TW201800162A - 近淨成形鍛造鎂合金輪圈及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係在提供有關於一種以近淨成形鍛造方式與旋形複合製程，生產出一體成形的鎂合金輪圈及其製造方法，且特別是有關於以更省時、更省料的高效率生產方式，以提供高強度、高功能性的鍛造輪圈產品，並圓滿滿足輕量化需求之汽、機車輪圈及其製造方法。以本研究發明之近淨成形鍛造方式除了可有效節省胚料的使用量，同時大幅度的縮短電腦數值控制加工時間。另一方面，近淨成形鍛造是一種連續式的熱加工方式。藉由模具的設計對於材料流的重分配，從而得以細化晶粒組織與控制結晶的優選方位，進一步提升鍛造輪圈的機械性質。顯然，藉由本發明近淨成形鍛造方式施用於一體成形的鎂合金輪圈之製造，對於生產效益與品質的提升非常顯著，誠為一種極具經濟效益與優良產品品質的創新發明製程。

Description

近淨成形鍛造鎂合金輪圈及其製造方法

本發明是有關於一種以近淨成形鍛造方式(Near Net Shape Forging Process)與旋形製程生產出一體成形的鎂合金輪圈及其製造方法，且特別是有關於以更省時、更省料的高效率生產方式，以提供高強度、高功能性的鍛造輪圈產品，並圓滿滿足輕量化需求之汽、機車輪圈及其製造方法。

由於環保意識的抬頭，輕量化、節能、減排已然成為汽機車相關產業的三大重要議題。對於汽機車輪圈的設計方面從早期三片式的輪圈逐步進展到兩片式與一體成形的一片式。生產方式由最早期的金屬板片沖壓後再焊接、鉚接組合到鑄、鍛複合等多樣的生產方式。材料的選用也由碳鋼進展到高強度合金鋼、鋁合金以及新近發展中的鎂合金等等。

以當前的主流產品而言，鋁合金輪圈的製造已然蔚為風行。在主要的生產製程大致上又可分為鑄造式與鍛造式兩種。其中，鑄造方式可以提供較低成本的產品，然而由於製程中無可避免的孔洞導入問題以及 較為粗大的柱狀晶粒組織，使得輪圈的結構強度與韌性等較差，是為其最主要的缺點。另一方面，鍛造製程可以提供連續的細緻流線組織以及對應的優異機械性質，因而成為高級車的首選。

相較於鋁合金(密度為2.7g/cm³)，鎂合金具有更低的密度、優異的制震性(1.8g/cm³)以及結構金屬材料中最高的比強度(可承載強度/重量)，是為輕量化金屬應用材料的首選。然而，不同於鋁合金的面心立方(Face centered cubic)結構，由於鎂合金具有六方最密堆積(Hexagonal closed pack)的特殊結晶構造，使得固態塑性變形加工的鍛造製程困難度極高；因而，限制了鍛造鎂合金輪圈在現階市場的發展與普及。

誠然，以鑄造方式來生產車用鎂合金輪圈也是另一種選項。然而，如前所述，鑄造製程所導入的孔洞率與粗晶問題劣化了工件的機械性質，也減損了鎂合金對於輕量化的優勢。緣是，本發明團隊先前藉由系統性的材料組織觀察、製程參數調整、最佳化熱加工條件探討以及最終機械性質量測與驗證等相關性的綜合研究，已經成功地開發並建立產製此高功能鍛造鎂合金輪圈及其製造方法。

本發明團隊在不斷的精進生產技術與能力的驅動下，對於鍛造製程方面更突破以往傳統鍛造後須以大量電腦數值控制加工來移除輪圈盤面不需要材料的冗長加工方式，成功地研發出進階的鍛造生產方式。本發明在鍛造製程中藉由精密的模具設計與製程參數控制，得以生產出接近最後輪圈盤面造型的一體成形鎂合金輪圈產品，即為本發明所謂的近淨成形鍛造方式(Near net shape forging process)。此一製程不獨可以大幅度的節省電腦數值控制加工時間也得以減少材料的使用，提高經濟性。同時，在 近淨成形鍛造製程中，藉由對於模具設計對於材料流的重分配，也有助於材料組織與性質的進一步提升，可謂一舉多得。

