7A04铝合金轮毂挤压成形与模具设计

安徽工程大学本科安徽工程大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）专专 业：业： 材料成型与控制工程材料成型与控制工程 题题 目：目：7A047A04 铝合金轮毂挤压成形与铝合金轮毂挤压成形与 模具设计模具设计 作作 者者 姓姓 名名： 导导师师及及职职称称 ： 导师所在单位：导师所在单位： 20122012 年年 月月 日日 毕业设计（论文）题目毕业设计（论文）题目中文：中文：7A047A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计铝合金轮毂挤压成形与模具设计英文：英文：ExtrusionExtrusion FormingForming TechnologyTechnology andand mouldmould designingdesigning ofof 7A047A04AluminumAluminum AlloyAlloy WheelWheel HubHub 原始资料原始资料1. 习鹏羽，王强.LC4超高强度铝合金轮毂的成形工艺研究.中北大学.0300512. 赖华清,范宏训.汽车铝合金轮毂的成形工艺.金属成形工艺,2002,20(6):38-40 3. Zhang Tingjie,Zhang XiaoMing Structure and properties of Multi-directionally Forged 7075 Aluminum Alloy Northwest Institution For Nonferrous Metal research,Xian 71006,china 2003;20:280-3504. Lee C H,Kobayashi S.Elasto-plastic analysis of plane-strain and axisymmetricflat punch indentationn by the finiteSci,1970;13:349-3705. 李晓敏.我国汽车铝合金轮毂发展现状.轻合金加工技术,2003:12-13106. 张玉勋.铝合金机轮轮毂锻压成形工艺仿真.金属世界,2002(4)7. 日本某公司发布的铝合金轮毂生产工艺视频及对应的日文翻译 毕业设计（论文）任务内容毕业设计（论文）任务内容1、课题研究的意义铝合金具有密度小、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%，汽车的质量每减少 1%，其耗油量将降低 0.6%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，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，锻铝轮毂相比与铸铝轮毂机械性能和力学性能要好的多。铝合金轮毂的锻造方法在国内还有很大的发展空间，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2、本课题研究的主要内容：参考日本某公在网上司发布的视频，并查阅相关文献了解铝合金锻造工艺性以及归纳出锻造铝合金轮毂的具体锻造工艺。设计出锻造工艺过程所需的配套模具3、提交的成果：毕业设计（论文）正文以及模具设计图纸；一篇引用的外文文献及其译文；附不少于 10 篇主要参考文献的题录及摘要。指导教师（签字） 教研室主任（签字）批 准 日 期接 受 任 务 书 日 期完 成 日 期接受任务书学生（签字）安徽工程大学毕业设计（论文）- -I7A047A04 铝合金轮毂挤压成形工艺与模具设计铝合金轮毂挤压成形工艺与模具设计摘摘 要要某车辆轮毂原采用钢铁材料铸造而成，难以有效减重，同时铸造过程存在不可避免的缺陷，直接影响了整车性能。本文针对轮毂加工与使用中存在的问题，开展了铝合金轮毂的加工与应用研究。依据轮毂的机械强度和服役要求，选择确定了 7A04 铝合金作为轮毂的制造材料，并讨论确定了 7A04 铝合金挤压成形工艺参数及热处理规范。轮毂属典型的宽阶梯凸缘厚壁筒形零件，根据轮毂零件的形状特点，结合 7A04 铝合金的成形特性，设计了铝合金轮毂挤压件图，制定了铝合金轮毂反挤压扩口镦挤成形工艺。实验试制结果表明，制定的铝合金轮毂成形工艺及选择的工艺参数是合理的，设计的模具结构是可行的，成功试制出合符要求的铝合金轮毂，为宽阶梯凸缘厚壁筒形零件的成形提供了重要的指导。性能测试结果表明，7A04 铝合金轮毂的抗拉强度达到610615MPa、屈服强度达到 550560MPa，超过了原钢铁轮毂的力学性能指标，且轮毂的重量由 31Kg 减为 11.3Kg（减重 63.5%） ，达到了预期目标，实际中应用取得了良好的效果。