轻量化镁合金轮毂 生产工艺研究

摘要：本文介绍了一种镁合金轮毂轻量化生产工艺。该生产工艺主要包括两部分，一部分是镁合金轮毂的锻压成型工艺，涉及多次锻压及温度调整；另一部分是锻压轮毂的机加工工艺，涉及机加工和热处理工艺。通过疲劳、材料试验数据，验证了采用该生产工艺生产的镁合金轮毂满足可靠性要求。

关键词：镁合金；轮毂；轻量化；生产工艺

1 镁合金材料性能及在汽车领域的应

镁合金材料具有重量轻、强度高、弹性模量佳、吸震减振好、能全部回收利用的特点，采用镁合金材料制造汽车轮毂是继铝合金材料后最佳的轮毂材料，能提高汽车的操控性能、加速性能和制动性能，且能省油10%至14%[1]。

相对传统的铝合金轮毂，镁合金轮毂具有重量更轻、力学性能更好等优势；随着汽车轻量化和汽车工业节能减排环保的要求，越来越多的镁合金轮毂被应用于汽车上。

2 镁合金轮毂的成型工艺现状

由于镁合金材料的晶粒粗大且晶格呈六角方形排列，在常温下晶粒位错滑移度很低,难以塑性变形；在高温塑性变形时，变形温变范围较窄，且对变形速率、变形速度的控制要求十分敏感[2]。

当前技术背景下，镁合金汽车轮毂多采用铸造成型工艺，其生产效率较高，铸造设备技术成熟。

比较成熟的镁合金汽车轮毂成型生产工艺，有上海交大轻合金研究所的低压铸造法[3]，还有中北大学的先铸后锻二步法，虽然生产效率较高，但是存在较多问题，例如镁合金汽车轮毂组织不够致密，组织成份不够均匀，以及成型轮毂机械强度较低等缺点[4]。

因此，设计一种生产效率高，实现镁合金汽车轮毂组织致密、成份均匀和机械强度较高的镁合金汽车轮毂锻造方法，成为亟待解决的技术问题。

3 镁合金轮毂毛坯的锻造成型

鉴于上述镁合金材料的材料性能，本文以AM81M牌号镁合金为例，介绍镁合金轮毂加工工艺。主要分为轮毂毛坯锻造成型工艺和精机加工工艺。

1.镁合金轮毂的锻造工艺

本文提供了一种生产效率较高，能够提高镁合金汽车轮毂组织致密性，获得组织成份均匀、机械强度较高的镁合金汽车轮毂锻造生产工艺。

具体锻造生产工艺如下：

步骤一，将镁合金棒料加工成圆柱形毛坯，毛坯形状示意图见图1-1，经过毛坯加热炉中加热，毛坯炉加热温度控制在350℃至410℃范围内，预热1-1.5小时；提前对锻造模具预热，模具预热3-4小时，使模具表面温度达到380℃±10℃。

步骤二，转运加热后镁合金棒料进入到初锻工序，将镁合金棒料从加热炉中取出通过转运装置快速转运至初锻工序。同时，将加热后的模具安装到初锻液压锻造机（4000吨） 的底座上，启动液压锻造机将镁合金棒料锻压成盘状毛坯，锻压时间控制在30s，成型后盘状毛坯示意图见图1-2。

步骤三，初锻工序完成后，对盘状毛坯进行初成型锻压。将盘状毛坯通过转运装置转运到中间加热炉中加热，中间炉加热温度控制在350℃至410℃；提前对初成型锻造模具预热，模具预热3-4小时，使模具表面温度达到380℃±10℃；启动初成型液压锻造机（4000吨） 将盘状毛坯锻成初成型轮毂，初成型轮毂示意图见图1-3。

步骤四，初成型锻压工序完成后，对初成型轮毂进行精成型锻压，将初成型轮毂通过转运装置转运到精成型中间炉中加热，加热温度控制在350℃至410℃；提前对精成型锻造模具预热，模具预热3-4小时，使模具表面温度达到380℃±10℃；启动精成型液压锻造机（6000吨） 将初成型轮毂锻压成精成型轮毂，精成型轮毂示意图见图1-4。

步骤五，精成型锻压工序完成后，对精成型轮毂进行精准成型锻压，将精成型轮毂通过转运装置转运到精准成型中间炉中加热，加热温度控制在350℃至400℃；启动精准成型液压锻造机（6000吨），将精成型轮毂锻成精准成型轮毂，精准成型轮毂示意图见图1-5。

图1 镁合金轮毂的锻造工艺图

步骤六，精准成型轮毂通过转运装置转运到加热炉中加热，加热温度控制在380℃至410℃；然后对精准成型轮毂进行轮辋旋压定型，将精准成型轮毂通过转运装置转运到镁合金汽车轮毂成型模具上，进行轮辋旋压定型，完成镁合金汽车轮毂的锻造。

