重卡輕量化鋁合金輪輞連接盤鍛造工藝研究與應(yīng)用

文／武絡(luò)，周擁軍，李云飛，閆利軍·車奇楠·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限責(zé)任公司

隨著汽車輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，以鋁合金為代表的輕型材料越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，同時(shí)帶動(dòng)了重卡汽車以調(diào)鋼拓鋁為政策指引的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。鋁合金輪輞連接盤產(chǎn)品是我公司近期開(kāi)發(fā)的一款重卡零部件產(chǎn)品，以替代原鋼質(zhì)材料產(chǎn)品，鋁合金材質(zhì)輪輞連接盤較之前的鋼材質(zhì)輪輞重量減輕2/3，此外，我公司成功開(kāi)發(fā)出具有錘上鍛造工藝特點(diǎn)的新型鋁合金材料生產(chǎn)工藝。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 鋁合金輪輞連接盤

該輪輞連接盤產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，產(chǎn)品屬重卡汽車輪轂部件，配合車輪在行駛過(guò)程中的平順和安全性，因此實(shí)際鍛造生產(chǎn)過(guò)程中性能控制要求較高。依據(jù)圖1所示的產(chǎn)品零件基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行鍛件的設(shè)計(jì)與分析，計(jì)算得出該產(chǎn)品包容體的質(zhì)量為32.7kg，所得鍛件復(fù)雜系數(shù)為0.303，屬于S3級(jí)較復(fù)雜鍛件。

該鍛件(圖2)上表面有均勻分布的花瓣結(jié)構(gòu)，下表面有五個(gè)均勻分布的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸起和花瓣處附近的金屬在鍛造過(guò)程中流動(dòng)受阻，易產(chǎn)生折疊和不能充型的情況，再加上產(chǎn)品原材料(鋁合金6061)的材料流動(dòng)性、可鍛性較其他鋁合金差，不僅需要消耗更多的設(shè)備能量，而且產(chǎn)品整體鍛造成形難度大。

工藝技術(shù)設(shè)計(jì)難度解決措施

圖2 重卡鋁合金輪輞連接盤鍛件實(shí)體

圖3 預(yù)鍛、終鍛模具示意圖

⑴增加預(yù)鍛工序。通過(guò)分析計(jì)算鍛件各截面面積，結(jié)合有限元模擬分析，充分調(diào)整預(yù)鍛模與終鍛模的匹配程度，特別在花瓣和凸起等位置，充分考慮鍛件溫度變化對(duì)材料流動(dòng)的影響，優(yōu)化對(duì)應(yīng)位置處的尺寸設(shè)計(jì)，以達(dá)到完全充型的目的，圖3為產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化后的預(yù)鍛、終鍛模具示意圖。

⑵預(yù)鍛、終鍛模具設(shè)計(jì)中采取相同的熱收縮系數(shù)。如熱收縮率選取不當(dāng)，花瓣或凸起部位尺寸會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，在終鍛過(guò)程中易發(fā)生花瓣重皮或折疊缺陷。設(shè)計(jì)過(guò)程中利用DEFORM-3D軟件進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化選取該產(chǎn)品在預(yù)鍛和終鍛厚度、直徑等方向的不同熱收縮率數(shù)值設(shè)計(jì)，同時(shí)在易發(fā)生加工缺陷的部位單獨(dú)加大圓角過(guò)渡，經(jīng)數(shù)次模擬后選取最佳模具設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，證明了模擬方案選擇的正確性，模擬過(guò)程所設(shè)置相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖4 DEFORM-3D模擬效果圖

表1 模擬相關(guān)參數(shù)設(shè)置

⑶生產(chǎn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制終鍛溫度，鍛造過(guò)程中按工藝頻次對(duì)坯料進(jìn)行測(cè)溫觀察，針對(duì)鍛造坯料溫度低于350℃的坯料，回爐進(jìn)行再次加熱處理，保證鍛件的最終成形質(zhì)量。

工藝流程

工藝流程為：下料(高速帶鋸)→加熱(室式電爐)→鐓粗→預(yù)、終鍛鍛造成形(5M1-5M2模鍛錘)→切邊(500t/630t壓力機(jī))→技術(shù)檢驗(yàn)→探傷(滲透探傷)→固溶時(shí)效→表面清理(噴砂)→鍛件終檢→轉(zhuǎn)機(jī)加。

