張海渠,馬桂艷,宋鴻武,張士宏

(1.沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110044;2.中國科學(xué)院 金屬研究所,遼寧 沈陽 110016)

鋁合金輪轂成形工藝的應(yīng)用與研究進(jìn)展

張海渠1,2,馬桂艷1,2,宋鴻武2,張士宏2

(1.沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110044;2.中國科學(xué)院 金屬研究所,遼寧 沈陽 110016)

綜述了國內(nèi)外在鋁合金輪轂成形工藝方面的研究和應(yīng)用情況,重點(diǎn)闡述了鋁合金輪轂旋壓成形工藝的最新進(jìn)展,介紹了鋁合金輪轂的鑄旋成形新工藝.對(duì)鋁合金輪轂成形工藝的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望,并對(duì)進(jìn)一步的研究方向提出了建議.

鋁合金輪轂;成形工藝;鑄旋

隨著安全和環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格,對(duì)現(xiàn)代汽車減重節(jié)能的要求不斷提高.材料及其加工技術(shù)的創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的關(guān)鍵,主要表現(xiàn)在新型高強(qiáng)度或低密度輕質(zhì)材料的應(yīng)用和采用新的零部件成形工藝[1].輪轂作為汽車部件之一,是汽車行駛時(shí)車體與地面之間的傳力元件,發(fā)揮著承載車輛重量、關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)、體現(xiàn)車輛外觀等諸多作用,對(duì)汽車的節(jié)能、環(huán)保和安全性能等都有重要的影響.輕合金輪轂在汽車輕量化進(jìn)程中扮演了越來越重要的角色,特別是鋁合金輪轂以其美觀、質(zhì)輕、節(jié)能、散熱快、耐腐蝕、加工性好等特點(diǎn),正逐步取代鋼質(zhì)輪轂而成為最佳選擇.目前鋁合金輪轂的成形方法主要有鑄造法、鍛造法和旋壓法等,本文對(duì)鋁合金輪轂各種成形工藝的研究和應(yīng)用情況進(jìn)行綜述,從拷慮輪轂質(zhì)量和制造成本等問題的角度,著重探討了集鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋等少或無切削加工工藝特點(diǎn)于一體的鋁合金輪轂旋壓成形工藝.

1 鋁合金輪轂的成形工藝及研究概況

1.1 鑄造法成形的研究

鋁合金輪轂的鑄造法成形具有適應(yīng)性強(qiáng)、品種多樣、生產(chǎn)成本較低的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為生產(chǎn)鋁合金輪轂最普遍的方法,在全世界的鋁合金輪轂中,采用鑄造法生產(chǎn)的占80%以上.

1.1.1 低壓鑄造法

圖1是低壓鑄造法生產(chǎn)汽車輪轂的工藝流程.低壓鑄造時(shí),金屬液在壓力下充型和凝固,充填性好,鑄件縮松少、致密性高,并且金屬液的收得率高.與其他鑄造方法相比,氣孔和夾渣缺陷少,產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量好,生產(chǎn)的同類產(chǎn)品重量減少15%,機(jī)械加工切削量由原來的 2～3 mm減少到0.75 mm,輪轂價(jià)格降低10%.因此,目前低壓鑄造法已成為鋁合金輪轂生產(chǎn)的首選工藝[2].

圖1 汽車輪轂的低壓鑄造法生產(chǎn)工藝流程

文獻(xiàn)[3]利用ANSYS軟件對(duì)鋁合金輪轂低壓鑄造凝固過程的模具溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬,結(jié)果分析表明,開設(shè)冷卻管道、調(diào)整側(cè)模厚度、降低側(cè)模溫度都可以減小孤島效應(yīng),其中,降低側(cè)模溫度的效果最為理想,基本上可以完全消除孤島效應(yīng).文獻(xiàn)[4]結(jié)合線性與非線性壓力加載的數(shù)值模擬,詳細(xì)說明了壓力條件對(duì)充型狀態(tài)的影響,以及缺陷形成的原因,提出了低壓鑄造充型非線性壓力條件的加載方法.文獻(xiàn)[5]通過鑄造模擬軟件MagmaSoft對(duì)鑄旋的壓鑄過程進(jìn)行模擬,根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝,解決輪輻根部的縮松問題,以提高鑄造成品率.

