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摘要：提出了轎車鋁合金輪轂液態模鍛新工藝，并試驗驗證了新工藝實現條件及工藝措施，產品性能優于目前的低壓鑄造法，設備簡單，具有良好的經濟效益。
關鍵詞：液態模鍛；輪轂；鋁合金

一、引言

鋁合金輪轂是鋼質輪轂的換代產品，它具有質量輕、導熱快、美觀華貴、節能安全等優點，目前國內外已廣泛應用于轎車及其它輕型客車上。隨著我國汽車工業的快速發展以及國外配件需求量的增加，市場容量十分可觀。目前國內外制造鋁合金輪轂的方法主要分為兩大類：一類是鍛造法，其中國外最先進的工藝是由連鑄工序和三個鍛造工序組成，該法雖然質量好，但成品率只有50%左右，價格昂貴。另一類是鑄造法，分重力鑄造和低壓鑄造。重力鑄造法產品中縮孔、疏松、氣孔等缺陷嚴重，機械強度低，成品率低，國外已經淘汰。目前國內外大多采用低壓鑄造法，該法產品質量和成品率都有一定提高，但工藝復雜，設備投資太大，從國外引進年產30萬件的設備需投資億元以上。采用液態模鍛法，使鋁合金在高壓下結晶，并在結晶過程中產生一定量的變形，消除了縮孔、疏松、氣孔等缺陷，產品既具有接近鍛件的優良機械性能，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、輪轂的工藝特點及工藝關鍵

輪轂是一個如圖1所示的零件，類似一個較淺的杯形件，壁較薄，壁厚基本均勻，輪緣直徑較大，高度適中，基本適合液態模鍛工藝。制造的主要困難在于采用直接液態模鍛法時，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

影響工件內部結晶質量及力學性能的關鍵是溫度場與應力場的控制，而影響溫度場的因素又較多，因此必須通過試驗和計算找到比較理想的溫度——時間曲線。而應力場直接關系到工件中縮孔、疏松、氣孔等缺陷的消除，必須確定合適的應力場分布，為獲得高質量的工件打下基礎。

三、模具設計及成形條件的確定

1.模具設計

考慮到工件表面可能出現夾雜等缺陷，厚度尺寸必須留有一定的機加工余量，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。以該圖為依據設計模具。根據工件的結構特點，必須采取直接液態模鍛法，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，考慮到設備條件限制，因此采用錐形護環鎖緊裝置，見圖2中件3。工作時，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，彈簧壓緊力應大于凸模脫模力，最后件2帶動件3上行，件4、8分開取出工件。由于是試驗模具，導向主要靠設備導向。合模行程由加壓力控制，這樣可能會給輪輻部分厚度尺寸帶來誤差，但并不影響試驗效果卻大大簡化了定量澆注裝置。

圖2

2.成形工藝條件的確定

(1)鋁合金的熔煉及模具準備

輪轂工作時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，以便比較準確地控制熔煉溫度，并最好進行精煉除氣處理。由于金屬充填距離較長，為了增加充填性，澆注溫度提高到730℃，模具工作前應預熱到310℃，采用電阻絲加熱，預熱同時涂潤滑劑，以便順利脫模。采用石墨+機油為潤滑劑，為了保證均勻，最好采用噴涂。澆注溫度與模具溫度太高，會使工件表面粗糙甚至粘焊，溫度過低，金屬冷卻太快，給充填成形造成困難。

(2)澆注與加壓

液態模鍛時沒有澆口和冒口，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，要在盡可能短的時間內澆注完畢，大型液壓機速度較慢，快速下行轉入工作加壓需要一定時間，所以澆注后讓凸模盡快下行，使開始加壓時間控制在5～8s，加壓速度在0.1m/s左右。速度太快會使金屬液向外噴濺，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，會在輪緣與輪輻的連接部分壓力不足，機械性能較差。保壓時間約10s，冷卻時間在15～20s，保壓冷卻時間太長，工件溫度過低，會使脫模力大幅度增加，脫模困難甚至造成工件收縮破裂。

3.環形冷隔的處理

直接液態模鍛時部分金屬液上移充型，它與原金屬液面之間形成一圈冷隔，這種冷隔有時是難以避免的，提高澆注溫度與模具預熱溫度，縮短開始加壓時間后，冷隔有所減輕，但無法完全避免，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一個R2的半圓弧，使冷隔形成在突起的圓弧上，在機加工工序切除，這樣就完全消除了冷隔的影響。

圖3

四、輪轂機械性能的檢測

為了檢測輪轂的機械性能，首先對其進行熱處理，熱處理條件為515±5℃保溫6h淬火，175±5℃保溫6h回火，并加工成試件。檢測結果如表1所列。

表1液態模鍛輪轂力學性能
- 試件號 σ_b(MPa) δ(%) HB 液態模鍛 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、結論

(1)汽車鋁合金輪轂的液態模鍛工藝可行，產品性能優于目前的制造方法。
(2)該工藝設備簡單、投資小，材料利用率高，產品成本低。
(3)工藝過程容易實現自動化，適于汽車配件的批量生產。

參考文獻
［1］上海交通大學.液態模鍛.北京：國防工業出版社，1981.
［2］齊胚驤.擠壓鑄造.北京：國防工業出版社，1984.
［3］周大雋等.液態模鍛技術的應用及新發展.鍛壓技術，1993，18(5).
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