張立娟，常海平，羅文哲，黃長清

A356鋁合金車輪輪輞旋壓成形工藝優(yōu)化

張立娟1，常海平2，羅文哲3，黃長清3

（1.河北環(huán)境工程學(xué)院 環(huán)境工程系，河北 秦皇島 066102；2.中信戴卡股份有限公司 工程技術(shù)研究院，河北 秦皇島 066011；3.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083）

解決A356鑄旋鋁合金車輪內(nèi)輪緣部位性能不足，滿足客戶的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。以某款車輪為研究對象，分析了現(xiàn)有成形工藝下導(dǎo)致內(nèi)輪緣性能低的主要原因，提出了其性能提升的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，更改旋輪形狀、旋壓成形軌跡和旋壓參數(shù)，以獲得內(nèi)輪緣處更大的塑性變形量，并對該新的成形工藝進(jìn)行了熱旋壓試驗(yàn)驗(yàn)證。新的旋壓工藝能增加旋壓輪輞內(nèi)輪緣處的變形量，變形組織更加均勻。該旋壓工藝的優(yōu)化，大大提高了內(nèi)輪緣的性能，力學(xué)性能提高10%以上，滿足了主機(jī)廠的標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)應(yīng)用于批量生產(chǎn)中。

A356鋁車輪；內(nèi)輪緣；旋壓；工藝優(yōu)化

A356合金鑄造性能好，熱處理后能得到較高的強(qiáng)度和良好的塑性。目前，汽車鋁合金車輪材料均采用A356[1]。鋁合金車輪制造有鑄造、鍛造和鑄旋等工藝。鑄旋工藝是鑄造+旋壓加工的一種復(fù)合成形方法，即車輪外觀部位采用低壓鑄造，輪輞部位采用熱旋壓加工。

鋁合金車輪鑄旋工藝能夠細(xì)化輪輞部位晶粒，金屬纖維組織呈流線分布，提高了材料的強(qiáng)度和伸長率，有利于車輪的輕量化。但傳統(tǒng)（現(xiàn)有）旋壓工藝在內(nèi)輪緣處材料變形量小、不均勻，性能偏低,導(dǎo)致車輪在苛刻路況下時內(nèi)輪緣開裂。文獻(xiàn)[2-4]重點(diǎn)研究了鋁合金車輪旋壓模具的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[5-16,17-30]主要從旋壓工藝的各種參數(shù)，旋壓熱力耦合模擬、應(yīng)力應(yīng)變、旋壓力和制造流程優(yōu)化等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。上述均未對旋壓內(nèi)輪緣成形進(jìn)行過深層次的研究。為了提高內(nèi)輪緣的性能，文中提出內(nèi)輪緣改進(jìn)成形工藝，該工藝可以改善內(nèi)輪緣的變形均勻性，提高內(nèi)輪緣的力學(xué)性能。

1 車輪內(nèi)輪緣性能不足分析

以某款車輪為研究對象，A356鑄旋鋁合金車輪毛坯主要采用低壓鑄造、熱旋壓和熱處理T6 3種工藝制造完成。首先采用低壓鑄造工藝獲得車輪毛坯（輪輻+厚大輪輞），要求較高強(qiáng)度的輪輞和內(nèi)輪緣部位則要經(jīng)過旋壓加工，旋壓后毛坯最后進(jìn)行T6熱處理強(qiáng)化。

低壓鑄造T6后A356鑄態(tài)組織如圖1所示。由于存在粗大的共晶硅顆粒以及沉淀相的不均分布，導(dǎo)致A356鋁合金的力學(xué)性能偏低。

圖1 鑄態(tài)A356微觀組織

A356的強(qiáng)度很大程度上由晶粒結(jié)構(gòu)決定，主要包括晶粒尺寸、加工流線和織構(gòu)組分。圖2為經(jīng)過熱旋壓和T6熱處理后車輪沿縱向截取的剖切件，主要由中輪輞、駝峰和內(nèi)輪緣組成。

圖3為現(xiàn)有工藝下內(nèi)輪緣部位的微觀組織組合圖，圖中由上至下分別為近旋輪區(qū)域、中間區(qū)域和近芯模區(qū)域的微觀組織形貌?