关键词：关键词：铝合金，7A04，轮毂，等温挤压孙俊豪：7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计- -IIExtrusion Forming Technology and mould designing of 7A04Aluminum Alloy Wheel HubAbstractA certain wheel hub was made by cast steel, and the wheel hub was overweight. Go with the wheel hub cast process, defect of cast method was came out. The performance of the car which use the wheel hub was fall. This paper focus on the problem during wheel hub process, and develop research in process of aluminum alloy wheel hub.Follow the request of wheel hub mechanics and application environment, chosen 7A04 aluminum alloy to produce wheel hub. Discuss the parameters of 7A04 extrusion forming process and heat treatment criterion of 7A04 aluminum alloy. The wheel hub in this paper belong to kind of wide flange trapezoidal and thick edge barrel figure part. Combine with the wheel hub figure and 7A04 aluminum alloy forming process characteristics, drawing of the aluminum alloy wheel hub was be designed.The process parameter of aluminum alloy wheel hub and wheel hub mold design were reasonable as been show in result of the experiment. We made the wheel hubsuccessful could show us that the process afford a right way to make similar figure parts. The tensile strength of 7A04 aluminum alloy wheel hub attain 610615Mpa and the yield strength attain 550 560MPa, both of performance better than cast steel wheel hub. Comparing with cast steel wheel hub ,aluminum alloy hub reduce weight from 31Kg to 11.3Kg (weight reduction 63.5%). The performance of aluminum wheel hub attain the goal what we want, and competent in real life.Key words: Aluminum alloy, 7A04, Wheel hub, Isothermal extrusions安徽工程大学毕业设计（论文）- -III目目 录录摘摘 要要IAbstract II引引 言言1第第 1 章章 绪论绪论21.1 选题的背景和意义21.2 铝合金在汽车工业中的应用31.3 铝合金车轮的国内外生产现状41.4 精密塑性成形的研究现状41.5 本课题主要研究内容6第第 2 章章 铝合金轮毂成形工艺制定铝合金轮毂成形工艺制定72.1 引言72.2 轮毂材料的选择72.3 7A04 铝合金挤压工艺参数确定82.3.1 挤压温度的确定82.3.2 挤压速率的确定102.3.3 挤压过程的润滑措施102.4 7A04 铝合金的热处理102.4.1 固溶处理102.4.2 时效处理11第第 3 章章 铝合金轮毂成形工艺的制定铝合金轮毂成形工艺的制定123.1 铝合金轮毂挤压件设计123.2 轮毂挤压成形工艺路线确定143.2.1 铝合金轮毂的挤压方式143.2.2 挤压工艺路线的确定15 3.2.3 工艺参数计算153.3 本章小结17第第 4 章章 轮毂成形模具设计轮毂成形模具设计184.1 引 言184.2 7A04 铝合金轮毂成形模具设计184.2.1 