7a04铝合金轮毂挤压成形与模具设计(编辑修改稿)

7a04铝合金轮毂挤压成形与模具设计(编辑修改稿)内容摘要：

25 参考文献 26 附录 28 孙俊豪： 7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计 IV 插 图清单 图 21 7A04 铝合金 塑形图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11 图 22 铝合金变形温度对流动应力的影响 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 11 图 23 7A04 466℃ ， 20min 自然失效硬化曲线 „„„„„„„„„„„„„„ 12 图 31 轮毂零件图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 12 图 32 正挤压件零件设计示意图 反挤压件零件设计示意图 „„„„„„„„„ 13 图 33 轮毂挤压件零件图 „„„„„„„„„„„„„ „„„„„„„„„„„ 13 图 34 反挤压件示意图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 15 图 35 轮毂挤压工艺路线图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 15 图 41 凸模设计原则示意图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 15 图 42 反挤压凸模 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 16 图 43 两层组合凹模设计原则示意图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 17 图 44 反挤压组合凹模 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„ „„„„„„ 17 图 45 反挤压模具装配图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 17 图 46 墩挤成形凸模 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 17 图 47 扩口模装配图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 18 图 48 镦挤成形凸模 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 18 图 49 镦挤模装配图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 19 安徽工程大学毕业设计（论文） V 表格清单 表 21 7A04 铝合金各化学成分的质量分数 „„„ „„„„„„„„„„„„„„„„„ 10 表 22 7A04 的材料性能参数 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ „ 20 表 23 不同锻造温度对 7A04 铝合金的影响 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 23 安徽工程大学毕业设计（论文） 1 引 言 锻造是铝轮毂应用比较早的成形工艺之一。 锻造铝轮毂具有强度高、抗蚀性、尺寸精确、加工量小等优点，一般其重量仅相当于同尺寸钢轮的二分之一或更低一些。 锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致，其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。 同时 ,性能具有很好地再现性 ,几乎每 个轮毂具有 同样的力学性能。 锻造铝轮毂的典型伸长率为 12%～ 17%， 因而能很好地吸收道路的振动和应力。 