CN114769499A - 一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺 - Google Patents

一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺 Download PDF

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甘万兵
王国文
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左长兵
李航
王靖尚
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Abstract

本发明属于铝合金轮边轮毂铸锻技术领域，具体涉及一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，包括锯切、锻前加热、镦粗、预锻、终锻、固溶时效处理工艺，以铸态棒材为原材料，同时镦粗去除锯切端面尖角，通过预锻模具尺寸的改变，控制预锻的变形量、正反复合挤压等工艺设计，保证锻造过程中材料的铸造组织及铸造缺陷被消除。本发明的铝合金轮毂采用铝合金铸造棒材，通过锻造变形，消除铸材内部缺陷后，进行固溶时效热处理，锻件经热处理后，抗拉强度达到370MPa以上，屈服强度达到350MPa以上，延伸率达到10％以上；通过本发明的锻造工艺，有效改善了铸造棒材的内部缺陷，消除了原材料的铸态组织，使锻件热处理后的力学性能达到了挤压态棒料锻造成形后的效果。

Description

一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺
技术领域
本发明属于铝合金轮边轮毂铸锻技术领域，具体涉及一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺。
背景技术
轮边轮毂是汽车底盘***的重要零部件，随着汽车轻量化的要求，越来越多的汽车开始采用铝合金材料生产制造轮边轮毂。
现有技术中铝合金轮边轮毂制造工艺主要有铸造铝合金轮边轮毂和锻造铝合金轮边轮毂两种，铸造工艺一般需经熔炼、铸造成型、固溶时效热处理，铸件热处理后可以保证力学性能中抗拉强度、屈服强度合格，但这种方法制造得到的轮毂普遍存在气孔、夹杂等铸造工艺的常规缺陷，采用铸造工艺制造的铝合金轮毂，其延伸率通常在3％-5％左右，延伸率低，导致铸造铝合金轮边轮毂仅用于承载量小的车辆；锻造工艺一般需经熔炼、棒材铸造、均质处理、棒材挤压、锻造、固溶时效处理，金属通过体积变形，沿锻件轮廓形成金属流线，能很好的提升产品的延伸率指标，通常可以达到10％以上，但是现有锻造工艺需要采用挤压态棒料进行锻造生产，锻件的制造成本高，也导致了锻造铝合金轮边轮毂无法在汽车领域推广运用。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，使生产的铝合金轮边轮毂达到锻造铝合金轮毂的力学性能指标，同时拥有铸造铝合金轮毂相近的成本指标。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，依次包括锯切、锻前加热、镦粗、预锻、终锻、固溶时效处理工序，其具体操作如下：
第一步，备料；
用铸态铝合金棒材作为原材料，采用锯切下料的方式将其分割成所需要大小得到原始棒料；
将锯切好的棒料放入锻前加热炉中加热，然后转至模具镦粗型腔中镦粗以去除锯切端面的尖角使其形成圆角，控制镦粗条件如下：