本發明係在提供一種以近淨成形鍛造方式與旋形製程生產出一體成形的鎂合金輪圈及其製造方法，且特別是有關於以更省時、更省料的高效率生產方式，以提供高強度、高功能性的鍛造鎂合金輪圈產品，並圓滿滿足輕量化需求之汽、機車輪圈及其製造方法。為使本發明之特徵與優異性更明顯易懂，茲配合實驗例和圖示，作詳細說明如下，但並非限制本發明之適用範圍。

本發明藉由精密的模具設計與恰當的鍛造製程參數控制，對於先端鎂合金鍛造輪圈的生產提供一種更省料、更省時的近淨成形精密鍛造方式。近淨成形高品質、高功能性鍛造鎂合金輪圈之生產製造方式，主要藉由多重精密的模具設計與恰當的熱處理前製程、熱作參數的調整與設定，以產製出具有省料省時且具有高強度高韌性與良好抗疲勞性質的一體成形鍛造鎂合金輪圈。

鎂合金胚料經由精密計算與裁切成所需尺寸後，先施以均質化熱處理，而後經由數道次鍛造製程進行本研究發明之近淨成形鍛造製程等作業。依輪圈造型的複雜性，在熱加工鍛造階段可分成兩階段、三階段或四階段製程。而模具的設計部分則使用電腦輔助設計軟體，根據溫度變 化效應、應變速率、材料壓縮比等等來探討熱加工參數對於材料變形阻抗的影響。同時參考鍛造機台的可負荷噸數，來決定鍛造的道次、模具的型態與各個工序的材料分配量等。

近淨成形輪圈鍛胚加熱後，以旋形機旋形加工出所需的輪框與輪緣。之後，鎂合金輪圈工件施以熱處理調質，再以電腦數值控制之精密加工設備輕加工車銑出所需最終外觀之輪轂造型，並且於輪框與輪緣部位之尺寸進行精密加工修正。該成形之輪圈以研磨、拋光去除加工刀痕與表面細化後，即可依客戶需求的不同，進行各式塗裝與各式之表面處理，以提供高性能高強度之一體成形鍛造鎂合金汽、機車輪圈。第1圖所示即為以傳統鍛造製程產製輪圈之生產流程；第2圖所示則為本發明對於所開發之近淨成形高功能性鍛造一體成形鎂合金輪圈之生產流程圖。

為使材料具有較為均勻的組織以促進加工材料流動的順暢性，與鍛造前施以均質化熱處理。一般均質時間設定在2小時以上，均質溫度則在350至500℃之間。過低的溫度處理無法達到均質之效果，過高的溫度處理則由於材料局部晶界的液化，劣化了後續加工品質。

均質化熱處理後之鎂合金胚料以鍛造機進行多道次精密鍛造加工。由於鎂合金具有特殊的六方最密堆積結晶構造，常溫加工性不佳。因此，合宜的熱作溫度可以提供材料更多的滑移系統，改善鍛造成形性。依本研究發明所界定的恰當熱鍛溫度為300到450℃之間。此外，本研究開發之近淨成形鍛造製程是屬於多道次的連續熱加工製程；恰當的模具設計得以細化晶粒組織，材料的重分配也有助於調整材料的方向性，改善機械性質。

另外，鍛造速率對於成形性的影響顯著。過低的應變速率會因加工時間的延長，造成胚料溫度的下降，不利成形。過高的應變速率則會因材料流動重分配不及，因而無法獲得所需外型與尺寸之加工件。以本研究發明所得到最適宜的應變速率為0.001/秒至0.8/秒間。最佳的應變速率依合金成分系列與輪圈尺寸造型而調整。

鎂合金近淨成形鍛件於回爐加熱後，以旋形設備進行輪框(wheel rim)部分的薄化與拉高，以及輪緣的造型旋形加工。如前所述，合宜的旋形速率與旋形溫度乃為確保加工製程成功的兩大要素。依本研究發明所界定的恰當旋形溫度為250到450℃之間，最適宜的應變速率為0.001/秒至0.8/秒間。

旋形完成之輪圈施以T5時效熱處理，以提供進一步的強化效果以及組織與性質的安定化。之後，依客戶造型與安全結構性設計計算後，以電腦數值控制精密車床與銑床進行輪轂的造型加工以及輪框和輪緣(wheel flange)的精細加工，製造出最終所需的輪圈造型。