鍛造工藝

計(jì)算下料規(guī)格。依據(jù)該鋁合金輪輞連接盤鍛件圖，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、實(shí)體造型及有限元模擬分析等手段，綜合計(jì)算得出下料規(guī)格尺寸為φ260mm×(75±2)mm，經(jīng)小批(60件)生產(chǎn)驗(yàn)證，滿足生產(chǎn)要求，已固化到生產(chǎn)工藝。

⑴加熱。鋁合金6061材料，鍛造加熱設(shè)計(jì)溫度為(450±10)℃，工藝定制為電阻室式爐加熱，并用光學(xué)高溫計(jì)按一定頻次進(jìn)行檢測(cè)并做好記錄，避免鍛造時(shí)鍛件過(guò)燒或溫度過(guò)低。

⑵鍛造成形。根據(jù)模擬分析結(jié)果，制坯采取鐓粗方式，將坯料鐓至(36±2)mm，然后進(jìn)行預(yù)鍛、終鍛成形。為設(shè)計(jì)符合錘上鍛造生產(chǎn)特點(diǎn)的鍛造工藝，生產(chǎn)工藝中規(guī)定預(yù)、終鍛打擊次數(shù)均為8次，鍛打過(guò)程中為保證該鋁合金材料變形控制在有效范圍內(nèi)，第一、二錘使用輕錘鍛打，第三、四錘中錘鍛打，第五-八錘重錘鍛打，一方面充分保證原材料的流動(dòng)速率，另一方面避免多次打擊的情況下出現(xiàn)鍛造缺陷。

⑶潤(rùn)滑。與傳統(tǒng)合金鋼鍛造潤(rùn)滑相比，鋁合金6061材料的鍛造過(guò)程對(duì)潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果要求更高。由于該材料粘附力大，流動(dòng)性差，鍛造過(guò)程中常常形成金屬流動(dòng)困難，因此模具必須經(jīng)過(guò)充分潤(rùn)滑，以改善模具表面狀態(tài)來(lái)降低摩擦阻力，保證鍛件表面質(zhì)量和幾何尺寸。產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)中采用標(biāo)號(hào)20的炮用潤(rùn)滑油脂（標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0383-2005)作為模具潤(rùn)滑劑，不但能避免常規(guī)水基石墨潤(rùn)滑在高溫狀態(tài)下汽化對(duì)鍛件的沖擊，而且油脂燃燒后產(chǎn)生的熱量在一定程度上保持坯料溫度和模具溫度不會(huì)快速降低，更有利于產(chǎn)品充型。

⑷切邊。鍛件由500t/630t壓力機(jī)一次性完成切邊過(guò)程。

探傷

鍛件切邊完成后，待鍛件冷卻后需對(duì)鍛件進(jìn)行探傷。基于鋁合金材料非磁性特點(diǎn)，結(jié)合公司實(shí)際，選擇了鋁合金產(chǎn)品使用較為廣泛的滲透探傷方式，利用該探傷方式可有效地對(duì)鋁合金工件進(jìn)行表面缺損檢測(cè)，從而判定鍛件有無(wú)折疊等缺陷。

熱處理及終檢

依據(jù)該產(chǎn)品的性能要求，技術(shù)人員通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定該產(chǎn)品的熱處理工藝方案為固溶+人工時(shí)效，固溶：(525±5)℃，保溫時(shí)間180min，水冷；時(shí)效溫度(165±5)℃，保溫時(shí)間480min，最終得到的產(chǎn)品性能指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度≥310MPa，屈服強(qiáng)度≥276MPa，完全符合用戶對(duì)產(chǎn)品的性能要求。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該重卡輕量化鋁合金輪輞連接盤產(chǎn)品的工藝試制及生產(chǎn)驗(yàn)證，最終證明產(chǎn)品的工藝方案、鍛造及熱處理工藝參數(shù)正確、合理，能夠切實(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)。試制所用的生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備、檢測(cè)儀器及檢測(cè)方法能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求，生產(chǎn)的產(chǎn)品鍛件外觀質(zhì)量、尺寸精度均得到用戶的高度認(rèn)可。