7A04铝合金轮毂挤压成形与模具毕业设计.docx

7A04铝合金轮毂挤压成形与模具毕业设计.docx

《7A04铝合金轮毂挤压成形与模具毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《7A04铝合金轮毂挤压成形与模具毕业设计.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

7A04铝合金轮毂挤压成形与模具毕业设计

7A04铝合金轮毂挤压成形工艺与模具设计

摘要

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610～615MPa、屈服强度达到550～560MPa，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：

铝合金，7A04，轮毂，等温挤压

ExtrusionFormingTechnologyandmoulddesigningof7A04

AluminumAlloyWheelHub

Abstract

Acertainwheelhubwasmadebycaststeel,andthewheelhubwasoverweight.Gowiththewheelhubcastprocess,defectofcastmethodwascameout.Theperformanceofthecarwhichusethewheelhubwasfall.Thispaperfocusontheproblemduringwheelhubprocess,anddevelopresearchinprocessofaluminumalloywheelhub.

Followtherequestofwheelhubmechanicsandapplicationenvironment,chosen7A04aluminumalloytoproducewheelhub.Discusstheparametersof7A04extrusionformingprocessandheattreatmentcriterionof7A04aluminumalloy.Thewheelhubinthispaperbelongtokindofwideflangetrapezoidalandthickedgebarrelfigurepart.Combinewiththewheelhubfigureand7A04aluminumalloyformingprocesscharacteristics,drawingofthealuminumalloywheelhubwasbedesigned.

Theprocessparameterofaluminumalloywheelhubandwheelhubmolddesignwerereasonableasbeenshowinresultoftheexperiment.Wemadethewheelhub

successfulcouldshowusthattheprocessaffordarightwaytomakesimilarfigureparts.Thetensilestrengthof7A04aluminumalloywheelhubattain610～615Mpaandtheyieldstrengthattain550～560MPa,bothofperformancebetterthancaststeelwheelhub.Comparingwithcaststeelwheelhub,aluminumalloyhubreduceweightfrom31Kgto11.3Kg（weightreduction63.5%）.Theperformanceofaluminumwheelhubattainthegoalwhatwewant,andcompetentinreallife.

Keywords:

Aluminumalloy,7A04,Wheelhub,Isothermalextrusions

摘要

Abstract

1.1选题的背景和意义2

插图清单

图2-17A04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2-37A04466℃，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

表格清单

表2-17A04铝合金各化学成分的质量分数……………………………………………………10

表2-27A04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

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。

第1章绪论

1.1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

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WheelTek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

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。

1.2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；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。

1.3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

1.4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：

⑴节材、节能，可缩短产品制造周期、降低生产成本

⑵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。

⑶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。

⑷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MitsuguMotomura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