CN105014304A - 轮圈的近形锻旋制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关一种轮圈的近形锻旋制造方法，是以预先准备的铝合金材料铸造成一轮圈粗胚，轮圈粗胚具有一轮盘、数个轮圈臂、一轮圈壁及一轴线。锻造而使轮盘及轮圈臂在固溶热处理后的平均晶粒小于30μm。对轮圈粗胚进行再结晶处理与固溶热处理的至少其中的一种作业；旋压而使轮圈壁成形一环绕轴线的胴部。对轮圈粗胚进行尺寸安定化处理与时效热处理的至少其中的一种作业；最后后在轮盘上开设气嘴孔，并该轮圈臂及轮圈壁进行车削加工及表面处理，即成型一锻旋轮圈。故，本发明兼具大幅降低制造成本、材料自主化程度高、加工尺寸弹性可减少库存，与可提高结构强度的优点。

Description

轮圈的近形锻旋制造方法

技术领域

本发明是有关一种轮圈的近形锻旋制造方法，尤指一种兼具大幅降低制造成本、材料自主化程度高、加工尺寸弹性可减少库存，与可提高结构强度的轮圈的近形锻旋制造方法。

背景技术

传统锻造轮圈采用连续铸造法(DC Casting)(如图2所示的铸造旋压轮圈71)，需先制备(铸造合金熔炼72)数个具预定长度的铸造基材81(如图1所示)，再经由高压锻造成形后进行旋压，其铸造方法如下所述：

一.连续铸造(低压铸造制备轮圈铸胚73)并挤制、裁切该铸造基材81；

二.利用多台锻造机配合多组不同的锻造模具61、62、63，对该铸造基材81进行多次锻造(该锻造基材81于该锻造模具61与62中经锻造而逐渐成形，组件编号相同，特此陈明)，使该铸造基材81逐渐成形为一个轮圈粗胚82；

三.热处理该轮圈粗胚82；

四.利用一个旋压装置64旋压(高温轮圈旋压制程74)该轮圈粗胚82，使该轮圈粗胚82形成一个胴部821；

五.以机械加工(机械加工及表面处理75)的方式铣削该轮圈粗胚82的实心盘面(耗时约4小时)，并对该轮圈粗胚82的轮圈壁进行车削加工(耗时约3-5分钟)，使该轮圈粗胚82成形为具有多支轮圈臂831的轮圈成品83。

虽然此一制程可达到制造出该轮圈成品83(轮圈性能测试76)的目的，但实际制造过程中却出现以下的缺点：

[1]成本高。此种制程是直接将实心的铸造基材锻造成形为该轮圈粗胚，因此，此种制程需要经过多道次的锻造才能成形出中空的轮圈粗胚，在每一道次的锻造制程均需使用一台锻造机与一组锻造模具锻压该轮圈粗胚，且由于该轮圈粗胚的盘面是呈不透空的实心块，因此最终成形的锻造机更需要能产生最大出力的大型锻造机，此外，各道次间的轮圈粗胚也需要利用多个加热炉来重复加热，并以输送设备来输送，由此可知，光在锻造步骤即需使用大量的制造设备，大幅提高投资成本。另外，机械加工废料无法直接回收，材料成本高。

[2]加工耗时。此种制程需要经过多道次的锻造才能成形出该轮圈粗胚，且最终更需要以机械加工的方式铣削出该轮圈粗胚盘面的肋臂透空形状，因此会大幅增加所需的机械加工工时。

[3]大尺寸轮圈成形不易。在成形大尺寸轮圈时，若材料变形量过大，则往往会超过材料的容许变形量，因此，此种制程即需以更多道次的加热软化及锻造才能成形出大尺寸的轮圈，造成大尺寸轮圈成形不易。另外，大尺寸(16时以上)的铸棒需仰赖进口，因此材料以6061(相关轮圈制造领域的型号，在此恕不赘述)传统锻材为主，无法满足多样化的轮圈市场需求。

[4]不易成型复杂样式的轮圈。该轮圈粗胚锻造后的锻造盘面一般是呈现实心的平面状或弧面状，因此，这种制程需要通过机械加工的方式铣削该轮圈粗胚的盘面，才能加工出轮圈臂，会造成材料在铣削上的浪费(机械加工废料>40％，每只轮圈机械加工的成本超过NTD600元(以16为例，再依轮圈复杂度而异)，此外，若以此法锻造制备各种花样的轮圈臂，往往会因盘面形状过于复杂，造成在锻造过程材料流动受到模穴的限制，产生填充不足的缺陷而无法成形，或需要增加成形的压力，以克服材料流动受到模穴限制的困境。因此，反而导致此种制程需要使用更大型的锻造机才能完成锻造。且受限于铝合金连续铸造厂的材料设计，无法以合金设计来满足最佳轻量化的效果。