第3圖與第4圖所示分別為傳統一體成形鍛造鎂合金汽車輪圈於各階段程序之造型3D與2D示意圖。顯示，以傳統一體成形鍛造鎂合金汽車輪圈盤面的造型乃是於工件鍛造後，再以電腦數值控制加工車銑完成；過程中加工工時極長，同時材料的移除量大，相當不經濟。

相對上述，第5圖與第6圖所示分別為本發明近淨成形鍛造鎂合金汽車輪圈於各階段程序之造型3D與2D示意圖。顯見，輪圈盤面的造型於多道次熱鍛過程中逐漸形成。鍛後整體的輪圈已經接近產品的最終造型與額定的尺寸。後續電腦數值控制加工僅為車銑的輕加工移除少部分的材 料以及對於精密尺寸部分的精修加工，所需耗費的工時短，材料的移除量也少，此誠為一種省時省料的經濟生產方式。

電腦數值控制加工完成的輪圈以研磨拋光去除毛邊、加工痕與表面打磨細化處理。由於鎂合金具有易於氧化的特性，因此，在進行最後的塗裝等表面處理之前必須施以抗氧化防蝕處理。於本發明中使用微弧氧化(Micro Arc Oxidation，簡稱MAO)處理，可使鎂合金鍛造輪圈表面產生一層緻密陶瓷結構的反應層，以提供良好的抗氧化性質。MAO處理後之工件，依需求可以進行各式漆料與單一或多種顏色組合的烤漆處理，抑或電鍍、陽極，濺鍍等等多樣化的表面處理方式，以滿足不同的需求。

以本研究發明之近淨成形鍛造方式可有效節省胚料的使用量，同時大幅度的縮短電腦數值控制加工時間。另一方面，近淨成形鍛造是一種連續式的熱加工方式，藉由模具的設計對於材料流的重分配，從而得以細化晶粒組織與控制結晶優選方位，進一步提升鍛造輪圈的機械性質。圖7所示詳列鎂合金輪圈經以傳統的鍛造方式與本發明近淨成形鍛造方式對於材料的使用、電腦數值控制加工工時以及最終機械性質的影響。誠然，其影響效用會隨著輪圈外觀造型的變異而有所不同；然而，藉由本發明近淨成形鍛造方式對於生產效益與品質的提升可由此顯見。

依本發明所建立的生產技術，可以圓滿的適用於各種系列的鎂合金材料。舉凡常用的ZK30、ZK31、AM60、AZ31、AZ70、AZ80等等皆可藉由各階段製程參數的微調，來生產出具有高效率、高經濟性且優異性質之一體成形鍛造鎂合金輪圈。藉由本發明近淨成形鍛造鎂合金輪圈所具有的機械性質已經可以媲美目前市場上最高端的AA6061鍛造鋁合金輪 圈，而且所能提供的輕量化效果是鍛造鋁合金輪圈難以匹配的。本發明一體鍛造成形之鎂合金輪圈所具有的機械性質更遠優於傳統鑄造的鋁合金與鎂合金輪圈。本發明近淨成形鍛造鎂合金輪圈不獨於汽車使用上具有其優異性，也適用於高階機車輪圈的使用。特別是鎂合金具有的制震特性對於越野機車輪圈的應用，更可進一步提供駕馭的舒適性，誠為一深具創新性與實用性之發明。