通常，铸造轮毂具有相当强的承受压缩力的能力，但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远不如锻造铝轮毂。 锻造轮毂具有更高的强度重量比。 另外，锻造铝轮毂表面无气孔，因而具有很好的表面处理能力，不但能保证表面涂层均匀一致，结合牢靠，而且色彩也好。 目前国内生产铝制轮毂的方法主要有铸造法、锻造法、冲压法以及旋压法等。 我国铝合金轮毂制造以低压铸造为主，一些先进的制造工艺还未采用。 但铝合金轮毂的制造技术在不断发展，为了提高其性 能，现在向挤压铸造（液态模锻）成形、半固态模锻成形方向发展趋势。 随着世界汽车轻量化进程的加快，国际汽车市场竞争日趋激烈，节能化、轻量化成为我国汽车工艺发展的必然趋势，目前轻合金轮毂主要为铝合金轮毂，镁合金轮毂尚处于起步阶段，而铝合金轮毂生产方法有了较大的进步。 因此，加强对汽车铝合金轮毂生产制造的研究是很有必要的。 本文通过对汽车轮毂典型的制造方法分类、通过选择典型的应用案例，分析案例的理论信息，归纳出铝合金轮毂反挤压、扩口、墩挤以及热处理等工艺方法以及各个工艺过程所配套的模具，这是一个有意义的尝试。 孙俊豪： 7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计 2 第 1 章 绪 论 选题的背景和意义 某轮式车辆研制阶段出现严重超重的现象，难以达到设计技术指标，其主要原因之一就是轻质材料应用不够。 作为主要承载部件的轮毂，在整车中数量多，占整车重比例大。 国内一直采用钢铁材料铸造生产，难以有效减重。 同时，铸造过程中难以避免的缺陷，直接影响了整车性能。 在车辆轻量化和悬挂性能要求日益提高的今天，减轻车轮重量，已成为轮式车辆研究中非常重要的课题。 铝合金具有密度小、导电性好、耐蚀性强、散热性能好、比强度高和易于进行多种加工等优点，是用于制造车轮等的良好减振 材料。 可大幅度减轻重量，降低启动和行驶惯性，提高加速和减速性能，减少油耗；同时减少行驶过程中的振动，有利于提高整机运行速度，改善操作稳定性。 与钢制轮毂相比，铝合金轮毂具有如下优点 :重量轻，可比钢制车轮毂重量减轻30%～ 40%[4]，汽车的质量每减少 1%[4]，其耗油量将降低 %～ 1%[1]；减震性能好 ,吸收冲击能量强 ,从而可以改善车辆的行驶性能，提高安全性；导热性好，热导率约为钢 3倍 [2]，可以降低轮胎的工作温度 ,提高轮胎的使用寿命；外形美观 ,采用不同工艺生产铝合金轮毂的结构可以多样化，可以很好地满足 各类使用者的审美要求。 铝合金轮毂的成形方法有很多，主要可分为铸造法和锻造法。 ⑴金属重力铸造法 金属重力铸造法是指在常压下，液体金属靠重力作用充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法，这也是一种古老的铸造方法。 由于金属液在金属铸型中冷却速度较快，因而铸件比砂型铸造的组织致密，该法工序简单 ,生产效率高，设备投资少，生产成本较低 .适用于中小规模生产。 但此方法生产的铝轮毂内部质量较差 ,缩孔缩松严重，浇注过程中氧化膜和熔渣等夹杂物易卷入铸件，有时也会卷入气体而形成气孔缺陷，同时金属液的收得率也较低。 ⑵金属 低压铸造法 低压铸造是用干燥、洁净的压缩空气将保温炉中的铝液自下而上通过升液管和浇注系统平稳地上压到铸造机模具型腔中，保持一定压力 (一般为 20～ 60kPa[7])直到铸件凝固后释放压力。 因在压力下充型和凝固 ,所以充填性好 ,铸件缩松少 ,致密性高。 该法中 ,坩埚表面的氧化膜不会被破坏，与其它铸造方法比较，气孔和夹渣缺陷少，产品内部质量好。 由于低压铸造利用压力充型和补充 ,大大简化了浇冒系统的结构，使金属液收得率大大提高，一般可达 90%[3],而金属型重力铸造仅 40%～ 60%[8]。 目前低压铸造已成为铝轮毂生产的首 选工艺，日本的丰田汽车公司、东京轻合金制作所、美国福特汽车公司的 Wiru 厂和 Amcast 工业有限公司的 Wheel Tek 分公司等均采用此工艺生产铝轮毂，国内的铝合金轮毂制造企业多数也采用此工艺生产，现有数十家企业用低压铸造工艺生产铝合金汽车及摩托车轮毂。 