反挤压模具设计184.2.2 扩口模具设计21 4.2.3 镦挤模具设计22 4.2.4 模具材料的选择234.3 本章小结23结论与展望结论与展望24致谢致谢25参考文献参考文献26附录附录28孙俊豪：7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计- -IV插图清单插图清单图 2-1 7A04 铝合金塑形图 11图 2-2 铝合金变形温度对流动应力的影响 11图 2-3 7A04 466 ，20min 自然失效硬化曲线 12图 3-1 轮毂零件图 12图 3-2 正挤压件零件设计示意图 反挤压件零件设计示意图13图 3-3 轮毂挤压件零件图 13图 3-4 反挤压件示意图 15图 3-5 轮毂挤压工艺路线图 15图 4-1 凸模设计原则示意图 15图 4-2 反挤压凸模16图 4-3 两层组合凹模设计原则示意图 17图 4-4 反挤压组合凹模 17图 4-5 反挤压模具装配图 17图 4-6 墩挤成形凸模 17图 4-7 扩口模装配图18图 4-8 镦挤成形凸模18图 4-9 镦挤模装配图 19安徽工程大学毕业设计（论文）- -V表格清单表格清单表 2-1 7A04 铝合金各化学成分的质量分数10表 2-2 7A04 的材料性能参数 20表 2-3 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 -引引 言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 -第第 1 章章 绪绪 论论1.1 选题的背景和意义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 0.6%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。1.铸造法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。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 2060kPa7)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。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” 。2.锻造法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 1/29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 M.C.Flemings 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。1.21.2 铝合金在汽车工业中的应用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】。2002 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 42.8 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 2.7g/cm3(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 8.13%，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，随孙俊豪：7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计- - 4 -着电力工业的发展和冶炼方法的改进，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；7080 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 5.44kg【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，2002 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。