TWI586453B - Method of manufacturing near - round forging of rims - Google Patents

Description

輪圈之近形鍛旋製造方法

本發明係有關一種輪圈之近形鍛旋製造方法，尤指一種兼具大幅降低製造成本、材料自主化程度高、加工尺寸彈性可減少庫存，與可提高結構強度之輪圈之近形鍛旋製造方法。

傳統鍛造輪圈係採用連續鑄造法(DC Casting)(如第二圖所示之鑄造旋壓輪圈71)，需先製備(鑄造合金熔煉72)複數個具預定長度之鑄造基材81(如第一圖所示)，再經由高壓鍛造成形後進行旋壓，其鑄造方法如下所述：一．連續鑄造(低壓鑄造製備輪圈鑄胚73)並擠製、裁切該鑄造基材81；二．利用多台鍛造機配合多組不同的鍛造模具61、62、63，對該鑄造基材81進行多次鍛造(該鍛造基材81於該鍛造模具61與62中經鍛造而逐漸成形，元件編號相同，特此陳明)，使該鑄造基材81逐漸成形為一個輪圈粗胚82；三．熱處理該輪圈粗胚82；四．利用一個旋壓裝置64旋壓(高溫輪圈旋壓製程74)該輪圈粗胚82，使該輪圈粗胚82形成一個胴部821；五．以機械加工(機械加工及表面處理75)的方式銑削該輪圈 粗胚82的實心盤面(耗時約4小時)，並對該輪圈粗胚82的輪圈壁進行車削加工(耗時約3-5分鐘)，使該輪圈粗胚82成形為具有多支輪圈臂831的輪圈成品83。

雖然此一製程可達到製造出該輪圈成品83(輪圈性能測試76)的目的，但實際製造過程中卻出現以下之缺點：

[1]成本高。此種製程是直接將實心的鑄造基材鍛造成形為該輪圈粗胚，因此，此種製程需要經過多道次的鍛造才能成形出中空的輪圈粗胚，在每一道次的鍛造製程均需使用一台鍛造機與一組鍛造模具鍛壓該輪圈粗胚，且由於該輪圈粗胚的盤面是呈不透空的實心塊，因此最終成形的鍛造機更需要能產生最大出力的大型鍛造機，此外，各道次間的輪圈粗胚也需要利用多個加熱爐來重複加熱，並以輸送設備來輸送，由此可知，光在鍛造步驟即需使用大量的製造設備，大幅提高投資成本。另外，機械加工廢料無法直接回收，材料成本高。

[2]加工耗時。此種製程需要經過多道次的鍛造才能成形出該輪圈粗胚，且最終更需要以機械加工的方式銑削出該輪圈粗胚盤面的肋臂透空形狀，因此會大幅增加所需的機械加工工時。

[3]大尺寸輪圈成形不易。在成形大尺寸輪圈時，若材料變形量過大，則往往會超過材料的容許變形量，因此，此種製程即需以更多道次的加熱軟化及鍛造才能成形出大尺寸的輪圈，造成大尺寸輪圈成形不易。另外，大尺寸(16吋以上)之鑄棒需仰賴進口，因此材料以6061(相關輪圈製造領域之型號，在此恕不贅述)傳統鍛材為主，無法滿足多樣化的輪圈市場需求。

[4]不易成型複雜樣式的輪圈。該輪圈粗胚鍛造後的鍛造盤面一般是呈現實心的平面狀或弧面狀，因此，這種製程需要通過機械加工的方式銑削該輪圈粗胚的盤面，才能加工出輪圈臂，會造成材料在銑削上的浪費(機械加工廢料>40%，每只輪圈機械加工的成本超過NTD600元(以16“為例，再依輪圈複雜度而異)，此外，若以此法鍛造製備各種花樣的輪圈臂，往往會因盤面形狀過於複雜，造成在鍛造過程材料流動受到模穴的限制，產生填充不足的缺陷而無法成形，或需要增加成形的壓力，以克服材料流動受到模穴限制的困境。因此，反而導致此種製程需要使用更大型的鍛造機才能完成鍛造。且受限於鋁合金連續鑄造廠之材料設計，無法以合金設計來滿足最佳輕量化的效果。

[5]精度較差。在鑄造旋壓輪圈部份，因需兼固輪圈之鑄造性，均以A356或A356.2之傳統鑄造材為主，雖提升得料率，但因熱間旋壓，精度稍差，後續加工量大，且在加工硬化的效果不如常溫旋壓。