圖2 輪輞旋壓成形件

圖3 傳統(tǒng)工藝下內(nèi)輪緣微觀組織

由圖3可以看出，在近旋輪區(qū)域晶粒拉長細(xì)化，但中間區(qū)域和近芯模區(qū)域仍可見粗大的原始鑄態(tài)組織，說明旋壓加工對輪輞內(nèi)輪緣部位中間區(qū)域與近芯模區(qū)域產(chǎn)生的變形量較小。

圖4a為現(xiàn)有（傳統(tǒng)）成形工藝的旋壓過程示意圖，A356的輪輞旋壓成形可分為2個階段?其中，第1階段，旋輪1和旋輪2主要成形輪輞中部，并在完成相應(yīng)的軌跡后遠(yuǎn)離芯模。第2階段，在旋輪1和旋輪2退出后，由旋輪3單獨(dú)完成終端的駝峰及輪輞內(nèi)輪緣部位的成形，直至得到最終的旋壓成形件。整個旋壓加工過程中3個旋輪進(jìn)給速度均為500 mm/min，三旋輪的幾何結(jié)構(gòu)如圖5a所示。

對于現(xiàn)有成形工藝，輪輞內(nèi)輪緣部位性能不足主要由2個原因?qū)е拢翰牧狭鲃有圆蛔?；加工時間太短，內(nèi)輪緣部分無法完全變形。當(dāng)旋輪到內(nèi)輪緣部位時，金屬材料流動受阻，材料傾向于沿相反方向流動，如圖4b所示。由此產(chǎn)生材料回流，直接導(dǎo)致內(nèi)輪緣變形不足。

在車輪輪輞旋壓過程中，材料的變形主要集中在與旋輪接觸的部位，即外部區(qū)域。芯模附近的變形較小，內(nèi)輪緣部分的材料尤其難以完全變形，導(dǎo)致其機(jī)械性能低下。因此，如何提高車輪毛坯厚度方向的變形量及其均勻性，特別是如何使車輪內(nèi)輪緣部分的材料獲得足夠的變形，是性能提高的關(guān)鍵。

圖4 現(xiàn)有成形方案及材料回流示意

圖5 旋輪幾何結(jié)構(gòu)

2 改進(jìn)成形方案

鋁合金車輪旋壓旋輪幾何形狀及尺寸直接影響了旋輪與坯料之間的接觸區(qū)域的面積以及旋壓力的大小。為了保證內(nèi)輪緣成形過程材料有足夠的變形量且保證變形的均勻性及抑制金屬回流，根據(jù)芯模終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了如圖5b所示的異型（隨形）旋輪，旋輪工作部位形狀與內(nèi)輪緣外側(cè)形狀一致。在現(xiàn)有成形方案（工藝）的基礎(chǔ)上，采用異型（隨形）旋輪代替原始旋輪1，提出了改進(jìn)的成形方案，改進(jìn)的成形方案原理如圖6a所示。

改進(jìn)的成形方案中，當(dāng)旋輪2即將退出時，異型輪移動到芯軸末端轉(zhuǎn)角位置，異型輪的最終位置如圖6b所示。即在內(nèi)輪緣成形過程中，異型旋輪1和旋輪3一起作用，使材料向圓角充分?jǐn)D壓，確保擠壓變形充分和細(xì)化組織。

圖6 改進(jìn)的旋壓成形方案示意圖

在此基礎(chǔ)上，從駝峰成形部分開始，改進(jìn)方案中旋輪3的進(jìn)給速度考慮2種情形。

1）方案A1。成形過程中旋輪3的進(jìn)給速度從500 mm/min減小到100 mm/min，即末端旋輪慢進(jìn)給。降低旋輪3進(jìn)給速度的目的是保證有足夠的時間完成內(nèi)輪緣部分的變形。

2）方案A2。旋輪3的進(jìn)給速度始終保持500 mm/min。改進(jìn)成形方案的旋輪進(jìn)給參數(shù)如表1所示。

表1 不同成形方案的旋輪進(jìn)給速度

Tab.1 Feed speed of roller with different forming schemes

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 熱旋壓試驗(yàn)

鋁合金車輪鑄造+旋壓復(fù)合成形（簡稱鑄旋）工藝流程：鋁液熔煉—車輪低壓鑄造—加熱—輪輞旋壓—熱處理—機(jī)加工。

具體來講，鋁合金車輪鑄旋技術(shù)就是首先通過低壓鑄造的方法生產(chǎn)出車輪鑄坯，這時，車輪造型面輪輻部分已成型，而輪輞部分為預(yù)留厚大短矮的坯料；然后，在熱狀態(tài)下用旋輪對輪輞坯料進(jìn)行旋壓加工，形成完整的車輪輪輞；旋壓后毛坯再進(jìn)行熱處理、機(jī)加工和表面涂裝，制造出形性完整的鋁合金車輪。其工藝特點(diǎn)是鑄造時預(yù)制出短粗和適配金屬量的輪輞坯料，使得整體充型和補(bǔ)縮路經(jīng)縮短，通道變寬，鑄造過程更容易控制，鑄造工藝相對普通鑄造輪工藝更簡單，從而得到更加致密的鑄坯；輪輞坯料再通過旋壓成型，進(jìn)一步使縮松、氣孔等鑄造缺陷被壓實(shí)，組織更加致密，使輪輞和內(nèi)輪緣獲得更高強(qiáng)韌性，抗疲勞和抗沖擊能力顯著提升。