1.31.3 铝合金车轮的国内外生产现状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 2001 年已经占到 58.5%【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 2001 年两年间铝合金车轮市场占有率增长 7.2%，销售量增长近 700 万只；钢制车轮市场占有率亦下降 7.2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 457.2 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 2003 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1.41.4 精密塑性成形的研究现状精密塑性成形的研究现状安徽工程大学毕业设计（论文）- - 5 -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，降低生产成本，而且可以使金属流线沿零件轮廓合理分布，获得更好的材料组织结构与性能。随着国际市场竞争、知识经济和绿色制造的兴起，作为传统制造业的塑性加工将面临新的挑战，发展先进塑性加工技术已成为时代的需要。精密塑性体积成形技术是在传统成形工艺的基础上逐渐完善和发展起来的。是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之从粗糙变形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的精密塑性成形。它可使成形的机械构件具有准确的外形、较高的尺寸精度和形位精度、较好的表面粗糙度。精密塑性成形技术有以下特点：节材、节能，可缩短产品制造周期、降低生产成本可生产复杂结构零件，为新产品的开发提供有力的技术支持。使金属流线沿零件轮廓合理分布，获得更好的材料组织结构与性能，从而可以减轻制件的质量，提高产品安全性、可靠性和使用寿命。同传统成型工艺相比，可以改善成产条件并减少对环境的污染，成为一种清洁生产技术，为可持续发展创造有利条件。按照成形方法的不同，精密体积成形可分为模锻、挤压、闭塞式锻造、多向模锻、径向锻造、精压、精密碾压、变薄拉伸、强力旋压和粉末成形等。精密塑性成形作为一种先进制造技术，近年来得到了迅速的发展，并在工业中获得了广泛的应用。制造业特别是机械制造业的发展，要求生产过程节约能源、节约材料、提高资源利用率，这已经成为参与国际市场竞争的重要因素。发展应用精密塑性成形技术就是一个有效途径。近年来，我国在锻压方面已经基本掌握了精锻、精冲、温挤等少无切削锻压工艺。目前，人们从金属成形机理上把金属塑性成形分为热成形、温成形和冷成形。温成形主要是在再结晶温度以下，仅有动态回复发生：在再结晶温度以上时，动态回复、动态再结晶同时发生，进行的程度视材料及变形条件而定。塑性成形避免了铸造过程中极易发生的一系列缺陷，温成形综合有冷成形与热成形的优点能够有效地改善产品的综合力学性能。温挤压变形兼有冷热挤压变形的优点，而且避免了它们各自的缺点。与冷挤压相比较，不仅完全继承了生产效率高、节省原材料、改善产品性能等优点，而且由于金属被加热，毛坯的变形抗力比冷挤压时要小，成形比冷挤压时要容易，可使压力机吨位明显降低。如果控制合适，模具的寿命也比冷挤压时要高。与热挤压相比较，较低的温度使得坯料在加热过程中产生过热、氧化、脱碳的可能性大大降低，产品的尺寸精度与表面光洁度得到可靠保证，产品的机械性能也好。我国进行温成形工艺研究涉及的材料有碳素钢、合金结构钢、不锈钢、轴承钢、轻合金等，并陆续在汽车、拖拉机、家用电器、航天航空等领域应用，取得了一些成功经验。在欧美、日本等一些发达国家，温挤压零件已占挤压件的 15%【14】左右。有人预言，温挤压件十年内应用比重将会有一个较大的发展，甚至超过冷挤压件。可以说，温挤压是一项有效的毛坯精化技术，值得大力推广。但是，温挤压技术还很年轻，研究与实践的资料还不十分完整，对温挤压变形过程的基本参数：包括变形温度、变形孙俊豪：7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计- - 6 -程度、变形力、摩擦润滑条件、合理的模具结构、模具材料的选用、产品能达到的精度与性能等缺少全面系统的研究近年来，随着航空航天、交通运输、国防建设的发展，新型轻合金材料的研制和开发日益受到各国的高度重视，铝合金凭借其优异的性能以及低廉的原料价格，促使包括中国在内的世界各国相继投入大量人力物力，进行开发研究，已成为材料研究的一大热门，其研究成果也在各个领域得到应用。将铝合金用于汽车、摩托车结构（特别是高速运动构件） ，能降低车辆自重及燃油消耗，降低车辆的振动和噪声，提高车辆的加减速动力学特性，既能达到节能环保的目的，又能较显著改善车辆的驾乘舒适度。因此，世界各国近年来都加强了铝合金在汽车等交通工具上的应用开发和产业化研究。轮毂作为汽车、摩托车上重量最大的高速运动部件之一，将铝合金用于轮毂，能大幅度降低轮毂重量（减重约 18%24%【15】） 。国内外的许多学者对于这个问题进行了研究，提出了一些可行的方法。日本 Mitsugu Motomura 教授认为，将铸造材料作为原材料进行挤压的工艺。该工艺诞生于 1965 年，当时生产转向节工件时，研究人员曾试用此工艺。