①所述镦粗模具型腔包括上模镦粗型腔和下模镦粗型腔，将其分为有效镦粗区和避让区，其中下模镦粗型腔全部为有效镦粗区；上模镦粗型腔上部为有效镦粗区，下部直径增大区为避让区；下模有效镦粗区为圆锥体结构，锥体侧面按10-15°向上延伸，底部为10-15mm的过渡圆角，锥体上端与分模面为20-30mm的圆角过渡；上模有效镦粗区为圆锥体结构，锥体侧面按10-15°向上延伸，底部为10-15mm的过渡圆角，锥体下端与镦粗避让区为20-30mm的圆角过渡；避让区为圆柱体结构，其直径比原始棒料直径大20-30mm；控制镦粗模具的型腔总高度为原始棒料长度的90％-95％；
②控制镦粗模具型腔有效镦粗区圆锥体小端的直径比原始棒料的直径小；
③控制上模镦粗型腔和下模镦粗型腔对应的有效镦粗区深度均为(20-25)mm；
第三步，将镦粗后的坯料转至预锻和终锻模具中进行预锻和终锻，得到成型后的轮边轮毂锻件；
所述预锻上模型腔和预锻下模型腔组成预锻模具型腔，预锻模具的上模和下模分别设置用于定位和控制金属流向的预锻上模凸台和预锻下模凸台，终锻模具的上模和下模分别设置有用于定位和控制金属流向的终锻上模凸台和终锻下模凸台，具体要求如下：
①预锻下模型腔圆柱端外径≤镦粗后的坯料外圆直径；
②预锻下模凸台的高度与终锻下模凸台的高度一致；
③预锻上模凸台的高度比终锻上模凸台的高度低；
④预锻模具的大盘面设计为平面，预锻大盘面的厚度比终锻大盘面的厚度小。
第四步，对成型后的轮边轮毂锻件进行固溶时效热处理得到铝合金轮边轮毂。
作为优选的，所述固溶时效热处理的具体操作为：在固溶炉中、535℃下保温2.5小时后；取出迅速入水冷却，待锻件冷却至常温后，送入时效炉内，在177℃下保温7小时。
作为优选的，所述预锻下模型腔的圆柱端与大盘面交接处为15°斜度的环状结构。
作为优选的，所述原始棒料的棒长为170mm，直径为254mm，镦粗模具型腔上、下有效镦粗区型腔深度均为25mm，镦粗模具型腔总高度为160mm，镦粗模具型腔有效镦粗区锥体小端直径为250mm，镦粗模具型腔避让区圆柱体的直径为280mm；
作为优选的，所述第二步中，控制有效镦粗区圆锥体小端的直径比原始棒料的直径小3-5mm。
作为优选的，第二步中所述预热温度为500℃±5℃，保温时间2.5-3小时。
作为优选的，所述第三步中，控制预锻上模凸台的高度比终锻上模凸台的高度低25-30mm。
作为优选的，所述预锻模具大盘面的厚度比终锻模具大盘面的厚度小2mm。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点和有益效果是：
①首先将锻造原材料由挤压棒材改为铸态棒材，降低制造成本；
②用镦粗方式替代了传统工艺过程中常用的车端面尖角工序，镦粗的目的是去除锯切端面尖角，然后在锻造过程中，通过预锻模具尺寸的改变，控制预锻的变形量、正反复合挤压等工艺设计，保证锻造过程中材料的铸造组织及铸造缺陷被消除；
③预锻盘部厚度小于终锻盘部厚度，终锻时盘部厚度依靠盘部减重槽里面的多余金属反挤压成形，提升材料利用率。
④本发明的铝合金轮毂采用铝合金铸造棒材，通过锻造变形，消除铸材内部缺陷后，进行固溶时效热处理，锻件经热处理后，抗拉强度达到370MPa以上，屈服强度达到350MPa以上，延伸率达到10％以上；通过本发明的锻造工艺，有效改善了铸造棒材的内部缺陷，消除了原材料的铸态组织，使锻件热处理后的力学性能(尤其是延伸率)达到了挤压态棒料锻造成形后的效果。
附图说明
图1是实施例的铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺中所述预锻模具的剖面示意图。
图2为实施例的铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺中所述终锻模具的剖面示意图。
图3实施例的铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺中所述镦粗模具型腔的剖面示意图。
图4A为实施例中预锻成型后锻件的结构示意图；图4B为终锻成型后轮边轮毂的结构示意图。