低压铸造法的缺点是铸造时间较长，加铝料、换模具费时间，设备投资大，低压铸造机使用的升液管成本较高且易损坏。 ⑶压力铸造法 压力铸造的实质是使液态金属在高压作用下以极高的速度充填型腔 ,并在压力作用安徽工程大学毕业设计（论文） 3 下凝固而获得铸件的一种方法。 采用压铸工艺生产的铸件组织致密 ,机 械性能好，强度表面硬度较高，铸件的尺寸精确、表面光洁。 但传统压铸工艺生产的铝轮毂最大的缺点是不能通过热处理来进一步提高性能，由于液体金属充型速度极快，型腔中的气体很难完全排除，常以气孔形式存留在铸件中，这些铸件孔隙中的气体在热处理过程中会发生膨胀，使得铸件“起泡”。 ⑴常规锻造法 锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一。 锻造铝轮毂具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点，一般情况其重量仅相当于同尺寸钢轮的 1/2[9]或更低一些。 锻铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致，其强度、韧性与疲劳强度均显著优 于铸造铝轮毂。 锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多 ,生产成本比铸造的高得多 ⑵半固态模锻法 在金属凝固过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到 20%[5]左右时 ,枝晶就形成连续网络骨架 ,失去宏观流动性。 如果在金属凝固过程中施以强烈搅拌 ,可使常规凝固时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而成为分散的颗粒悬浮在剩余液相中，这种经搅动制的合金一般称为非枝晶半固态坯料 ,这种半固态坯料在固相率达到 50%～ 60%[10]时仍具有很好的流动性，可以采用常规的成形工艺如压铸、模锻、挤压等实现金属的成形，这就是 20 世纪 70 年代初由美国 麻省理工学院 教授等开发出的一种新型的金属加工工艺半固态金属成形工艺。 半固态模锻件表面平整光滑、内部组织致密，晶粒细小，力学性能高于压铸和挤压铸造件；成形不易裹气，宏观气孔和显微疏松比常规铸件中的少得多；成形温度低，模具寿命长。 现在有向液态模锻成形、半固态模锻和模锻成形方向发展趋势。 车轮是刚性部件，是行驶系统中重要的传递动力部件，应具有较高的强度和刚度。 铸造轮毂有其固有的缺陷，采用挤压成形的轮毂机械性能高、综合性能更好。 铝合金在汽车工业中的应用 铝合金就是自 20 世纪 70 年代 以来快步走入汽车工业领域的一种材料。 铝合金进入汽车工业领域后发展迅猛，用量逐年增加。 目前，全世界耗铝量的 12%～ 15%以上用于汽车工业 ,有些发达国家已超过 25%【 10】。 2020 年 ,整个欧洲汽车工业一年消耗了 150 万吨以上的铝合金，其中大约 25 万吨用于车身制造， 80 万吨用于制造汽车传动系，另有 万吨用于制造汽车行驶机构和悬挂机构。 可以看出 ,汽车制造工业已成为最重要的铝材料消费大户。 铝的比重很小，仅为 (属轻金属 )，大致为钢的 1/3。 但其在地壳中的蕴藏量却极为丰富，约占地壳重量的 %，为钢铁蕴藏量的一倍多。 全球铝的年产量在非铁合金中居首位，仅次于钢铁。 向铝中加入某种或某几种元素后即构成铝合金，铝合金相对于纯铝可以提高强度、硬度、疲劳性能等材料综合性能。 某些铝合金的强度甚至高于普通结构钢，现已有抗拉强度超过 600Mpa 的超高强度高韧性铝合金材料。 铝合金及其加工材具有一系列优良特性，诸如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等。 另外 ,虽然多数铝合金的强度在高温条件下下降很快，然而在低温下，随着温度的 下降，在 0℃以下铝及铝合金材料的强度反而会增加，因而成为一种优良的低温金属材料 【 12】。 人类自从 1886 年美国 Cm霍尔发明了熔盐电解制取电解铝的方法后，人们便一直没有停止对这种具有良好的综合性能的金属的研发和生产，随着电力工业的发展孙俊豪： 7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计 4 和冶炼方法的改进，铝的生产量逐年大增而成本不断下降。 