在日本，铸造挤压复合成形工艺已开始用于铝合金汽车零件和其他铸铁件的生产上，并广泛用于需要强度高和气密性高的地方。美国用该方法生产了铸铁齿轮和多径凸缘，其强度大大超过了普通铸铁件，为了消除铸锭的原始组织的不均匀性，先对铸锭进行均匀化退火，然后直接塑性变形，既克服了铸造工艺产生的强度不足，又降低了生产成本。目前，发达国家已经用塑性成形工艺生产铝合金轮毂，但其工艺成本高，由于价格因素，铝合金轮毂迄今大多用于载重卡车和高档轿车、摩托车等对驾乘性能要求较高的车辆，难以普及到民用汽摩市场。因此，铝合金轮毂的开发具有重要的现实意义。1.51.5 本课题主要研究内容本课题主要研究内容综合国内外铝合金轮毂制造与精密塑性成形研究的现状和发展趋势，以某车辆铝合金轮毂为研究对象，主要开展以下研究内容：根据轮毂的性能指标及服役要求，分析选择轮毂用铝合金材料，并对选择确定的铝合金材料进行分析，确定其成形工艺参数及热处理规范；根据轮毂的形状特点，结合所用铝合金的成形特性，设计其挤压件的基础上，研究分析铝合金轮毂成形方案，制定挤压成形工艺；设计轮毂成形模具，进行实验性试制，验证数值模拟结果的同时，进一步优化轮毂挤压成形工艺，给出可供工程化应用的轮毂挤压工艺。安徽工程大学毕业设计（论文）- -7第二章第二章 铝合金轮毂成形工艺制定铝合金轮毂成形工艺制定2.1 引 言某车辆轮毂原采用铸钢材料铸造加工而成，严重超重影响了整车的性能。车轮是刚性部件，在中心支撑轮胎，同时与车桥相连，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。本章依据轮毂的外形特点及服役要求，选择轮毂制造的材料，对材料进行相应工艺分析，确定成形工艺参数。合理的优化轮毂的设计方案，制定可供工程化应用的工艺路线。2.2 轮毂材料的选择轮毂的性能直接与整车的许多性能密切相关。原铸造轮毂，导致车辆的机动性大大降低。采用铝合金制备大型客车轮毂、载重车轮毂已经获得了认可，其性能良好、运行平稳。因此采用铝合金作为轮毂制备的材料。超硬铝：是在铝-镁-铜系基础上加入锌而形成的铝合金，进一步提高了合金的机械性能，特别是解决了锌、镁含量高时存在的严重的应力腐蚀问题。其特点是强度高，适用于制造承力结构件。硬铝：硬铝的特点是强度高，在退火及淬火的塑性良好，焊接性良好，可液态压力加工，多数硬铝在淬火+自然时效状态下使用。硬铝适用于制造承受中等或者高负荷的焊接件及结构零件，如飞机骨架、蒙皮、翼梁等。原轮毂的设计服役条件是具有高强度，工作环境温度不高，却要承受较高的载荷。这样需要我们选择一种便于热成形和机械加工，且成型后强度达到要求的铝合金材料，超硬铝的强度在变形铝合金中最高，可达 600MPa700MPa【3】，超过硬铝。此外，在相同强度水平下，其断裂韧性也优于硬铝，同时具有良好的热加工性能。因此铝合金材料选择为超硬铝。原轮毂的设计服役条件是具有高强度，工作环境温度不高，却要承受较高的载荷。这样需要我们选择一种便于热成形和机械加工，且成型后强度达到要求的铝合金材料，超硬铝的强度在变形铝合金中最高，可达 600MPa700MPa，超过硬铝。此外，在相同强度水平下，其断裂韧性也优于硬铝，同时具有良好的热加工性能。因此铝合金材料选择为超硬铝。7A04 铝合金各化学成分质量分数的范围比较宽，7A04 铝合金时效处理后的机械强度高，符合轮毂的工作要求的高载荷环境。根据表 2-1 所示的材料成分，表 2-2 物理性能分析，可知 7A04 可以满足轮毂的加工制造要求，采用 7A04 作为原钢铁铸造材料的替代材料可以达到良好的使用效果。表 2-1 7A04 铝合金各化学成分的质量分数表 2-2 7A04 的材料性能参数7A04单位物理性能室温机械性能ZnMgCuCrMnFeSiAl5.07.01.82.81.42.00.10.250.20.60.50.5剩余部分孙俊豪：7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计- -8熔点液相点：638固相点：510弹性模量（公斤/毫米2）6800密度g/cm32.85剪切模量（公斤/毫米2）2700线膨胀系数10-61/2010023.12020024.12030026.2屈服强度抗拉强度（公斤/毫米2）485456导热系数卡/厘米.秒. 25：0.37100：0.38200：0.39300：0.39400：0.38伸长率%810比热卡/克. 100：0.17200：0.22300：0.24400：0.25泊松系数0.3电阻系数欧姆.毫米2/米0.00420布氏硬度HB1251402.3 7A04 铝合金挤压工艺参数确定一般说来，由于铝合金的流动性差，在金属流动量相同的情况下，挤压过程要比钢多消耗约 30%【16】的能量。所以需要合理地制定挤压过程的工艺参数，以降低变形抗力减小加工难度。2.3.12.3.1 挤压温度的确定挤压温度的确定铝合金的挤压温度范围比较窄，一般都在 150【19】以内，7A04 铝合金的挤压温度范围图 2-1 7A04 铝合甚至不到 100【19】。