附图标记：
1-预锻上模型腔；11-预锻上模凸台；12-预锻下模凸台；13-预锻下模型腔；2-终锻模具型腔；21-终锻上模凸台；22-终锻下模凸台；3-镦粗模具型腔；31-上模镦粗型腔；32-下模镦粗型腔；α-环状结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，并不是把本发明的实施范围限制于此。
实施例一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，包括锯切---锻前加热---镦粗(去除棒料两端的锯切尖角)---预锻---终锻---固溶时效处理等流程，具体操作如下：
第一步，备料；
用铸态铝合金棒材作为原材料，采用锯切下料的方式将其分割成所需要大小，本实施例中锯切后的棒长为170mm,直径254mm。
第二步；
镦粗，将锯切好的棒料放入锻前加热炉中，在500℃下保温2.5小时，然后转至模具镦粗型腔进行镦粗，本步骤用镦粗方式替代了传统工艺过程中常用的车端面尖角工序，镦粗的目的是去除锯切端面尖角，所以镦粗后的坯料外圆直径不变，仍为254mm，镦粗后棒料两端形成R15的圆角；
①为了控制镦粗压下量，确保坯料直径方向镦粗后不超出镦粗模具型腔3的有效镦粗区而形成台阶，如图3所示，所述镦粗模具的型腔3包括上模镦粗型腔31和下模镦粗型腔32，将镦粗模具的型腔3分为有效镦粗区和避让区两部分，其中下模镦粗型腔32全部为有效镦粗区，上模镦粗型腔31的上部为有效镦粗区，其下部直径增大区为避让区；下模有效镦粗区为圆锥体结构，锥体侧面按10-15°向上延伸，底部为10-15mm的过渡圆角，锥体上端与分模面为20-30mm的圆角过渡；上模有效镦粗区为圆锥体结构，锥体侧面按10-15°向上延伸，底部为10-15mm的过渡圆角，锥体下端与镦粗避让区为20-30mm的圆角过渡；避让区为圆柱体结构，直径比原始棒料直径大20-30mm，本实施例中为280mm；控制镦粗模具的型腔总高度为原始棒料长度的90％-95％，本实施例中为160mm；
②为确保棒料在镦粗模具型腔3内精确定位，同时锯切端面形成圆滑的倒角，本实施例控制镦粗模具型腔3的有效镦粗区圆锥体小端直径D＝原始棒料直径D1-4mm，本实施例中为250mm；控制镦粗模具型腔3的上模镦粗型腔31和下模镦粗型腔32对应的有效镦粗区深度均为(20-25)mm，本实施例中均控制为25mm。
③为确保镦粗完成后棒料两端面圆角成型，下模有效镦粗区为圆锥体结构，锥体侧面按10-15°向上延伸，底部为10-15mm的过渡圆角，本实施例中控制为R15mm。
第三步；
镦粗后的坯料转至预锻和终锻模具中进行预锻和终锻后，得到成型后的轮边轮毂锻件，鉴于原材料为铸态棒材，本实施例对于预锻模具型腔和终锻模具型腔2的尺寸做出以下限定，如图1所示预锻模具的剖面图，所述本实施例中预锻上模型腔1和预锻下模型腔13组成了预锻模具型腔，预锻模具的上模和下模分别设置用于定位和控制金属流向的预锻上模凸台11和预锻下模凸台12，终锻模具的上模和下模分别设置有用于定位和控制金属流向的终锻上模凸台21和终锻下模凸台22，具体尺寸要求如下：
1、预锻下模型腔圆柱端外径≤镦粗后的坯料外圆直径，本实施例中设置预锻下模型腔13的圆柱端外径为207.8mm，小于254mm；
2、预锻下模凸台12的高度与终锻下模凸台22的高度一致，本实施例中均为80.8mm；
3、预锻上模凸台11的高度比终锻上模凸台21的高度小25-30mm，本实施例中，预锻上模凸台11的高度为115mm，终锻上模凸台21的高度为143.5mm；
4、预锻模具的大盘面设计为平面，预锻大盘面厚度比终锻大盘面的厚度小2mm，本实施例预锻模具盘部厚度为37mm，终锻模具盘部厚度为39mm。
