)行熱處理，熱處理?xiàng)l件為515±5℃保溫6h淬火，175±5℃保溫6h回火，并加工成試件。檢測(cè)結(jié)果如表1所列。

表1液態(tài)模鍛輪轂力學(xué)性能
- 試件號(hào) σ_b(MPa) δ(%) HB 液態(tài)模鍛 1 314 7.4 110 2 327 7.1 104 3 321 7.0 113 平均值 321 7.2 109 低壓鑄造 - 245 2.5 90

五、結(jié)論

(1)汽車鋁合金輪轂的液態(tài)模鍛工藝可行，產(chǎn)品性能優(yōu)于目前的制造方法。
(2)該工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、投資小，材料利用率高，產(chǎn)品成本低。
(3)工藝過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，適于汽車配件的批量生產(chǎn)。

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