图 2-1 是 7A04 的塑性图200250300350400450500152025303540455055606570758085变 形形程度（ %）温度 B C图 2-1 7A04 铝合金塑形图（实线是动变形，虚线是静变形）安徽工程大学毕业设计（论文）- -9由图 2-1 可知 7A04 的高塑 右，因此加热过程中温度拟控性范围大约在 350460【21】左制在 420460【23】左右。所以在坯料的加热过程中一定要选择可靠、温度精度控制好的加热设备。在实验中拟采用带精确控温系统的加热炉做为加热设备，并且在轮毂成形过程中辅以热电偶测控温的加热保温装置，以弥补在成形过程中因为模具暴露在室外造成的热量损失，且防止了坯料的起泡、表面开裂等过烧现象的发生。不同锻造温度对 7A04 铝合金的影响见表 2-3【12】表 2-3 不同锻造温度对 7A04 铝合金的影响对于 7A 合金，数是过的固溶随着温度降低，从固溶体中要析出强化相，300时有较多的 S 相、T 相及其它相，导致合金工艺塑性差。温度高于 460时，原子振幅加大，晶界及原子间结合力削弱，合金塑性差。随着温度的升高 7A04 铝合金的晶界会变的越来越不稳定，晶界间的粘合力会变小，所以晶界间的滑移就变得越来越容易，材料的延伸率变大。但是如果变形的温度过高，晶界间会软化，结合力降低甚至有可能出现熔化，因此应选择金属强烈氧化以前的温度范围。当变形的温度达到一定的值时延伸率会降低，一般情况下，随着温度的升高促使晶粒长大，当接近铝合金的过烧温度时，晶粒会严重长大，导致塑性变形能力急剧下降如图 2-2。360380400420440460480500520203040506070流 动应力 Mpa温度 B图 2.2 铝合金变形温度对流动应力的影响2.3.22.3.2 挤压速率的确定挤压速率的确定开端温度/终端温度/RmN/mm2Rp0.2N/mm2A/%锻坯裂纹380开裂40035538928611.642037241930913.044039844333112.646042346834912.048043944932613.0孙俊豪：7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计- -10铝合金流动应力对变形速率变化很敏感，变形速率的增大会引起流动应力的加大。这是因为如果变形速率过大，晶粒内和晶界间的滑移与位错拥塞导致应力集中，变形的流动应力加大。7A04 铝合金一般在低温度范围内变形抗力对变形速度的变化不敏感，而在高温下（挤压温度范围内）则比较敏感，变形速度增大，变形抗力增大。因此过大的挤压速度会造成在轮毂挤压过程中表面开裂，影响产品外观。实验中我们选择机油加一定比例石墨粉的润滑措施，且油膜厚度不超过 0.25mm【1】。但是挤压后的润滑剂的残留物不易去除，嵌在工件表面的石墨粒子可能引起污点、麻坑和腐蚀，因此每次开模后必须清理。挤压时单位挤压力大，要求表面润滑层能够承受高压且不被破坏。因此要求润滑剂在高压下仍能具有良好的吸附性，保证挤压成型过程中能够起到润滑作用。表 2.4 钢与铝合金变形时外摩擦系数（无润滑时）2.4 7A04 铝合金的热处理铝合金的主要热处理工艺。铝合金中的铜、镁、锌等合金元素固溶处理与时效是 7A04 都能溶于铝，形成以铝为基体的固溶体，它们的溶解度都随温度下降而减少。将铝合金加热至较高的温度，保温后迅速冷却，可以获得饱和固溶体。过饱和固溶体在常温放置或者高于常温的温度下保温，将发生脱溶沉淀过程，形成包括 G.P 区在内的各种过渡相或平衡的次生相。由于这些脱溶沉淀产物十分细小，而且与基体共格或半共格，它们的出现可使合金强度大幅度提高。2.4.12.4.1 固溶处理固溶处理1.加热温度：实验的固溶温度为 460【23】，因为接近 7A04 的过烧温度，因此必须防止过烧，要严格控制加热温度。2.保温时间：保温的目的在于使铝合金工件热透，并使强化相充分溶解和固溶体均匀化。影响保温的因素有以下几点：工件的厚度：截面大的半成品以及形变量小的工件，强化相较粗大，保温时间应适当的延长，使强化相充分溶解。塑性变形程度：热处理前的压力加工可以加速强化相的溶解。随着轮毂变形程度增大，强化相尺寸越小，保温时间可以适当的缩短。挤压制品的保温时间应当缩短，以保持挤压效应。原始组织：完全退火的合金强化相粗大、保温时间需增长。经固溶时效的工件，进行重复固溶加热时，保温时间缩短一半左右。综上所述将成形后的工件在 460温度下加热大约四小时，因为加热合金院子会整齐排列2.4.22.4.2 时效处理时效处理合金铁碳合金铝合金变形速度/（mm/s）1111（0.80.9）T熔0.400.350.500.48变形温度（0.50.8）T熔0.450.400.480.45安徽工程大学毕业设计（论文）- -117A04 铝合金淬火后的过饱和固溶体处于不平衡状态，有发生分解和析出第二相的自发倾向，有些合金在常温下便开始进行这种析出过程。