1.1.2 擠壓鑄造法

擠壓鑄造件比低壓鑄造件的力學(xué)性能高:產(chǎn)品既有接近鍛件的優(yōu)良力學(xué)性能,又有精鑄件一次精密成形的高效率、高精度.其投資大大低于低壓鑄造法.目前世界各國把擠壓鑄造作為汽車鋁合金輪轂生產(chǎn)的方向之一.文獻(xiàn)[6]從產(chǎn)業(yè)規(guī)模、工藝技術(shù)、材料應(yīng)用和工裝設(shè)備等方面研討了國內(nèi)外擠壓鑄造的發(fā)展現(xiàn)狀.在產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面,日本宇部公司擠壓鑄造機(jī)的最大合模力達(dá)3 500 kN,日本豐田公司的輪轂生產(chǎn)廠擁有14臺(tái)VSC 1500-VSC 1800擠壓設(shè)備,國內(nèi)目前有100多臺(tái)擠壓鑄造設(shè)備在運(yùn)行;在工藝技術(shù)方面,雙重?cái)D壓鑄造工藝、擠壓鑄件的熱處理技術(shù)和半固態(tài)擠壓鑄造技術(shù),以及計(jì)算機(jī)在擠壓鑄造中的應(yīng)用等都有顯著的進(jìn)展;在材料應(yīng)用方面,主要表現(xiàn)在高硅鋁合金、鎂合金、鋁基復(fù)合材料以及鋅基合金的擠壓鑄造的研發(fā)進(jìn)步;在工裝設(shè)備方面,堪稱典型的是日本宇部公司的VSC、HVSC擠壓鑄造機(jī)系列和日本東芝公司的DXHV、DXV擠壓鑄造機(jī)系列.

1.2 鍛造法成形的研究

鍛造法是應(yīng)用較早的鋁合金輪轂成形工藝之一.鍛造鋁合金輪轂的強(qiáng)度、韌性以及疲勞強(qiáng)度均顯著優(yōu)于鑄造鋁合金輪轂,并且還具有抗腐蝕性好、尺寸精確、加工量小、性能再現(xiàn)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).但是鍛造鋁合金輪轂的生產(chǎn)工序繁復(fù),并且生產(chǎn)成本比鑄造要高得多[7].鍛造鋁合金輪轂近幾年發(fā)展比較迅速,目前鍛造鋁合金輪轂產(chǎn)量的75%左右是美國鋁業(yè)公司生產(chǎn)的,2004年,中國第一條鍛造鋁合金汽車輪轂生產(chǎn)線在戴卡輪轂制造有限公司投產(chǎn)使用,成為世界上技術(shù)最先進(jìn)的鍛造鋁合金輪轂生產(chǎn)線[8]·文獻(xiàn)[9]通過使用DEFORM-3D軟件對(duì)鍛造鋁合金輪轂擺動(dòng)輾壓制坯過程進(jìn)行數(shù)值模擬,考察了主要工藝參數(shù)對(duì)成形過程的影響,并確定了合理的工藝參數(shù)是始鍛溫度480℃、壓下速度10 mm/s等,模擬結(jié)果為該工序擺動(dòng)輾壓設(shè)備的主參數(shù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).

1.3 旋壓法成形的研究

旋壓是制造汽車輪轂的一種先進(jìn)成形技術(shù),旋壓成形的輪轂可以保持金屬的致密度和整個(gè)輪轂的動(dòng)平衡,輪轂在具有足夠剛度的同時(shí),能大大減少材料的厚度,使輪轂變得更輕、更耐用.與普通低壓鑄造的鋁合金輪轂相比,同尺寸的輪轂重量可減少15%[10].輪轂旋壓的主要變形方式有普通旋壓和強(qiáng)力旋壓(變薄旋壓),輪轂旋壓的主要生產(chǎn)方法有管材輪輞旋壓、板坯劈開式旋壓和預(yù)鑄(鍛)件毛坯強(qiáng)力旋壓等[11].文獻(xiàn)[12]詳細(xì)闡述了以板材、管材、預(yù)制鍛坯等作為坯料來生產(chǎn)鋁合金輪轂的旋壓成形工藝,為推廣旋壓技術(shù)的應(yīng)用、促進(jìn)鋁合金輪轂制造業(yè)的發(fā)展,起到了良好的推動(dòng)作用.

目前采用低壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)的輪轂產(chǎn)品無法滿足大尺寸、高負(fù)荷以及高端產(chǎn)品市場(chǎng)的需求,采用鍛造技術(shù)生產(chǎn)的輪轂成本較高.鋁合金輪轂旋壓成形具有不受尺寸制約、產(chǎn)品美觀、性能良好、安全性高、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn),是新穎的成形技術(shù)并且發(fā)展勢(shì)頭良好,因此詳細(xì)介紹如下.