[5]精度较差。在铸造旋压轮圈部份，因需兼固轮圈的铸造性，均以A356或A356.2的传统铸造材为主，虽提升得料率，但因热间旋压，精度稍差，后续加工量大，且在加工硬化的效果不如常温旋压。

有鉴于此，必须研发出可解决上述现有缺点的技术。

发明内容

为解决传统方式产生成本高、加工耗时、大尺寸轮圈成形不易、不易成型复杂样式的轮圈与精度较差的问题，本发明提供一种轮圈的近形锻旋制造方法，其兼具大幅降低制造成本、材料自主化程度高、加工尺寸弹性可减少库存，与可提高结构强度的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轮圈的近形锻旋制造方法，其特征在于，包括：

步骤一：预先准备一铝合金材料，该铝合金材料选自铝-镁系高延展性铝合金、铝-锌-镁-铜高强度铝合金其中之一，其包含重量百分比3％-10％的镁(Mg)、重量百分比0.5％～5％的锰(Mn)及微量元素，该微量元素系选自锶(Sr)、钛(Ti)、硼(B)、铬(Cr)、锑(Sb)、锡(Sn)、铍(Be)及稀土元素(RE)其中至少一项，前述微量元素中每一元素含量均在重量百分比不高于0.5％，其余为铝(A1)；

步骤二：将该铝合金材料铸造成一轮圈粗胚，该轮圈粗胚具有一轮盘、数个轮圈臂、一轮圈壁及一轴线；

步骤三：锻造该轮圈粗胚，使该轮盘及该轮圈臂可在固溶热处理产生再结晶，产生晶粒细化，平均晶粒大小小于30μm；

步骤四：对该轮圈粗胚进行再结晶处理与固溶热处理的至少其中的一种作业；

步骤五：旋压该轮圈壁，使该轮圈壁成形一环绕该轴线的胴部；

步骤六：对该轮圈粗胚进行尺寸安定化处理与时效热处理的至少其中的一种作业；

步骤七：于该轮盘上开设气嘴孔，并对该轮圈臂及该轮圈壁进行车削加工及表面处理，即成型一锻旋轮圈。

本发明的有益效果是，其兼具大幅降低制造成本、材料自主化程度高、加工尺寸弹性可减少库存，与可提高结构强度的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是传统制造过程的示意图。

图2是传统制造过程的流程图。

图3是本发明的制造方法的流程图。

图4是本发明的制造方法的详细流程图。

图5A及图5B是分别为本发明的铝合金材料铸造成轮圈粗胚的平面及剖视图。

图6A及图6B是分别为本发明的轮圈粗胚锻造(挤压)成型的平面及剖视图。

图7A及图7B是分别为本发明的轮圈旋压成型的平面及剖视图。

图中标号院明：

11步骤一                  12步骤二

13步骤三                  14步骤四

15步骤五                  16步骤六

17步骤七                  20、82轮圈粗胚

21轮盘                    211盘面

22、831轮圈臂             22A锻造轮圈臂

23轮圈壁                  231、821胴部

31锻造旋压复合轮圈        32合金设计及熔炼

33铸造制备轮圈粗胚        34A轮圈粗胚锻造制程

34B轮圈粗胚挤型制程       35轮圈旋压制程

36、75机械加工及表面处理  37、76轮圈性能测试

61、62、63锻造模具        64旋压装置

71铸造旋压轮圈            72铸造合金熔炼

73低压铸造轮圈铸胚        74高温轮圈旋压制程

81铸造基材                83轮圈成品

90旋压转子                X轴线

具体实施方式

参阅图3，本发明为一种轮圈的近形锻旋制造方法，其制造流程包括下列步骤：

步骤一11：预先准备一铝合金材料，该铝合金材料选自铝-镁系高延展性铝合金、铝-锌-镁-铜高强度铝合金其中之一，其包含重量百分比3％-10％的镁(Mg)、重量百分比0.5％～5％的锰(Mn)及微量元素，该微量元素选自锶(Sr)、钛(Ti)、硼(B)、铬(Cr)、锑(Sb)、锡(Sn)、铍(Be)及稀土元素(RE)其中至少一项，前述微量元素中每一元素含量均在重量百分比