采用上述锻压工艺加工成型的镁合金轮毂，内部组织致密，表面无裂纹、折叠金属等锻压缺陷。

2.镁合金轮毂毛坯的锻造成型优点

该镁合金汽车轮毂锻造生产工艺，在锻造过程中通过加热炉对镁合金棒料、初成型模对盘状坯料、精成型模对初成型轮毂、精整型模对精成型轮毂和转接台对精整型轮毂进行加热，并通过多个转运装置进行转运，缩短了锻造时间，生产效率较高，且镁合金汽车轮毂组织致密和成份均匀、机械强度较高。

4 镁合金轮毂锻造后的轻量化机加工及热处理工艺

与铝合金及黑金属相比较，镁合金具有良好的切削加工性能[5],可以在高切削速度和大进给量情况下进行强力切削，采用这种方式可以提高镁合金轮毂的机加工效率；但是采用这种加工方法的同时，会造成镁合金轮毂产生较大的应力变形，所以需要采用相应地热处理工艺，消除应力，减少轮毂变形。

1.镁合金轮毂锻造后的轻量化机加工工艺

通常情况下，成品镁合金轮毂重量只有5~6kg；而锻造成型后的镁合金轮毂毛坯重量约为8~9kg，所以还需要进一步对锻造后的镁合金轮毂进行切削加工，去除多余的金属，获得轻量化轮毂[6]。因为轮毂的轮辋约占整只轮毂重量的60~70%，所以，轻量化加工方法主要涉及轮毂的轮辋减重。

下面以镁合金轮毂轮辋机加工为例，简述采用CNC立车加工锻造镁合金轮毂轮辋的工艺，具体工艺详见表1。

表1 锻造镁合金轮毂轮辋CNC机加工工艺

由表1可见，轻量化轮毂轮辋的机加工工艺，包括对锻压后轮毂粗机加工，然后经过两次精机加工，最后对轮毂进行第三次精加工。

在粗机加工工序中，因为去除的金属比较多，所以CNC机床的转速通常选取得较低，控制在1500r/min以下，采用这种机加工工艺，可以最大限度地减少轮毂轮辋变形。为了减少轮辋变形，在第一次精机加工序和第二次精机加工序中，同样将CNC机床的转速控制在1500r/min以下。

需要注意的是，镁合金在机加工过程会产生较大的热量，而镁合金的燃点小于熔点，根据生产经验，当镁合金切削屑的温度达到其熔点600℃时会与空气中的氧气相结合[7]，发生燃烧现象。因此镁合金轮毂机加工时要合理地采用切削液，尤其是在第三次精加工时，要加大切削液供应量，降低切削屑的温度；同时， 主轴转速尽量控制在3000-4000r/min，减少镁合金加工时产生的热量，避免镁合金燃烧，发生安全事故。

2.镁合金轮毂锻造后机加工过程中的热处理工艺

镁合金轮毂在机加工过程中因切削产生的变形量，可以通过特定的热处理工艺进行校正。通常在镁合金轮毂粗机加工序后采用特定的热冷循环处理工艺，消除因应力产生的变形，减少轮毂的后续机加工误差。

在轮毂的粗机加工序后，采用的热处理工艺包括：

步骤一，将镁合金轮毂热处理去应力温度设定在140-150℃，保温时间为6小时，随炉冷却至室温；

步骤二，随炉冷却至室温后，进行冷处理。冷处理方法为，在低温-40℃环境下保持4小时；

步骤三，冷处理后，将轮毂在室温下中保持4小时；

步骤四，在室温下中保持4小时后，继续在低温-40℃环境下保持4小时，然后在室温下保持4小时。

经过大量生产数据验证，采用该热处理工艺，可以有效地消除因机加工产生的机械残余应力，减少轮毂变形量。

5 镁合金与铝合金轮毂在可靠性及材料试验中的对比

通过轮毂弯曲疲劳试验验证，当弯曲载荷在5.73kN*m 时，镁合金轮毂的疲劳寿命/循环次数可以达到75万LC，而铝合金轮毂的疲劳寿命/循环次数只有13万LC，详见图2。

图2 镁合金与铝合金轮毂的疲劳寿命/循环次对比

通过材料试验验证，以AM81M牌号镁合金做成的轮毂，其极限抗拉强度≥300MPa，硬度≥70HB， 伸长率≥8% ， 疲劳强度160MPa≥ ；而以A356.2为代表的铝合金轮毂， 其极限抗拉强度≥220MPa， 硬度≥50HB，伸长率≥2%，疲劳强度≥ 150MPa。

综上所述，采用锻压及轻量化机加工工艺生产的镁合金轮毂在寿命上远大于铸造铝合金轮毂；而且在机械性能上，镁合金轮毂更优于铝合金轮毂；在重量上，相同轮型的镁合金轮毂只有铝合金轮毂的一半重。因此，镁合金轮毂更符合汽车轻量化的发展趋势。

本文来自：《汽车工业研究》

作者：王柱兴，吕金旗，栗智鹏