有鑑於此，必須研發出可解決上述習用缺點之技術。

本發明之目的，在於提供一種輪圈之近形鍛旋製造方法，其兼具大幅降低製造成本、材料自主化程度高、加工尺寸彈性可減少庫存，與可提高結構強度等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於傳統方式產生成本高、加工耗時、大尺寸輪圈成形不易、不易成型複雜樣式的輪圈與精度較差等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種輪圈之近形鍛旋製造方法，其包括： 步驟一：預先準備一鋁合金材料，該鋁合金材料係選自鋁-鎂系高延展性鋁合金、鋁-鋅-鎂-銅高強度鋁合金其中之一，其包含重量百分比3%-10%之鎂(Mg)、重量百分比0.5%~5%之錳(Mn)及微量元素，該微量元素係選自鍶(Sr)、鈦(Ti)、硼(B)、鉻(Cr)、銻(Sb)、錫(Sn)、鈹(Be)及稀土元素(RE)其中至少一項，前述微量元素中每一元素含量均在重量百分比不高於0.5%，其餘為鋁(Al)；步驟二：將該鋁合金材料鑄造成一輪圈粗胚，該輪圈粗胚具有一輪盤、複數個輪圈臂、一輪圈壁及一軸線；步驟三：鍛造該輪圈粗胚，使該輪盤及該輪圈臂可在固溶熱處理產生再結晶，產生晶粒細化，平均晶粒大小係小於30μm；步驟四：對該輪圈粗胚進行再結晶處理與固溶熱處理的至少其中之一種作業；步驟五：旋壓該輪圈壁，使該輪圈壁成形一環繞該軸線之胴部；步驟六：對該輪圈粗胚進行尺寸安定化處理與時效熱處理的至少其中之一種作業；步驟七：於該輪盤上開設氣嘴孔，並對該輪圈臂及該輪圈壁進行車削加工及表面處理，即成型一鍛旋輪圈。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