自然时效由于温度低，一般只能完成析出的初始阶段。7A04 铝合金的自然时效需要数周甚至数月的时间才能达到稳定阶段，且抗应力腐蚀的能力不如人工时效。0200040006000800010000100150200250300350400450500550600650700750应力 Mpa时 效 时 间/h B C图 2-3 7A04 466 ，20min 自然失效硬化曲线7A04 人工时效温度和时间要严格控制。温度低、时间短，强度达不到峰值则欠时效。温度过高或者时间过长，使合金强度下降则过时效。铝合金自然时效或者在低于100【18】的温度下人工时效后，抗晶间腐蚀能力较强。在较高的温度下进行人工时效，则可以提高合金的抗应力腐蚀能力，对于 7A04 铝合金来说材料的抗腐蚀能力差，因此在时效时的温度为 148163【12】，可以提高轮毂的抗应力腐蚀能力。固溶处理后整齐排列的合金原子失效后由于快速冷却合金原子整齐的固定下来，从而提高了工件的力学性能以及机械性能。安徽工程大学毕业设计（论文）- -12第第 3 章章 铝合金轮毂成形工艺制定铝合金轮毂成形工艺制定3.1 铝合金轮毂挤压件设计轮毂的零件如图 3-1，其凸缘与筒部直径差别大， （3-1）95. 11973791 DD6 . 11973122 DD图 3-1 轮毂零件图且为阶梯形，属典型的宽阶梯凸缘厚壁筒形零件。成形力大，加之铝合金成形易产生粘模现象，给轮毂成形带来较大困难。在挤压成形过程中的金属流动剧烈处过渡圆角半径 R 应尽可能的增大,挤压件上的圆角半径的大小十分重要，任何尖锐的部分都会阻碍金属的正常流动和加剧模具的磨损,圆角选择的原则是在允许的范围内尽量取较大的数值。与挤压方向垂直的受力面应增大斜度 a。为了防止变形抗力急剧增大及延长模具寿命，应控制挤压凹模与凸模间的金属在成形终了时的最小厚度 s 和 b（如图 3-2 所示） 。挤压件的最终尺寸 d 和 D 不能太大或者相差太大，应在允许的变形程度范围内。正、反挤压零件的设计原则示意图 3-2：图 3-2 正挤压件零件设计示意图 反挤压件零件设计示意图如图 3-1 所示轮毂不是轴对称形状，轮毂零件的内孔凸台右侧有凸起而左侧没有，将挤压件设计为如图 3-2 所示的轴对称形式，在降低挤压成形难度的同时也降低了后续机械加工的难度。如果挤压件是不对称形状，在机械加工时不能在车床上装夹只能孙俊豪：7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计- -13采用数控铣加工。因为挤压件尺寸比较大，阶梯比大，因此在挤压过程中可能会产生偏心，竖直方向尺寸为 203mm，在挤压件设计中水平方向留出 3mm 的加工余量，竖直方向留出 15mm的加工余量。挤压件的底厚为 10mm，拔模斜度为 0.5 度21。依据用户对轮毂零件的外形、服役条件等的要求，综合考虑以上条件决定采用挤压成形的方式制造轮毂零件，应该可以满足轮毂要求的高强度和耐久性要求。设计的挤压件图如图 3-3图 3.3 轮毂挤压件零件图安徽工程大学毕业设计（论文）- -143.2 轮毂挤压成形工艺路线确定3.2.13.2.1 铝合金轮毂的挤压方式铝合金轮毂的挤压方式根据前一章所确定的轮毂材料将 7A04 钢坯按照轮胎的宽度和规定的长度进行切割，为了提高工艺塑形和尽量减小变形抗力，根据合金相图选择合金处于单相区内变形来确定其锻造温度范围，其原理是单相合金塑形最好因此变形抗力最小。对于可热处理强化的铝合金，尽管热处理参数对锻件的组织和性能起决定性的影响，但是，工厂生产实践表明，锻件的锻后组织直接影响锻件的热处理后的组织和性能；因此，对于热处理可强化的铝合金，锻造温度仍然是取得最佳锻件组织和性能的重要因素。变形温度对于铝合金之所以有如此重要的作用，是因为加热或锻造温度过高锻件将形成粗晶组织；若锻造温度过低，锻件产生加工硬化，在随后的热处理过程中，局部加工硬化区域的启动能大，首先产生再结晶，随后晶粒急剧长大形成粗晶，从而降低锻件性能。根据以上原理再将坯料在 480加热使其变软，根据以往的轮毂实验经验，铝合金轮毂的成形变形抗力大，可以采用实验室设备：4-THP61-6300KN 液压机，公称压力 6300KN，压力-位移测试系统对铝合金轮毂进行挤压成形。在挤压过程中，被挤压金属在变形区能获得比其他成形方式更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，这就充分发挥被加工金属本身的塑性，所以 7A04 挤压铝轮毂的承受冲击力，剪切力，拉伸载荷等性能参数均大大高于传统铸造法的铝轮毂，挤压铝轮毂的成品表面无气孔，比强度高。可以制备出综合机械性能更强的挤压成形轮毂。7A04 铝轮毂挤压成形后的轮毂水平方向可以只留下 35mm 的机械加工余量，比传统的低压铸造的方式减少机械加工材料约 50%左右，大大减小了材料的浪费16。