传统工艺中采用挤压态原材料锻造，这是因为挤压态原材料在铸棒的基础上增加了挤压工序，锻造前已经消除了气孔、缩松等原材料铸造缺陷；因此，一般采用比下模型腔圆柱端直径略小的坯料，直接放入型腔锻造成型；
而本实施例中的原材料为铸态，如果锻造过程中没有足够的变形量，则无法消除铸造原材料本身的气孔、缩松等缺陷，从而导致锻件T6热处理后延伸率达不到要求，为了解决这一问题，本实施例对于预锻的模具进行了上述限定：
(1)预锻下模设有与镦粗后的坯料匹配的定位凸台，从而保证锻件成型后，各对称区域的金属流动状态一致，从而消除了锻件热处理后各区域力学性能的差异。
(2)控制预锻下模型腔圆柱端外径≤镦粗后的坯料外圆直径，确保棒料不能直接放入下模型腔内部，只能通过挤压向下流动充满型腔，从而确保在一次锻造过程中，上下模型腔能够持续、正反复合挤压成型，保证锻件成型过程中，各区域金属充分流动，从而保证了铸态棒材锻造成型在热处理后可以有足够的延伸率。
作为优选的，所述预锻下模型腔13的圆柱端与大盘面交接处为15°斜度的环状结构α，通过增加15°的斜面，减少坯料挤压过程中向下模型腔的流动阻力；同时因锻造工艺要求，预锻件需要落入终锻模具型腔，所以，预锻下模的体积会小于终锻下模的体积，所以15°斜面的另一个作用就是用于补偿预锻下模凸台12处金属的体积不足，保证成型。同时15°环状斜面也是镦粗后坯料在预锻型腔定位的基准，斜面结构保证镦粗后的坯料放入预锻模具型腔时，斜面结构提供了一周均匀的支撑力，使坯料与预锻模具中心自动对齐。
(3)本实施例中预锻下模凸台12的高度与终锻下模凸台22的高度一致。
传统工艺预锻下模凸台的设计会比终锻凸台直径小、高度矮，当预锻无法完全成型的时候，预锻件底部凹槽过浅，底面会直接与终锻下模凸台22接触，导致预锻件无法落入终锻型腔，而本实施例中预锻下模凸台12的高度与终锻下模凸台22一致的设计，保证了预锻件能够完全落入终锻模具型腔2；同时保证了终锻过程中，预锻件下部与终锻模下模型腔的侧壁贴合，形成锻件向水平方向流动的阻力，从而保证多余金属向终锻模具型腔2的垂直方向流动。
(4)本实施例中要求:预锻上模凸台11的高度比终锻上模凸台21的高度小(25-30)mm，这种设计保证了预锻件中间连皮厚度比终锻件连皮厚度大(25-30)mm，从而确保终锻过程中，预锻连皮内的金属可以通过正反挤压充满终锻模具型腔2内。
(5)本实施例中预锻模具的大盘面设计为平面，预锻模具的大盘面厚度比终锻模具的大盘面厚度小2mm。
传统工艺中，通常在预锻模具盘部有10个与终锻型腔减重槽槽对应的预成型凹槽，预锻模具盘部厚度比终锻模具盘部厚度大2-2.5mm，但是因铝合金流动性差，如果继续采用传统工艺，会导致待预锻的坯料无法完全覆盖预锻模具的预成型凸台，当铝合金坯料流过凸台时，容易产生折叠。
所以，本实施例中将预锻模具的大盘面设计为平面，保证了铝合金能够平滑的流过模具型腔，避免了折叠风险；同时设计预锻模具的大盘面厚度比终锻模具的大盘面厚度小2mm，使得终锻的上模减重槽成型锻过程中，减重槽内的多余金属材料反向向上流动，保证终锻后盘部厚度达到要求的尺寸。
第四步；
经上述锻造成型消除铸材内部缺陷后，对成型后的轮边轮毂锻件进行固溶时效热处理，具体热处理过程如下：
锻件在固溶炉进行固溶处理，固溶保温时间2.5小时，固溶温度535℃；固溶后迅速入水冷却，待锻件冷却至常温后，送入时效炉内进行时效处理，时效保温时间7小时，时效温度177℃。
锻件经热处理后，抗拉强度达到370MPa以上，屈服强度达到350MPa以上，延伸率达到10％以上；经过上述实施例的锻造工艺处理后，有效改善了铸造棒材的内部缺陷，消除了原材料的铸态组织，使锻件热处理后的力学性能(尤其是延伸率)达到了挤压态棒料锻造成形后的效果。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，依次包括锯切、锻前加热、镦粗、预锻、终锻、固溶时效处理工序，其具体操作如下：
