铝合金轮毂铸旋工艺的研究与应用

李国东，白 飞，王琼雅

（三门峡戴卡轮毂制造有限公司，河南 三门峡 472000）

近年，由于能源及环保的考虑，各汽车厂家为抢占市场纷纷举起新能源汽车大旗。为此汽车轻量化设计研究受到汽车企业广泛关注，其中降低汽车轮毂重量成为轮毂行业生存竞争着力点。为适应市场需求，汽车轮毂要做到安全、节能、环保、美观几方面，轻量化轮毂的设计与制造工艺显得十分重要。铝合金轮毂铸旋技术顺应汽车时代潮流，质量轻，强度高恰恰吻合当下汽车设计理念[1]。

1 铸旋原理

铝合金轮毂一般分为：外轮辋、内轮辋、轮辐三部分，铝合金轮毂铸旋工艺是将低压或重力铸造的半成品毛坯预热一定温度，对其内轮辋旋压成型，同时保留铸造毛坯轮辐及外轮辋结构。简言之铸旋产品就是铸造+旋压，在铸造基础上将轮毂轮辋挤压减薄成型，使材料组织形态进一步强化。

为了进一步认识铸旋产品，我们对同批次铸造毛坯旋压前后轮辋机械性能进行对比。两种状态毛坯各取两个样进行试验，实验结果如下表：

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从上表我们可以看到铸旋轮辋抗拉强度,、屈服强度、延伸率明显高于低压轮辋，尤其是延伸率几乎高出80%-90%。

为了进一步认识铸旋产品微观组织，我们同样对同批次铸造毛坯旋压前后轮辋金相组织进行对比，如下图所示：

图a 低压铸造轮辋金相

图b 铸旋轮辋金相

可以看到图a 低压铸造轮辋金相组织无序排列，组织形状各异， 图b 铸旋轮辋金相组织形状呈椭圆形且方向基本一致 ，显然是旋压过程对组织形态进行重新规整，改变晶体形状和方向，提高材料强度及塑性变形[2]。

2 铸旋工艺控制要点

（1）铸旋毛坯设计要点。旋压前铸造毛坯设计原则为：满足旋压充型要求，轮辋旋压铝材量既不能过多，也不能过少。铝材量过多旋压时多余的量赶到最下部即下轮缘处，造成后序机加工加工量过大，同时铝材量设计偏多造成旋压前毛坯轮辋壁厚大，旋压时旋压机旋轮受负载大，不易于轮辋减薄。铝材量过少旋压时铝材量不足以满足产品成型，造成机加工车不光缺陷。

设计毛坯旋压量可采用倒推计算法，首先我们根据产品设计图偏置出旋压后的毛坯线（如图3），然后根据毛坯线利用三维软件计算出轮辋铝材量，最后根据铝材量计算旋压毛坯铝材量，注意：只需要计算旋压起刀点以下铝材量，起刀点以上不参与旋压。为保证旋压后毛坯质量，避免出现填充不足，影响后序加工，铝材量设计一般为旋压理论成型毛坯1.1-1.2倍。

铸造毛坯结构设计十分重要，它直接影响旋压后产品力学性能，以及旋压成型稳定性。铸造毛坯设计一般从旋压起刀点向下壁厚逐渐增加，这样能保证旋压成型“流动性”，铝材快速补给，防止旋压过程拉裂轮辋（见图2）。铸造毛坯轮辋壁厚根据旋压机性能而定，旋压后毛坯一般壁厚8mm左右，铸造毛坯壁厚设计一般不超过20mm。旋压过程铝材量变形、减薄率越大，旋压后形成轮辋组织越致密，力学性能越好。

图1 旋压图

图2 旋压前毛坯图

图3 旋压后毛坯图

（2）铸旋毛坯定位要点。铸旋毛坯定位十分重要，它直接关系旋压后毛坯成型质量。铸旋毛坯定位设计不合理，首先造成旋压前毛坯放置不到位，引起旋压撞机或旋压起刀点未按设计路径运行；其次旋压过程中毛坯和模具型芯配合不好，发生相对转动导致成型不良，旋压后毛坯跳动、变形大。

铸旋毛坯径向定位通常采用旋压毛坯与旋压模芯配合。考虑到旋压毛坯与旋压工装预热膨胀，冷态状态下配合间隙控制在0.5mm～1mm之间。间隙设计过小造成毛坯放置不到位，旋压后毛坯脱模困难，脱膜力大造成毛坯变形。间隙设计过大，毛坯与旋压模芯径向窜动，旋压过程中毛坯圆度，同轴度差，甚至旋压时毛坯不能与模芯同步转动，相对转动造成旋压轮辋起皱。

铸旋毛坯轴向定位涉及旋压模芯、旋压上压板两处定位（见图1）。毛坯上端面工艺保护圈与上压板接触，保证旋压平稳。旋压毛坯与模芯轴向定位一般有两种方式，一是模芯与铸旋毛坯热节分型面台阶接触定位，铸旋毛坯轮辐背腔不与模芯接触或接触受力较小；二是模芯直接与铸旋毛坯轮辐背腔轮廓重合。由于前者毛坯脱模时受力点是轮辐根部，毛坯变形量小；后者脱模顶出瞬间，推出机构作用轮辐直接造成轮辐变形。故铸旋毛坯轴向定位建议采用前者。

（3）铸旋工艺参数控制。首先，旋压模具安装精度影响旋压后毛坯的质量，模具安装与旋压主轴回转同轴度越好，旋压过程越平稳，成型的产品同轴度，壁厚均匀性，工件轮廓越好。生产中旋压模具、上压板径跳控制在0mm～0.05mm之间，端跳0～0.05之间即可。其次，旋压前工件预热温度控制对旋压成型至关重要，温度过高旋压过程轮辋易成型，但工件温度高易造成工件受力后变形量加大；温度过低旋压时旋压“流动性”差不易成型。一般旋压前工件温度预热控制在350～380度最佳。最后，旋压模具的预热不容忽视，模具温度低旋压时工件不易脱模，模具温度高则在旋压过程模具与工件接触粘铝。一般模具加热温度控制在250～270度为宜。旋压过程中旋压转速、进给率要选择合理，否则工件会发生起皮，旋裂，轨迹状表面，壁厚分布不均匀缺陷。

3 结语

铝合金轮毂铸旋工艺能够有效提高金属机械性能，从而在设计上可降低成品轮毂壁厚，实现轻量化要求。同时控制好铸旋工艺设计及旋压工艺参数可有效提高产品合格率。