鑄旋鋁合金車輪采用與低壓鑄造鋁合金車輪相同的A356合金（AlSi7Mg0.3），該合金是一種具有良好鑄造工藝性能和可熱處理強(qiáng)化成本相對較低的材料，主要用于汽車結(jié)構(gòu)零部件制造。該合金室溫塑性較差，需要對其進(jìn)行加熱，熱態(tài)下的金屬更加容易流動成形。因此，旋壓溫度的選擇對其成形和鋁合金車輪成形質(zhì)量有很大的影響。文獻(xiàn)[14]采用高溫拉伸實(shí)驗(yàn)測定了合金在不同溫度下的力學(xué)性能。得出結(jié)論為，隨著溫度升高，合金的強(qiáng)度下降，塑性提高，特別是在350 ℃時，其塑性隨溫度的升高急劇增加，而強(qiáng)度也快速降低，因此旋壓溫度一般選擇在350 ℃以上。同時若溫度過高，則金屬強(qiáng)度太低，也容易引起待旋壓毛坯與旋壓模具的貼合程度下降，旋壓毛坯處封層支撐力不足，極易引起車輪正面輪輻處的變形和旋輪處粘鋁，影響旋壓外觀質(zhì)量和旋輪壽命，且旋壓時高溫金屬流動不容易控制。因此旋壓成形溫度一般選擇控制在350～380 ℃之間。

將待旋壓鑄造毛坯在加熱爐中加熱到365 ℃，機(jī)械手放置于旋壓芯模上，旋壓芯模轉(zhuǎn)速設(shè)定為450 r/min，旋輪1–3沿著改進(jìn)成形方案中的軌跡線運(yùn)動，并與坯料發(fā)生接觸，直至完成旋壓成形?后進(jìn)行545 ℃固溶及150 ℃時效熱處理（T6熱處理）?圖7為異型旋輪及熱旋壓后車輪毛坯。

圖7 旋輪及旋壓后毛坯

旋輪擠壓金屬流動過程中，金屬沒有按照旋輪工作的方向順暢的流動，存在金屬堆積、反流等不希望出現(xiàn)的工藝現(xiàn)象，尤其是內(nèi)輪緣旋壓成型過程中材料流動受阻而更易出現(xiàn)材料回流的現(xiàn)象。因此，采用上述異型（隨形）旋輪能夠抑制材料回流現(xiàn)象。旋壓毛坯尺寸和外觀完全符合圖紙和過程控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 微觀組織分析

在旋壓毛坯輪輞內(nèi)輪緣部位切取縱向截面的金相試樣，試樣經(jīng)過砂紙研磨、金剛石拋光劑機(jī)械拋光，最后使腐蝕劑侵蝕，腐蝕時間為20 s，腐蝕后用無水乙醇清洗并吹干，使用試驗(yàn)設(shè)備為OLYMPUS DSX500光學(xué)顯微鏡來觀察其圍觀組織。

改進(jìn)成形方案加工后的車輪內(nèi)輪緣部分微觀組織如圖8所示，圖8a和圖8b分別為成形方案A1和成形方案A2的微觀組織。可以看出，近旋輪區(qū)域的組織可以形成良好的金屬流線，晶粒細(xì)化效果明顯，但鑄態(tài)組織仍可在中部和近芯模區(qū)（底部）看到。這兩層的晶粒大小及組織流線分布直接決定了內(nèi)輪緣部分的局部性能。由圖能夠看出，方案A1能夠獲得最佳的變形效果。

圖8 內(nèi)輪緣微觀組織形態(tài)

3.3 機(jī)械性能分析

3.3.1 拉伸性能

從內(nèi)輪緣部分沿切線方向切取棒材拉伸試樣。在室溫下以2 mm/min的速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在測試過程中，載荷、位移和時間都被電子記錄下來。從不同的旋壓成形零件的每個位置抽取2個試樣進(jìn)行測試，以確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