2 輪轂的旋壓成形工藝及研究進(jìn)展

2.1 輪轂冷旋工藝的研究進(jìn)展

輪轂的旋壓技術(shù)起初一直局限于普通旋壓這種變形方式.普通旋壓僅適合加工塑性較好和較薄的材料,尺寸準(zhǔn)確度不易控制,對(duì)操作者的技術(shù)水平要求較高,而且變形過程復(fù)雜,理論研究的發(fā)展滯后.20世紀(jì)中葉,旋壓技術(shù)由普通旋壓發(fā)展到強(qiáng)力旋壓,并迅速擴(kuò)大了應(yīng)用范圍[13].與普通旋壓相比,強(qiáng)力旋壓時(shí)坯料的凸緣部分不產(chǎn)生收縮變形,因而不會(huì)產(chǎn)生起皺現(xiàn)象.輪轂的強(qiáng)力旋壓成形是在普通筒形件強(qiáng)力旋壓工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,采用強(qiáng)力旋壓制造汽車輪轂的輪輞部分,其輪輞的各項(xiàng)性能指標(biāo)大幅提高,從而可以減少輪轂材料用量,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化.隨著金屬塑性成形技術(shù)的發(fā)展和完善,旋壓在汽車輪轂的加工生產(chǎn)中得到日益廣泛的應(yīng)用.國外17英寸(43.18 cm)以下轎車的鋁合金輪轂以鍛坯或鑄坯經(jīng)旋壓成形已經(jīng)成為主流生產(chǎn)模式.與世界發(fā)達(dá)國家相比,我國在這方面的研究相對(duì)滯后.

文獻(xiàn)[14]對(duì)鋁合金輪轂強(qiáng)力旋壓過程中旋輪形狀、旋輪進(jìn)給率、壁厚減薄率、多旋輪之間的錯(cuò)距等工藝參數(shù)對(duì)成形效果的影響進(jìn)行了研究,對(duì)表面失穩(wěn)、旋裂等缺陷的成因進(jìn)行了分析,為鋁合金輪轂強(qiáng)力旋壓的工藝參數(shù)優(yōu)化提供了有效的方法和依據(jù).文獻(xiàn)[15]通過對(duì)6061鋁合金旋壓變形性能的分析,論述了對(duì)稱式碟形輪轂在PT30501CNC雙輪臥式強(qiáng)力旋壓機(jī)上進(jìn)行旋制的工藝實(shí)施過程及效果,通過選取合理的工藝參數(shù),解決了旋壓過程中出現(xiàn)的堆積、起皮和破裂等缺陷.文獻(xiàn)[16]通過對(duì)A356鋁合金輪轂輪輞部位存在的一些細(xì)小彌散分布的孔洞進(jìn)行掃描電鏡分析,發(fā)現(xiàn)了這些缺陷是凝固過程中形成的縮松,在系統(tǒng)地分析該種縮松形成機(jī)理的基礎(chǔ)上給出了預(yù)防措施.文獻(xiàn)[17]詳細(xì)介紹了6061鋁合金輪轂的旋壓過程,針對(duì)發(fā)現(xiàn)的多種問題進(jìn)行分析,探討了該種鋁合金輪轂旋壓工藝方案.

文獻(xiàn)[18]采用剛塑性有限元軟件DEFORM-3D對(duì)鋁合金輪轂的旋壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬,考察了不同的減薄率、進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速等主要工藝參數(shù)對(duì)成形過程的影響規(guī)律,分析得出一組比較合理的工藝參數(shù),并且通過旋壓試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果,為旋壓鋁合金輪轂的實(shí)際生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo).文獻(xiàn)[19]建立了汽車輪轂旋壓的變形力學(xué)模型,采用DEFORM-3D軟件對(duì)輪轂旋壓的整個(gè)成形過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬,得到了各道次下的應(yīng)力應(yīng)變分布效果圖及相應(yīng)的曲線圖,進(jìn)而分析了變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,為有效地進(jìn)行工藝研究、優(yōu)化工藝參數(shù)提供了方法和依據(jù).

旋壓技術(shù)的水平在很大程度上取決于旋壓成形設(shè)備,目前美國和德國在旋壓設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用上處于領(lǐng)先地位.旋壓設(shè)備的生產(chǎn)制造,比較著名的有德國的萊弗爾得公司、波柯公司,美國的迪金斯 公 司、MFM Electrologic、Lake Geneva Spindustries,加拿大的 HYDROSPIN、AMS.此外,西班牙的DENN公司是目前世界上最有代表性、產(chǎn)品系列最全的專業(yè)旋壓機(jī)生產(chǎn)廠家之一.燕山大學(xué)是國內(nèi)最早研究旋壓工藝及設(shè)備的單位之一.該單位早在20世紀(jì)80年代就提出了一步無胎冷旋新工藝,并研制了我國第一臺(tái)無胎冷旋旋壓機(jī)和槍管成形旋壓機(jī),獲得了成功應(yīng)用;2005年進(jìn)行了鋁合金車輪立式旋壓機(jī)的開發(fā),2006年末該臺(tái)旋壓機(jī)成功地用于我國自行研發(fā)的鍛造車輪生產(chǎn)線中,這是我國首臺(tái)具有CNC控制的車輪立式旋壓機(jī)[20].此外,近年我國北京航空制造工程研究所在總結(jié)以往研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,推出新一代的國產(chǎn)CNC強(qiáng)力旋壓機(jī)床,實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)旋壓機(jī)的升級(jí)換代[21].