不高于0.5％，其余为铝(A1)；

步骤二12：参阅图5A及图5B，将该铝合金材料铸造成一轮圈粗胚20，该轮圈粗胚20具有一轮盘21、数个轮圈臂22、一轮圈壁23及一轴线X；

步骤三13：锻造该轮圈粗胚20，使该轮盘21及该轮圈臂22可在固溶热处理产生再结晶，产生晶粒细化，平均晶粒大小小于30μm；

步骤四14：对该轮圈粗胚20进行再结晶处理与固溶热处理的至少其中的一种作业；

步骤五15：旋压该轮圈壁23，使该轮圈壁23成形一环绕该轴线X的胴部231(参阅图7B)；

步骤六16：对该轮圈粗胚20进行尺寸安定化处理与时效热处理的至少其中的一种作业；

步骤七17：于该轮盘21上开设气嘴孔(图面未示)，并对该轮圈臂22及该轮圈壁23进行车削加工及表面处理，即成型一锻旋轮圈。

实务上，该轮圈壁23环绕该轴线X，且与该轮盘21的端缘相连接。

参阅图4(锻造旋压复合轮圈31)，至于本案的详细制作过程，如下所述：

关于步骤一的部分，该重量百分比0.5％～5％的锰(Mn)用以提高该铝合金材料(合金设计及熔炼32)的室温延展性。

该微量元素用以使该铝合金材料达到粗胚晶粒细化的效果。

关于步骤二的部分(铸造制备轮胎粗胚33)，可以重力铸造、低压铸造、挤压铸造，或是高真空压铸对该轮圈粗胚20进行铸造。并使用快速凝固技术，冷却速度不得低于20℃／秒，且晶粒不得大于100μm。此外，该轮圈粗胚20的轮盘21的一个盘面211(如图5A及图5B所示)被铸造成近似最终产品形状(亦即“近形”)，但仍必须留有足够的锻造变形量。

关于步骤三的部分，参阅图4(可选择轮圈粗胚锻造制程34A或是轮圈粗胚挤型制程34B)、图6A及图6B，锻造该轮圈粗胚20的轮盘11，使该数个轮圈臂22分别形成数个锻造轮圈臂22A，其中锻造的锻压比(塑形变形比)大约介于30％-70％，锻造的温度因材料不同而有差异，温度范围可介于300℃-480℃；锻造模具的炉温大约在480℃以下，模具的温度可介于250℃-400℃。如此，可将该盘面211的铸造树枝状组织破坏，使材料产生塑性流动，并使该盘面211产生锻造流线，进而改善材料的机械性质。

关于步骤四的部分，参阅图4，对该轮圈粗胚20(如图6A及图6B)进行再结晶热处理，可将该轮圈粗胚20置于温度介于300℃-500℃(依据不同的材料提供不同的加热温度)的炉内，并持温大约2-4小时，然后冷却(可为水淬或是空冷)至室温，并确认(轮圈制造相关领域所知悉，恕不赘述)该轮圈粗胚20的延伸率在10％以上。

关于步骤五的部分，参阅图4(轮圈旋压制程35)、图7A及图7B，将热处理后的该轮圈粗胚20放在旋压机(公知装置，恕不赘述)上，温度设定在室温至260℃之间，而旋压该轮圈粗胚20的该轮圈壁23，使该轮圈壁23冷间旋压成形出该胴部231。在本实施例中，是以旋压转子90(如图7B所示)旋压该轮圈壁23，使该轮圈壁23产生塑性变形，并且提供该轮圈粗胚20非常好的冷加工强化的效果，以强化并提升该胴部231的机械性质。

关于步骤六的部分，对该轮圈粗胚20(如图7A及图7B所示)进行应力消除及尺寸安定化热处理(如图4所示的机械加工及表面处理36及轮圈性能测试37)，以大约140℃至260℃的温度对该轮圈粗胚20加热，并持温大约1-7小时后空冷，除可消除旋压过程所产生的残留应力，提升其延展性外，促使尺寸安定化，使后面加工能有更佳的精密度。

本制程所应用的高延展性铝合金材料并非商用铝合金材料，此材料为因应近形(Near Net shape，在此代表制造接近轮圈形状的材料)锻造及常温旋压，除了要求高延展性外，必须兼顾其铸造性。材料降伏强度大于190Mpa，抗拉强度大于280Mpa，伸长率大于15％。