11‧‧‧步驟一

12‧‧‧步驟二

13‧‧‧步驟三

14‧‧‧步驟四

15‧‧‧步驟五

16‧‧‧步驟六

17‧‧‧步驟七

20、82‧‧‧輪圈粗胚

21‧‧‧輪盤

211‧‧‧盤面

22、831‧‧‧輪圈臂

22A‧‧‧鍛造輪圈臂

23‧‧‧輪圈壁

231、821‧‧‧胴部

31‧‧‧鍛造旋壓複合輪圈

32‧‧‧合金設計及熔鍊

33‧‧‧鑄造製備輪圈粗胚

34A‧‧‧輪圈粗胚鍛造製程

34B‧‧‧輪圈粗胚擠型製程

35‧‧‧輪圈旋壓製程

36、75‧‧‧機械加工及表面處理

37、76‧‧‧輪圈性能測試

61、62、63‧‧‧鍛造模具

64‧‧‧旋壓裝置

71‧‧‧鑄造旋壓輪圈

72‧‧‧鑄造合金熔煉

73‧‧‧低壓鑄造輪圈鑄胚

74‧‧‧高溫輪圈旋壓製程

81‧‧‧鑄造基材

83‧‧‧輪圈成品

90‧‧‧旋壓轉子

X‧‧‧軸線

第一圖係傳統製造過程之示意圖

第二圖係傳統製造過程之流程圖

第三圖係本發明之製造方法之流程圖

第四圖係本發明之製造方法之詳細流程圖

第五A及第五B圖係分別為本發明之鋁合金材料鑄造成輪圈粗胚之平面及剖視圖

第六A及第六B圖係分別為本發明之輪圈粗胚鍛造(擠壓)成型之平面及剖視圖

第七A及第七B圖係分別為本發明之輪圈旋壓成型之平面及剖視圖

參閱第三圖，本發明係為一種輪圈之近形鍛旋製造方法，其製造流程包括下列步驟：步驟一(11)：預先準備一鋁合金材料，該鋁合金材料係選自鋁-鎂系高延展性鋁合金、鋁-鋅-鎂-銅高強度鋁合金其中之一，其包含重量百分比3%-10%之鎂(Mg)、重量百分比0.5%~5%之錳(Mn)及微量元素，該微量元素係選自鍶(Sr)、鈦(Ti)、硼(B)、鉻(Cr)、銻(Sb)、錫(Sn)、鈹(Be)及稀土元素(RE)其中至少一項，前述微量元素中每一元素含量均在重量百分比不高於0.5%，其餘為鋁(Al)；步驟二(12)：參閱第五A及第五B圖，將該鋁合金材料鑄造成一輪圈粗胚20，該輪圈粗胚20具有一輪盤21、複數個輪圈臂22、一輪圈 壁23及一軸線X；步驟三(13)：鍛造該輪圈粗胚20，使該輪盤21及該輪圈臂22可在固溶熱處理產生再結晶，產生晶粒細化，平均晶粒大小係小於30μm；步驟四(14)：對該輪圈粗胚20進行再結晶處理與固溶熱處理的至少其中之一種作業；步驟五(15)：旋壓該輪圈壁23，使該輪圈壁23成形一環繞該軸線X之胴部231(參閱第七B圖)；步驟六(16)：對該輪圈粗胚20進行尺寸安定化處理與時效熱處理的至少其中之一種作業；步驟七(17)：於該輪盤21上開設氣嘴孔(圖面未示)，並對該輪圈臂22及該輪圈壁23進行車削加工及表面處理，即成型一鍛旋輪圈。

實務上，該輪圈壁23係環繞該軸線X，且與該輪盤21之端緣相連接。

參閱第四圖(鍛造旋壓複合輪圈31)，至於本案之詳細製作過程，係如下所述：

關於步驟一的部分，該重量百分比0.5%~5%之錳(Mn)係用以提高該鋁合金材料(合金設計及熔煉32)之室溫延展性。

該微量元素係用以使該鋁合金材料達到粗胚晶粒細化之效果。

關於步驟二的部分(鑄造製備輪胎粗胚33)，可以重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造，或是高真空壓鑄對該輪圈粗胚20進行鑄造。並使用快速凝固技術，冷卻速度不得低於20℃/秒，且晶粒不得大於100μm。此外， 該輪圈粗胚20之輪盤21的一個盤面211(如第五A及第五B圖所示)被鑄造成近似最終產品形狀(亦即“近形”)，但仍必須留有足夠之鍛造變形量。

關於步驟三的部分，參閱第四(可選擇輪圈粗胚鍛造製程34A或是輪圈粗胚擠型製程34B)、第六A及第六B圖，鍛造該輪圈粗胚20的輪盤11，使該複數個輪圈臂22分別形成複數個鍛造輪圈臂22A，其中鍛造的鍛壓比(塑形變形比)大約介於30%-70%，鍛造的溫度因材料不同而有差異，溫度範圍可介於300℃-480℃；鍛造模具的爐溫大約在480℃以下，模具的溫度可介於250℃-400℃。如此，可將該盤面211的鑄造樹枝狀組織破壞，使材料產生塑性流動，並使該盤面211產生鍛造流線，進而改善材料之機械性質。

關於步驟四的部分，參閱第四圖，對該輪圈粗胚20(如第六A及第六B圖)進行再結晶熱處理，可將該輪圈粗胚20置於溫度介於300℃-500℃(依據不同的材料提供不同的加熱溫度)之爐內，並持溫大約2-4小時，然後冷卻(可為水淬或是空冷)至室溫，並確認(輪圈製造相關領域所知悉，恕不贅述)該輪圈粗胚20之延伸率在10%以上。

關於步驟五的部分，參閱第四(輪圈旋壓製程35)、第七A及第七B圖，將熱處理後的該輪圈粗胚20放在旋壓機(公知裝置，恕不贅述)上，溫度設定在室溫至260℃之間，而旋壓該輪圈粗胚20之該輪圈壁23，使該輪圈壁23冷間旋壓成形出該胴部231。在本實施例中，係以旋壓轉子90(如第七B圖所示)旋壓該輪圈壁23，使該輪圈壁23產生塑性變形，並且提供該輪圈粗胚20非常好的冷加工強化之效果，以強化並提升該胴部231之機械性質。

關於步驟六的部分，對該輪圈粗胚20(如第七A及第七B圖所示)進行應力消除及尺寸安定化熱處理(如第四圖所示之機械加工及表面處 理36及輪圈性能測試37)，以大約140℃至260℃的溫度對該輪圈粗胚20加熱，並持溫大約1-7小時後空冷，除可消除旋壓過程所產生之殘留應力，提升其延展性外，促使尺寸安定化，使後面加工能有更佳之精密度。

本製程所應用之高延展性鋁合金材料並非商用鋁合金材料，此材料為因應近形(Near Net Shape，在此代表製造接近輪圈形狀之材料)鍛造及常溫旋壓，除了要求高延展性外，必須兼顧其鑄造性。材料降伏強度大於190Mpa，抗拉強度大於280Mpa，伸長率大於15%。