第一步，备料；
用铸态铝合金棒材作为原材料，采用锯切下料的方式将其分割成所需要大小得到原始棒料；
第二步，将锯切好的棒料放入锻前加热炉进行锻前加热后，转至模具镦粗型腔，镦粗以去除锯切端面的尖角使其形成圆角，控制镦粗条件如下：
①所述镦粗模具的型腔包括上模镦粗型腔和下模镦粗型腔，将其分为有效镦粗区和避让区两部分，其中下模镦粗型腔全部为有效镦粗区，上模镦粗型腔上部为有效镦粗区，下部直径增大区为避让区；下模有效镦粗区为圆锥体结构，锥体侧面按10-15°向上延伸，底部为10-15mm的过渡圆角，锥体上端与分模面为20-30mm的圆角过渡；上模有效镦粗区为圆锥体结构，锥体侧面按10-15°向上延伸，底部为10-15mm的过渡圆角，锥体下端与镦粗避让区为20-30mm的圆角过渡，避让区为圆柱体结构，其直径比棒料直径大20-30mm；控制镦粗模具型腔的总高度为原始棒料长度的90％-95％；
②控制镦粗模具型腔有效镦粗区圆锥体小端的直径比原始棒料的直径小；
③控制上模镦粗型腔和下模镦粗型腔对应的有效镦粗区深度均为(20-25)mm；
第三步，将镦粗后的坯料转至预锻和终锻模具中进行预锻和终锻后，得到成型后的轮边轮毂锻件；
所述预锻上模型腔和预锻下模型腔组成预锻模具型腔，预锻模具的上模和下模分别设置用于定位和控制金属流向的预锻上模凸台和预锻下模凸台，终锻模具的上模和下模分别设置有用于定位和控制金属流向的终锻上模凸台和终锻下模凸台，具体要求如下：
①预锻下模型腔圆柱端外径≤镦粗后的坯料外圆直径；
②预锻下模凸台的高度与终锻下模凸台高度一致；
③预锻上模凸台的高度比终锻上模凸台的高度低；
④预锻大盘面设计为平面，预锻大盘面厚度比终锻大盘面的厚度小；
第四步，对成型后的轮边轮毂锻件进行固溶时效热处理得到铝合金轮边轮毂。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，其特征在于：所述固溶时效热处理的具体操作为：在固溶炉中、535℃下保温2.5小时后；取出迅速入水冷却，待锻件冷却至常温后，送入时效炉内，在177℃下保温7小时。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，其特征在于：所述预锻下模型腔的圆柱端与大盘面交接处为15°斜度的环状结构。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，其特征在于：所述预锻模具大盘面的厚度比终锻模具大盘面的厚度小2mm。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，其特征在于：所述第二步中，控制镦粗模具型腔有效镦粗区的直径比原始棒料的直径小3-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，其特征在于：第二步中，所述锻前加热预热温度均为500℃±5℃，保温时间2.5-3小时。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，其特征在于：所述第三步中，控制预锻上模凸台的高度比终锻上模凸台的高度低25-30mm。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金轮边轮毂铸锻复合成型工艺，其特征在于：所述原始棒料的棒长为170mm，直径为254mm，镦粗模具型腔上、下有效镦粗区型腔深度均为25mm，镦粗模具型腔的总高度为160mm，镦粗模具型腔有效镦粗区锥体小端直径为250mm，镦粗模具型腔避让区圆柱体的直径为280mm。
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