本制程所应用的近形锻造有别于传统锻造，其主要目的在于改变铸造组织为锻造组织，以强化基材，而非成形，包含高温锻造及常温锻造。

本制程所使用的旋压技术为常温旋压，有别于传统铸旋成形技术的高温旋压，其目的除了快速，高精准度外，最重要是提供轮圈加工强化的效果，提升机械性质，达到更好的轻量化效果。

本案全文中所提到的「近形」(其英文为Near Net Shape)，其指接近最终产品形状的意义，此用语亦为本领域人士所知悉。

本发明的优点及功效如下所述：

[1]大幅降低制造成本。本发明以锻造设备取代铸造设备，因此仅需使用2000吨的锻造设备，比起传统锻造轮圈需要使用8000吨的锻造机，可节省设备投资成本大约1亿(以月产量30000颗锻造轮圈为例)。故，大幅降低制造成本。

[2]材料自主化程度高。本发明使用自行设计的铝合金材料，其关键性材料自主化程度高，且加工废料可完全厂内回收再利用，可降低材料成本35％。材料自主化程度高。

[3]加工尺寸弹性可减少库存。本发明所制备的近形锻造轮圈粗胚外径不会受限于铝合金连铸棒的外径，因此不用针对不同外径的铝合金轮圈，库存不同外径的铝合金铸棒。故，加工尺寸弹性可减少库存。

[4]可提高结构强度。本发明的铝合金材料以锻造用铝合金为主，并酌量添加其它微量元素以提升原材料凝固补缩性，可加工性、高延展性及高抗拉强度。故，可提高结构强度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而己，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种轮圈的近形锻旋制造方法，其特征在于，包括：

步骤一：预先准备一铝合金材料，该铝合金材料选自铝-镁系高延展性铝合金、铝-锌-镁-铜高强度铝合金其中之一，其包含重量百分比3％-10％的镁(Mg)、重量百分比0.5％～5％的锰(Mn)及微量元素，该微量元素选自锶(Sr)、钛(Ti)、硼(B)、铬(Cr)、锑(Sb)、锡(Sn)、铍(Be)及稀土元素(RE)其中至少一项，前述微量元素中每一元素含量均在重量百分比不高于0.5％，其余为铝(A1)；

步骤二：将该铝合金材料铸造成一轮圈粗胚，该轮圈粗胚具有一轮盘、数个轮圈臂、一轮圈壁及一轴线；

步骤三：锻造该轮圈粗胚，使该轮盘及该轮圈臂可在固溶热处理产生再结晶，产生晶粒细化，平均晶粒大小小于30μm；

步骤四：对该轮圈粗胚进行再结晶处理与固溶热处理的至少其中的一种作业；

步骤五：旋压该轮圈壁，使该轮圈壁成形一环绕该轴线的胴部；

步骤六：对该轮圈粗胚进行尺寸安定化处理与时效热处理的至少其中的一种作业；

步骤七：于该轮盘上开设气嘴孔，并对该轮圈臂及该轮圈壁进行车削加工及表面处理，即成型一锻旋轮圈。

2.根据权利要求1所述的轮圈的近形锻旋制造方法，其特征在于，所述轮圈壁环绕该轴线，且与轮盘的端缘相连接。

3.根据权利要求1所述的轮圈的近形锻旋制造方法，其特征在于，所述铝合金为AA5000系列、AA6000系列、AA7000铝合金的至少其中的一种。

4.根据权利要求1所述的轮圈的近形锻旋制造方法，其特征在于，所述轮圈粗胚以重力铸造、低压铸造、挤压铸造、高真空压铸进行铸造，且使用快速凝固技术，冷却速度系高于20℃／秒，且晶粒小于等于100μm。

5.根据权利要求1所述的轮圈的近形锻旋制造方法，其特征在于，所述轮圈粗胚的该轮盘被锻造，而使该数个轮圈臂分别形成数个锻造轮圈臂；

塑形变形比大约介于30％-70％。

6.根据权利要求1所述的轮圈的近形锻旋制造方法，其特征在于，所述轮圈粗胚进行再结晶热处理，可使该轮圈粗胚的延伸率在10％以上。

7.根据权利要求1所述的轮圈的近形锻旋制造方法，其特征在于，所述轮圈粗胚设旋压机，而旋压该轮圈粗胚的该轮圈壁，使该轮圈壁冷间旋压成形出该胴部。

8.根据权利要求1所述的轮圈的近形锻旋制造方法，其特征在于，所述轮圈粗胚进行应力消除及尺寸安定化热处理，以大约140℃至260℃的温度对该轮圈粗胚加热，可消除旋压过程所产生的残留应力、提升延展性，并促使尺寸安定化。