對3種不同成形方案的車輪內(nèi)輪緣性能進(jìn)行比較，如表2所示。

由表2可以看出，與現(xiàn)有成形方案相比，2種改進(jìn)的成形方案均能提高內(nèi)輪緣局部的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率。較慢的進(jìn)給速度可以更好地改善內(nèi)輪緣部位的變形，即A1成形方案提高車輪的整體力學(xué)性能效果較好，內(nèi)輪緣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率均能提高10%以上。此方案結(jié)果滿足了客戶標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過了車輪批量路試，質(zhì)量提升效果明顯。

表2 不同成形方案下的內(nèi)輪緣部位性能

Tab.2 Performances of inner rim under different forming schemes

3.3.2 微觀硬度分布

對不同成型方案中的輪輞中部、內(nèi)輪緣部位近旋輪區(qū)域(上)和近芯模區(qū)域(下)進(jìn)行了顯微硬度測試。在上述3個區(qū)域中隨機(jī)抽取多個數(shù)值。在去除最大值和最小值后，計(jì)算各區(qū)域的平均顯微硬度。

不同成形方案下內(nèi)輪緣部分的平均維氏硬度，如圖9所示。A356鋁合金中的α-Al比共晶硅粒子更軟，如果取樣點(diǎn)位于不同的相會導(dǎo)致硬度的變化。近旋輪區(qū)（上）、中（中）、近芯模區(qū)（下）的顯微硬度分布反映了變形均勻性。Sha等[15]指出，固溶處理使得形狀不規(guī)則的共晶硅顆粒球化，溶解Mg2Si形成均勻的過飽和固溶體，在后續(xù)時效處理過程中，析出在A356基體中的Mg-Si析出相硬度迅速增加。平均顯微硬度隨著塑性應(yīng)變引起的共晶硅相細(xì)化程度的增加而降低，硅尺寸的減小有助于提高合金的力學(xué)性能[16]。從圖9可以看出，下部區(qū)域的顯微硬度最大，其次是中心區(qū)域，上部區(qū)域最小。也就說明靠近旋輪的上部區(qū)域的組織流線明顯，硅的彌散程度更好。數(shù)據(jù)表明，成形方案A1下內(nèi)輪緣三層硬度差最小，所以成形方案A1可以獲得更均勻的變形。

圖9 不同成形方案內(nèi)輪緣處硬度分布

4 結(jié)論

針對鑄旋鋁合金車輪內(nèi)輪緣處性能不足問題進(jìn)行了原因分析，并對提升其性能提出了改進(jìn)方案，提出一種異型旋輪慢給的旋壓特殊成形工藝，結(jié)論如下。

1）增大內(nèi)輪緣處的變形量，提高內(nèi)輪緣局部的變形均勻性，是提高內(nèi)輪緣處力學(xué)性能的重要方法。

2）末端隨形慢給的旋壓工藝可以獲得更大的塑性變形和更好的變形均勻性，內(nèi)輪緣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率均能提高10%以上。

3）內(nèi)輪緣處近芯模區(qū)域的平均顯微硬度最大，其次是中心區(qū)域，近旋輪區(qū)域最小。

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Optimization of Spinning Process for A356 Aluminum Alloy Wheel Rim

ZHANG Li-juan1, CHANG Hai-ping2,LUO Wen-zhe3,HUANG Chang-qing4

(1. Departmentof Environmental Engineering, Hebei University of Environmental Engineering, hebei Qinhuangdao 066102, China; 2. Engineering Technology Research Institute, CITIC Dicastal Co., Ltd., hebei Qinhuangdao 066011, China; 3. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to solve the insufficient performance of the inner rim of A356 cast rotary aluminum alloy wheel and meet the customer's test standards. Taking a wheel as the research object, the main reasons for the low performance of the inner rim under the existing forming process are analyzed, and the key to improve the performance is put forward. On this basis, the spinning wheel shape, spinning forming track and spinning parameters are changed to obtain greater plastic deformation at the inner rim, and the new forming process is verified by hot spinning test. The test results show that the new spinning process can increase the deformation of the inner rim of the spinning rim and make the deformation structure more uniform. The optimization of the spinning process greatly improves the performance of the inner rim, and the mechanical properties are improved by more than 10%, which meets the standards of the main engine factory and has been applied to mass production.

A356 Aluminum Whee；Inner Rim；Spinning；Process Optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.008

TG306

A

1674-6457(2022)10-0056-07

2022–01–27

河北省科技計(jì)劃（16211030）。

張立娟（1979—），女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及環(huán)保設(shè)備自動化。

常海平（1978—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)椴牧霞庸すに嚰霸O(shè)備。