本製程所應用之近形鍛造有別於傳統鍛造，其主要目的在於改變鑄造組織為鍛造組織，以強化基材，而非成形，包含高溫鍛造及常溫鍛造。

本製程所使用之旋壓技術為常溫旋壓，有別於傳統鑄旋成形技術之高溫旋壓，其目的除了快速，高精準度外，最重要是提供輪圈加工強化的效果，提升機械性質，達到更好的輕量化效果。

本案全文中所提到之「近形」(其英文為Near Net Shape)，其係指接近最終產品形狀之意義，此用語亦為本領域人士所知悉。

本發明之優點及功效係如下所述：

[1]大幅降低製造成本。本發明係以鍛造設備取代鑄造設備，因此僅需使用2000噸之鍛造設備，比起傳統鍛造輪圈需要使用8000噸之鍛造機，可節省設備投資成本大約1億(以月產量30000顆鍛造輪圈為例)。故，大幅降低製造成本。

[2]材料自主化程度高。本發明使用自行設計之鋁合金材料，其關鍵性材料自主化程度高，且加工廢料可完全廠內回收再利用，可 降低材料成本35%。材料自主化程度高。

[3]加工尺寸彈性可減少庫存。本發明所製備之近形鍛造輪圈粗胚外徑不會受限於鋁合金連鑄棒之外徑，因此不用針對不同外徑之鋁合金輪圈，庫存不同外徑之鋁合金鑄棒。故，加工尺寸彈性可減少庫存。

[4]可提高結構強度。本發明之鋁合金材料係以鍛造用鋁合金為主，並酌量添加其他微量元素以提升原材料凝固補縮性，可加工性、高延展性及高抗拉強度。故，可提高結構強度。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

11‧‧‧步驟一

12‧‧‧步驟二

13‧‧‧步驟三

14‧‧‧步驟四

15‧‧‧步驟五

16‧‧‧步驟六

17‧‧‧步驟七

Claims (2)

1. 一種輪圈之近形鍛旋製造方法，係包括：步驟一：預先準備一鋁合金材料，該鋁合金材料係選自鋁-鎂系高延展性鋁合金、鋁-鋅-鎂-銅高強度鋁合金其中之一，其包含重量百分比5.7%-10%之鎂(Mg)、重量百分比0.5%~5%之錳(Mn)及微量元素，該微量元素係選自鍶(Sr)、鈦(Ti)、硼(B)、鉻(Cr)、銻(Sb)、錫(Sn)、鈹(Be)及稀土元素(RE)其中至少一項，前述微量元素中每一元素含量均在重量百分比不高於0.5%，其餘為鋁(Al)；步驟二：將該鋁合金材料鑄造成一輪圈粗胚，該輪圈粗胚具有一輪盤、複數個輪圈臂、一輪圈壁及一軸線；步驟三：鍛造該輪圈粗胚，使該輪盤及該輪圈臂可在固溶熱處理產生再結晶，產生晶粒細化，平均晶粒大小係小於30μm；步驟四：對該輪圈粗胚進行再結晶處理與固溶熱處理的至少其中之一種作業；步驟五：旋壓該輪圈壁，使該輪圈壁成形一環繞該軸線之胴部；步驟六：對該輪圈粗胚進行尺寸安定化處理與時效熱處理的至少其中之一種作業；步驟七：於該輪盤上開設氣嘴孔，並對該輪圈臂及該輪圈壁進行車削加工及表面處理，即成型一鍛旋輪圈；其中，該輪圈壁係環繞該軸線，且與輪盤之端緣相連接；該輪圈粗胚係以重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造、高真空壓鑄其中之一進行鑄造，且使用快速凝固技術，冷卻速度係高於20℃/秒，且晶 粒係小於等於100μm；該輪圈粗胚之該輪盤係被鍛造，而使該複數個輪圈臂分別形成複數個鍛造輪圈臂；塑形變形比大約介於30%-70%；該輪圈粗胚進行再結晶熱處理，可使該輪圈粗胚之延伸率在10%以上；該輪圈粗胚係設旋壓機，而旋壓該輪圈粗胚之該輪圈壁，使該輪圈壁冷間旋壓成形出該胴部；該輪圈粗胚進行應力消除及尺寸安定化熱處理，係以大約140℃至260℃的溫度對該輪圈粗胚加熱，可消除旋壓過程所產生之殘留應力、提升延展性，並促使尺寸安定化。
2. 如申請專利範圍第1項所述之輪圈之近形鍛旋製造方法，其中：該鋁合金係為AA5000系列、AA6000系列、AA7000鋁合金的至少其中之一種。