2.2 輪轂熱旋工藝的研究進(jìn)展

以“質(zhì)量接近鍛造輪轂,成本接近鑄造輪轂”為目標(biāo),日本在20世紀(jì)90年代末將旋壓工藝用于鑄造輪轂坯料的成形加工,開發(fā)了鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓新工藝[22](以下簡稱“鑄旋新工藝”).

圖2是采用鑄旋新工藝生產(chǎn)汽車輪轂的工藝流程.該工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于:采用低壓鑄造獲得形狀和性能合理且能滿足外觀需求的輪轂鑄坯,緊接著對(duì)此鑄坯的輪輞部分進(jìn)一步施加熱旋壓成形,如圖3所示.該工藝將低壓鑄造、旋壓成形緊密結(jié)合于同一熱加工過程中,不僅綜合了低壓鑄造和旋壓成形各自的優(yōu)勢(shì),而且可以獲得“1+1＞2”的效果.事實(shí)證明,鑄旋新工藝大幅提高了車輪的整體強(qiáng)度和耐腐蝕性,而機(jī)械加工余量大幅減少,車輪使用壽命和安全性顯著提高,有利于車輛減重節(jié)油,車輪生產(chǎn)成本下降.鑄旋新工藝以其諸多強(qiáng)勁的優(yōu)勢(shì)逐漸成為鋁合金輪轂加工生產(chǎn)的一個(gè)重要發(fā)展方向.2006年,燕山大學(xué)開發(fā)了我國第一臺(tái)車輪熱旋旋壓機(jī)并成功地應(yīng)用于車輪生產(chǎn)線;2007年5月,國內(nèi)第一條車輪鑄旋生產(chǎn)線在戴卡輪轂制造有限公司投產(chǎn),年生產(chǎn)能力達(dá)30萬件.

圖2 鑄旋新工藝生產(chǎn)汽車輪轂的工藝流程

圖3 鑄旋新工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

文獻(xiàn)[22]介紹了鑄旋新工藝制造鋁輪轂的工藝過程,通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn),熱旋壓塑性變形可以彌合微細(xì)的疏松缺陷,從而提高了輪轂的力學(xué)性能.文獻(xiàn)[23]從熱旋壓成形工藝需求出發(fā),對(duì)輪轂旋壓裝備的使用方法進(jìn)行分析,提出旋壓機(jī)的模具潤滑方式由毛坯背腔潤滑更改為模具表面潤滑,并且采用立式三旋輪120°布置方式,同時(shí)增加尾頂和旋輪的驅(qū)動(dòng)裝置,該設(shè)計(jì)分析為旋壓設(shè)備的制造及改進(jìn)趨勢(shì)指出了方向.文獻(xiàn)[24]通過對(duì)簡化的鋁合金輪轂熱旋壓工藝進(jìn)行初步研究,分析了其成形性和缺陷并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬,為工藝優(yōu)化提供了方法和依據(jù).

3 結(jié) 語

在輪轂輕量化趨勢(shì)的要求下,鑄旋加工成為一種非常有效并且經(jīng)濟(jì)適用的輪轂加工方法.然而,目前對(duì)于鋁合金輪轂旋壓工藝的研究還局限于變形鋁合金的冷旋工藝上,針對(duì)鑄造鋁合金的熱旋壓技術(shù)開展的基礎(chǔ)研究還很少.為了促進(jìn)鋁合金輪轂鑄旋工藝的廣泛應(yīng)用與發(fā)展,在鑄造鋁合金的熱旋壓變形性能、熱旋壓時(shí)金屬的變形機(jī)理和流動(dòng)行為,以及熱旋工藝數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化等方面,還需要做大量的、深入系統(tǒng)的研究工作.

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Application and Research Progressin Forming Technologyof Aluminum Alloy Wheels

ZHAN G Haiqu1,2,MA Guiyan1,2,SON G Hongw u2,ZHAN G Shihong2

(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)

The application and research progress in the forming technology of aluminum alloy wheels is summarized.The recent progress in spin forming technology is mainly stressed with introduction of a newly developed cast-spin forming process.The developing trend of the forming technology for aluminum alloy wheels is presented and some ideas for future research work are also suggested.

aluminum alloy wheels;forming technology;spin forming

TG 146.21

A

1008-9225(2011)04-0001-04

2011-03-07

張海渠(1952-),男,吉林梨樹人,沈陽大學(xué)教授.

【責(zé)任編輯:劉乃義】