輪轂閉式反擠壓成形工藝研究

劉 川，趙文成，張 磊，3

（1.清華大學(xué) 天津高端裝備研究院,天津300300；2.中冶重工（唐山）有限公司，河北 唐山063000；3.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京100084）

汽車輕量化是世界汽車發(fā)展大趨勢。試驗(yàn)證明，汽車整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.8L[1]；汽車重量降低10%，油耗可降低6%～8%[2]。汽車重量由兩部分組成：簧下質(zhì)量、簧上質(zhì)量。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)：減輕1kg 簧下質(zhì)量的效能等同于減輕15kg 簧上質(zhì)量[3-5]。在簧上質(zhì)量不變的情況下，減輕簧下質(zhì)量可以有效提升汽車的加速性、穩(wěn)定性以及操控性[6]。

輪轂屬于簧下質(zhì)量，是關(guān)系到汽車安全的關(guān)重件。目前大部分汽車安裝的輪轂為鑄造鋁合金輪轂（以乘用車為主）或鋼質(zhì)車輪（以商用車為主）。鍛造鋁合金輪轂重量比鑄造鋁合金輪轂的重量輕10%以上[7]，比鋼質(zhì)輪轂重量輕2/3 左右。因此，采用鍛造鋁合金輪轂符合汽車輕量化發(fā)展的大趨勢。

目前，市場上的鍛造鋁合金輪轂鍛件的典型成形工藝流程為：預(yù)鍛+終鍛+沖孔切邊擴(kuò)孔+強(qiáng)力旋壓。該流程鍛造工序多且每個工序均需要準(zhǔn)備一套模具和一臺鍛造設(shè)備。鍛造鋁合金輪轂成形工序復(fù)雜，導(dǎo)致其成本較高。鍛造鋁合金輪轂的成本問題是限制其廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用的主要絆腳石[8]。

與常規(guī)的鍛造鋁合金輪轂成形工序相比，閉式反擠壓工藝只需一套模具和一臺鍛造設(shè)備便可成形輪轂鍛件的輪緣、輪輞，縮短輪轂鍛件成形工序，可有效降低輪轂生產(chǎn)成本。

1 輪轂產(chǎn)品介紹

本文以材質(zhì)為鋁合金6061 的16×6.5 輪轂為例，詳細(xì)說明輪轂閉式反擠壓輪轂成形工藝，圖1 為16×6.5 鍛造鋁合金輪轂產(chǎn)品，產(chǎn)品重8.69kg。鍛件設(shè)計時，輪輻上端面不留加工余量，輪輻下端加工余量為5mm，輪輞單邊加工余量2.5mm，具體如圖2 所示，鍛件重16.74kg。

圖1 16×6.5 輪轂零件三維圖

圖2 16×6.5 輪轂鍛件三維圖

2 輪轂閉式反擠壓成形工藝有限元模擬

16×6.5 輪轂鍛件閉式反擠壓成形時，模具結(jié)構(gòu)如圖3 所示。輪轂鍛件閉式反擠壓成形時，坯料規(guī)格為?304.8mm×93mm，輪轂材質(zhì)為鋁合金6061，其材料模型如圖4 所示。

圖3 輪轂閉式反擠壓工藝有限元模擬模具結(jié)構(gòu)

有限元模擬閉式反擠壓工藝時，坯料材質(zhì)為鋁合金6061，模具材質(zhì)為H13，坯料溫度為480℃，模具溫度為300℃，模具運(yùn)行速度為25mm/s。坯料與模具之間的摩擦系數(shù)為0.15，坯料與模具之間的熱交換系數(shù)為8N/（s·mm·℃），16×6.5 寸輪轂鍛件成形過程如圖5 所示。鍛件成形過程中，金屬填充情況良好，表面無折疊。

3 輪轂閉式反擠壓成形工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4 鋁合金6061 材料模型

圖5 輪轂鍛件閉式反擠壓過程

根據(jù)16×6.5 寸輪轂成形工藝模擬設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)如圖6 所示，試驗(yàn)過程中實(shí)際模具結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖6 16×5.5 輪轂閉式擠壓成形用模具設(shè)計結(jié)構(gòu)

圖7 16×5.5 輪轂閉式擠壓成形用模具結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)過程中，鋁合金6061 棒料規(guī)格是?304.8mm×93mm，坯料加熱溫度為480℃，模具預(yù)熱溫度為300℃，模具表面采用油基石墨潤滑，閉式反擠壓工藝成形的輪轂如圖8 所示，鍛件表面無折疊，金屬填充良好。

圖8 閉式反擠壓工藝成形的輪轂鍛件

4 結(jié)論

閉式反擠壓工藝可一次成形輪轂的輪輞、輪緣，減少市場上常規(guī)鍛造輪轂的成形工序。通過有限元模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證該閉式反擠壓成形工藝成形的輪轂無缺陷，填充情況良好。

閉式反擠壓工藝成形輪轂具有鍛造流程短、成本低等特點(diǎn)，符合綠色制造的趨勢，同時可顯著節(jié)省裝備成本和生產(chǎn)成本，推進(jìn)鍛造車輪普及應(yīng)用，提高汽車輕量化水平。