熱旋壓對鋁車輪輪輞性能影響的試驗研究

張立娟

（中國環(huán)境管理干部學(xué)院環(huán)境工程系，河北秦皇島 066004）

車輪是汽車的一個重要安全件，車輪性能的好壞直接影響到汽車性能和品質(zhì)，關(guān)系到汽車的行駛安全和乘客的人身安全。鑄造鋁合金車輪具有散熱快、質(zhì)量輕、舒適性好、美觀等特點，已在轎車領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

旋壓鋁車輪由于不受尺寸制約、產(chǎn)品美觀、性能良好、安全性高、節(jié)省材料等因素，是目前最受關(guān)注的一種車輪加工方法，并屬先進(jìn)成形技術(shù)。車輪正面采用低壓鑄造，輪輞經(jīng)過熱旋壓成形，在組織上有明顯的纖維流線，大大提高了車輪整體強(qiáng)度和耐腐蝕性［1］。

文獻(xiàn)［2－8］僅對鋁合金車輪旋壓成形方面影響較大的工藝參數(shù)，如旋壓道次匹配、旋輪形狀、旋輪進(jìn)給速度、旋壓力等分別進(jìn)行了模擬分析和試驗研究，得出了一系列重要結(jié)論。而上述研究均未對車輪經(jīng)旋壓后的輪輞性能進(jìn)行分析和研究，而對輪輞性能的研究能夠有利于提高車輪的安全性和車輪減重。影響鋁合金車輪輪輞性能的工藝參數(shù)很多，如旋壓總變形量和道次減薄率，熱處理固溶、時效溫度與時間，涂裝工藝等。本文就旋壓工藝中的總變形量和道次減薄率對輪輞力學(xué)性能的影響進(jìn)行了試驗分析。

1 總變形量影響

旋壓是一種綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋、橫軋和滾擠等工藝特點的少無切削加工的先進(jìn)工藝，車輪旋壓是將金屬回轉(zhuǎn)鑄造毛坯利用尾頂壓緊在旋壓機(jī)下模上，由主軸帶動下模和坯料旋轉(zhuǎn)，同時旋壓滾輪從毛坯一側(cè)將材料擠壓在旋轉(zhuǎn)的下模上，使材料產(chǎn)生逐點連續(xù)的塑性變形，從而獲得車輪旋壓毛坯。

1.1 熱旋壓試驗

為了明確熱旋壓對輪輞性能的實際影響，制定了如表1所示的試驗方案，并對試驗后的樣塊進(jìn)行了組織和力學(xué)性能檢測。測試結(jié)果如圖1、圖2所示。

表1 試驗方案

1.2 結(jié)果分析

通過金相組織電鏡掃描觀察（圖1）和拉伸力學(xué)性能測試（圖2），系統(tǒng)研究了不同的熱旋壓變形量對輪輞組織性能的影響，初步明確了熱旋壓變形在提高車輪力學(xué)性能中的作用。

從圖1和圖2中可以看出，熱旋壓的主要作用是使得共晶Si相由原先的網(wǎng)狀分布，變成帶狀分布，而且共晶Si顆粒更加圓整化，分布更彌散化，因此大大提高了材料的延伸率，由鑄態(tài)時的5%可提高到17%，而旋壓后強(qiáng)度較鑄態(tài)時略有下降，這是由于高溫導(dǎo)致析出強(qiáng)化相長大或部分溶解所致;而T6熱處理后，旋壓使得材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率均有明顯提高，屈服強(qiáng)度無明顯變化。因此熱旋壓變形的主要作用為提高材料的延伸率，同時提高熱處理后的抗拉強(qiáng)度，這是由于變形可促進(jìn)Mg2Si強(qiáng)化相的析出;同時從圖2中可以看出，熱旋壓變形量（減薄率）超過30%時才對材料的性能起到明顯的作用，因此如何保證坯料的變形均勻性并使得各處的變形量（減薄率）均達(dá)到30%時發(fā)揮熱旋壓變形作用的關(guān)鍵。

對總變形量的研究，可以按照不同要求進(jìn)行毛坯輪輞厚度設(shè)計，目前設(shè)計均保證變形量（減薄率）在65%以上。

2 道次減薄率的影響

上述從總變形量分析了輪輞性能的影響，而實際上為了避免車輪旋壓毛坯產(chǎn)生起皺和破裂，根據(jù)其變形程度，將變形過程分為三道次進(jìn)行，即3個旋輪逐次做進(jìn)給運動，且每次進(jìn)給均給以一定的進(jìn)給量。正如圖3旋壓成形示意圖所示，各道次旋輪沿不同旋壓軌跡進(jìn)給。

不同旋壓道次的變形存在共性，整個壁厚上存在變形的不均勻性，導(dǎo)致了輪輞性能在旋壓毛坯厚度處存在差異性。旋壓變形主要集中于外表面，而表面很薄的集中變形區(qū)在隨后的機(jī)加過程中很容易被機(jī)加掉，因此如何提高厚度上的變形均勻性，讓中間和接近內(nèi)表面的金屬也參與變形是調(diào)整工藝要實現(xiàn)的關(guān)鍵。表2為輪輞厚度不同部位性能，圖4、5為不同厚度的拉伸試樣。

對于金屬流線穩(wěn)定性的影響主要在于各道次旋輪的道次減薄率，現(xiàn)以三道次旋輪的不同減薄率對其輪輞流線和性能進(jìn)行試驗。

表2 輪輞不同厚度力學(xué)性能

2.1 道次減薄試驗

在總減薄率不變的情況下，分別對三道次旋輪進(jìn)行不同的減薄率匹配，如表3所示的6組試驗方案，并對試驗后的輪輞進(jìn)行了力學(xué)性能和組織流線分析，力學(xué)性能結(jié)果如圖6～8所示，組織流線分析如圖9～11所示。

2.2 結(jié)果分析

旋壓毛坯經(jīng)過固溶和時效處理，并對處理后的車輪進(jìn)行噴涂空走（按照車輪正常的涂裝工藝進(jìn)行低溫?zé)崽幚?，但為降低成本而正面不噴漆）后的力學(xué)性能如圖6～8所示。

由圖6～8所示，輪輞屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在方案4的情況下較高，而方案3的延伸率最高。

圖9～11分別為方案2、方案3、方案4的旋壓組織流線。

從流線可以看出，方案4的變形均勻性最好，而且第二相的分布更細(xì)，其次是方案3，方案2的變形均勻性最差。由此得出:改變道次減薄率，增加第一道次的變形量，可以改善變形均勻性，提高材料的性能組織。

表3 試驗方案

3 局限性

本試驗只考慮了旋壓成形工序?qū)嗇y力學(xué)性能的影響，而對于充分提高鑄件內(nèi)部組織，改善合金的切削加工性能的熱處理工藝、涂裝工藝均未作詳細(xì)分析。

4 結(jié)語

本文僅從鋁合金車輪熱旋壓成形工藝（工序）出發(fā)，對車輪輪輞力學(xué)性能影響的主要因素總變形量、道次減薄率進(jìn)行了試驗研究，在現(xiàn)有條件下得出如下結(jié)論:

（1）旋壓主要影響輪輞的延伸率，這種影響程度只有當(dāng)變形量超過30%時顯著。

（2）改變道次減薄率，可以改善變形均勻性，提高材料的組織性能。

該試驗結(jié)果為確定旋壓工藝參數(shù)對輪輞性能的影響規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

［1］孔玲，張立娟，常海平，等.鑄旋鋁合金輪轂旋壓模具設(shè)計及壓料方式研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011（3）:142－143，147.

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