本铝合金轮毂应严格控制粗晶环缺陷,因此反向挤压具有非常大的优势。与正向挤压相比,反向挤压（反挤的示意图如图 3-4 所示）可降低挤压 3040%,提高挤压速度 0.151 倍, 提高成品率 1020% ,制品的尺寸精度高,组织和性能均匀。在模具设计的过程中注意凸模的圆角过渡和拔模斜度,可以获得合格的反挤压件。轮毂采用的 7A04 铝合金材料强度大，所以变形抗力也会大。因此在成形过程中设计两层组合凹模，以组合模的形式加强凹模的承力强度。模具工作部分采用不同的结构形式,对单位挤压力的影响也不同。因此,其对许用变形程度值也有较大的影响。毛坯表面软化及润滑处理将严重影响到单位挤压力的大小,因此在轮毂成形过程前保证良好的润滑措施。1-凸模 2-工件 3-凹模图 3-4 反挤压件示意图孙俊豪：7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计- -15由于轮毂零件的材料为超硬铝合金 7A04,其供应状态存在较大的偏析，强度虽高但塑性差,难以进行大变形量的反挤压成形加工。因此对毛坯需进行充分的均匀化处理,以提高塑性和降低变形抗力。如此可满足反挤压成形工艺的要求。反挤压制品零件的精度高，制品表面的质量也较好。针对我轮毂零件对后续装配位置的要求，选择挤压成形是可行的。3.2.23.2.2 挤压工艺路线的确定挤压工艺路线的确定轮毂的成形工艺采用大变形、等温多次变形。下料后反挤成一定高度的筒形件，扩口为后续的镦挤做好准备，最后依照挤压件图的外形要求镦挤阶梯型宽凸缘。工艺路线为：下料反挤压扩口镦挤精整热处理机加。如图 3-5 所示： 图 3-5 轮毂挤压工艺路线图3.2.3 工艺参数计算工艺参数计算挤压坯料尺寸确定根据挤压件图并按照毛坯体积等于挤压件体积的原则，挤压后还要进行切削加工，所以计算毛坯体积时要加上修边余量，即： （3-VpVsV02）V0-毛胚体积Vp-挤压件体积Vs-修编余量体积根据挤压零件的尺寸计算得出：毛胚体积是 6890000 立方毫米，挤压零件的最终重量约为 19.3Kg。坯料直径的大小直接会影响到凸模在成形过程中的总功的大小，实验中的材料选择为 190mm 的 7A04 棒料。7A04 铝合金塑性性能的好坏和原始坯料的制作方式以及原始坯料的组织状态有着非常密切的关系。7A04 材料的坯料不一定要在变形过程前就具有大量细化的晶粒，据资料显示在7A04 铝合金变形超过 20%50%时晶粒就会出现细化现象，7A04 在塑性成形过程中也会发生动态再结晶、等轴化、组织均匀化等现象。因此在坯料的选择时晶粒越细小、等轴化高、组织均匀的材料被认为具有最好的塑性变形能力。坯料选择为由哈尔滨东轻特种材料有限公司提供的 7A04 棒材，下料在全自动带锯床上进行，锯切成的棒料作为轮毂的坯料，挤压前对毛坯进行表面清理，将毛坯上所有毛刺、油污、铝屑及其它脏物去除。反挤压变形程度安徽工程大学毕业设计（论文）- -16挤压件的形状和尺寸，毛坯的体积确定后，计算变形程度，挤压加工中表示变形程度的大小有很多方法如断面收缩率、挤压比等，本试验采用挤压比表示。反挤压变形程度的计算： （3-202020dDDR反3）D0-毛胚外径d0-挤压件内径R反-挤压比从上式可以计算出= （3-202020dDDR反67. 11251921972224）经换算断面收缩率: （3-%1 .40%10011反RA5）断面收缩率在许用范围内。反挤压力：综合考虑影响变形抗力的各种因素，当单位压力超过模具材料的许用单位压力时，应采用多次成形或者采用材料变形抗力较小的挤压，否则模具将会损坏。温挤压模具钢的许用单位挤压力一般为2000MPa2500MPa12，本实验挤压力计算采用经验公式：本公式适合于平底凸模反挤压,（b取为 16.5 Mpa)采用直接反挤压成形挤压力估算如下： 12 bddDP2118785. 0（3-6）P-反挤压的挤压力（KN）D-反挤压凹模的工作直径（mm）d-反挤压凸模的工作直径（mm）b-挤压终了时金属的强度极限（Mpa）本公式适合与平底凸模反挤压， （b取为 16.5Mpa）采用直接反挤压成型挤压力估算如下： （3-bddDP2118785. 07）=0.7858+1/(197/125-1) 1252216.510-3=1970.4KN可采用型号为 630T 压力机,公称压力为 6300 KN, 所需的挤压力小于设备提供的压力，3.33.3 本章小结本章小结选择确定了 7A04 铝合金作为轮毂的制造材料，并讨论确定了 7A04 铝合金挤压成形工艺参数及热处理规范。孙俊豪：7A04 铝合金轮毂挤压成形与模具设计- -17轮毂凸缘与筒部直径差别大，根据轮毂零件的形状特点，结合 7A04 铝合金的成形特性，设计了铝合金轮毂挤压件图，制定了铝合金轮毂反挤压扩口镦挤成形工艺安徽工程大学毕业设计（论文）- -18第第 4 章章 轮毂成形模具设计轮毂成形模具设计4.1 引引 言言温挤时由于需要将毛坯加热，因此，在连续生产时模具的温度比冷挤时升