早期 ,铝的价格非常昂贵，同时产量很低。 在汽油充足、便宜的年代，它被排斥在汽车工业和其他制造工业之外。 铝合金的大量使用始于第二次世界大战，战争期间 ,铝合金作为重要的战略物资被用于制造飞机，航空铝材市场的发展促使了铝合金应用的第一次 大幅增长；战后六、七十年代，铝合金在建筑行业得到大量的应用，建材铝合金市场的逐渐成熟又给铝合金的应用带来第二次大的发展； 70～ 80 年代铝制包装物 (铝罐、铝箔、铝容器等 )的大量使用使铝合金市场出现了第三次大的飞跃； 1973 年第一次全球石油危机后，石油价格暴涨。 美国则在 1975 年和 1978 年根据能源法分别制定了平均燃油规则 (CAF )和汽油消费车税法(GGT)，对燃油耗用进行了立法限制，凡产品未达到规定标准的均予以重罚。 石油危机对整个汽车工业带来了巨大的冲击，各国纷纷开发和应用车用铝合金技术以节省能源和降低汽车 燃料消耗 ,从而出现了铝合金材料应用的第四次高峰。 最早把铝材运用到汽车上的是印度人 ,据记载， 1896 年印度人率先用铝制做了汽车曲轴箱。 进入二十世纪早期，铝主要在制造豪华汽车和赛车上有一定的应用 ,铝制车身的汽车开始出现，如亨利福特的 ModelT 型汽车和二、三十年代欧洲赛车场上法拉利360 赛车都是铝制车身。 在二战期间，每辆汽车平均用铝仅 【 13】 ，至 1971 年已增加到 35kg【 13】 而在最近 10 年中，铝的使用量又增加了 2倍多。 据美国金属市场的统计，2020 年平均每辆汽车的用铝量已 133kg【 13】 左右，由于我国汽车市场发展快，需求潜力大，加之跨国公司的采购量、出口量迅猛增长，使我国铝合金车轮行业迎来大发展的良好机遇期。 铝合金车轮的国内外生产现状 国外铝合金轮毂制造业在 20世纪 70年代得到了快速的发展。 如北美轻型车铝轮毂，1987 年只占 19%【 12】 ，到 2020 年已经占到 %【 12】 ；日本轿车装车率超过 45%【 12】 ；欧洲超过 50%【 12】。 一般企业最小生产规模不低于年产 120 万只，产量大的企业超过 1000 万只。 只有批量生产规模大，才能有较高的经济效益，才能支撑其不断提高竞争力。 北美 铝合金车轮市场发展具有代表性。 从单纯的生产成本比较，目前仍是钢制轮毂最便宜，但从轻量化和现代轿车产品的整体结构发展来考虑，镁合金轮毂的应用是必然趋势。 就目前来说铝合金轮毂有一定的发展潜力。 1999 年到 2020 年两年间铝合金车轮市场占有率增长 %，销售量增长近 700 万只；钢制车轮市场占有率亦下降 个百分点，销售量减少近 300 万只。 1981 年，美国凯泽铝及化学公司用挤压方法首次生产铝合金轿车整体轮毂，其直径为 毫米，用于装备 80年代中期前轮驱动的小型轿车。 随着我国汽车市场的快速发展，不断引进技 术，铝合金车轮的制造和应用也得到了迅猛的发展。 1988 年我国第一家铝合金车轮企业戴卡轮毂制造有限公司成立；进入 20 世纪 90 年代，广东南海中南铝等一批铝合金车轮制造企业迅速建立起来，铝合金车轮迅速在我国得到推广。 到 2020年，我国摩托车装车率超过 55%，汽车装车率超过 50%。 铝合金车轮轻量化、大直径、宽轮辋方向发展。 锻造铝合金轮毂在北美的主要竞争对手只有少数的几家，这就给新公司的发展提供了进入市场的契机。 两一方面，在锻造铝合金轮毂的使用上，重型车的市场会远远超过轿车和轻型卡车的市场。 在中国国内的重型卡车的铝轮 毂还在起步阶段，这应该是锻造铝合金轮毂在国内拓宽市场的好机会 精密塑性成形的研究现状 当前世界以净成形和近净成形为目标的加工技术，已经在工业发达国家得到迅速的安徽工程大学毕业设计（论文） 5 发展并发挥着重要的作用。 精密塑性成形技术已经在较大的程度上实现了近净成形，即制造接近零件形状的工件毛坯，较传统的成形技术减少了后续工序的切削量，减少了材料、能源的消耗。 其发展趋势是实现净成形，即直接制成符合形状要求的工件。 精密塑性成形不但可以节材、节能、缩短产品生产周期，降低生产成。