100‧‧‧原料

110‧‧‧均質化熱處理

120‧‧‧鍛造程序

130‧‧‧預加工程序

140‧‧‧旋形程序

150‧‧‧熱處理

160‧‧‧機械加工程序

170‧‧‧研磨製程

180‧‧‧表面處理製程

190‧‧‧塗裝製程

210‧‧‧原料

220‧‧‧均質化熱處理

230‧‧‧預形程序

240‧‧‧粗鍛程序

250‧‧‧終鍛程序

260‧‧‧預加工程序

270‧‧‧旋形程序

280‧‧‧熱處理

290‧‧‧機械加工程序

300‧‧‧研磨製程

310‧‧‧表面處理製程

320‧‧‧塗裝製程

410‧‧‧鎂合金胚料之3D剖面示意圖

420‧‧‧鎂合金經鍛造成形後之輪圈3D剖面示意圖

430‧‧‧鎂合金經預加工後之輪圈3D剖面示意圖

440‧‧‧鎂合金經旋形成形後之輪圈3D剖面示意圖

450‧‧‧鎂合金經車銑精密加工成形後之輪圈3D剖面示意圖

510‧‧‧鎂合金胚料之2D剖面示意圖

520‧‧‧鎂合金經鍛造成形後之輪圈2D剖面示意圖

530‧‧‧鎂合金經預加工後之輪圈2D剖面示意圖

540‧‧‧鎂合金經旋形成形後之輪圈2D剖面示意圖

550‧‧‧鎂合金經車銑精密加工成形後之輪圈2D剖面示意圖

610‧‧‧鎂合金胚料之3D剖面示意圖

620‧‧‧鎂合金經預形成形後之輪圈3D剖面示意圖

630‧‧‧鎂合金經粗鍛成形後之輪圈3D剖面示意圖

640‧‧‧鎂合金經終鍛成形後之輪圈3D剖面示意圖

650‧‧‧鎂合金經預加工後之輪圈3D剖面示意圖

660‧‧‧鎂合金經旋形成形後之輪圈3D剖面示意圖

670‧‧‧鎂合金經車銑精密加工成形後之輪圈3D剖面示意圖

710‧‧‧鎂合金胚料之2D剖面示意圖

720‧‧‧鎂合金經預形成形後之輪圈2D剖面示意圖

730‧‧‧鎂合金經粗鍛成形後之輪圈2D剖面示意圖

740‧‧‧鎂合金經終鍛成形後之輪圈2D剖面示意圖

750‧‧‧鎂合金經預加工後之輪圈2D剖面示意圖

760‧‧‧鎂合金經旋形成形後之輪圈2D剖面示意圖

770‧‧‧鎂合金經車銑精密加工成形後之輪圈2D剖面示意圖

第1圖 係傳統一體成形鍛造鎂合金輪圈生產流程圖。

第2圖 係依照本發明所述之近淨成形一體成形鍛造鎂合金輪圈生產流程圖。

第3圖 係傳統一體成形鍛造鎂合金汽車輪圈於各階段程序之造型3D示意圖。

第4圖 係傳統一體成形鍛造鎂合金汽車輪圈於各階段程序之造型2D示意圖。

第5圖 係近淨成形一體成形鍛造鎂合金汽車輪圈於各階段程序之造型3D示意圖。

第6圖 係近淨成形一體成形鍛造鎂合金汽車輪圈於各階段程序之造型2D示意圖。

第7圖 係比較傳統鍛造成形一體成形鍛造鎂合金汽車輪圈與本研究發明之近淨成形一體成形鍛造鎂合金汽車輪圈之原料使用、電腦數值控制加工時間以及最終材料之強度影響。

210‧‧‧原料

220‧‧‧均質化熱處理

230‧‧‧預形程序

240‧‧‧粗鍛程序

250‧‧‧終鍛程序

260‧‧‧預加工程序

270‧‧‧旋形程序

280‧‧‧熱處理

290‧‧‧機械加工程序

300‧‧‧研磨製程

310‧‧‧表面處理製程

320‧‧‧塗裝製程

Claims (12)

1. 一種具有更高效率以及經濟性的高品質、高功能性鍛造鎂合金輪圈的生產製造方式。主要藉由恰當的熱處理前製程設定、多道次連續鍛造精密模具設計與熱加工參數的調整與精確控制，以產製出具有高強度高韌性與良好抗疲勞性質的一體成形鍛造鎂合金輪圈。
2. 如申請專利範圍第1項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，進一步包含下列之步驟：(1)鎂合金胚料經由精密計算與裁切成所需額定尺寸後，施以均質化熱處理；(2)而後經由數道鍛造製程，進行近淨成形鍛造作業；(3)鍛胚加熱後以旋形機旋形加工出所需的輪框與輪緣；(4)旋形完成之工件經以熱處理調質後，以電腦數值控制精密加工設備，輕加工車銑出所需外觀之輪轂造型，並且於輪框與輪緣部位之尺寸進行精密修正；(5)該成形之輪圈經以研磨拋光後，施以MAO抗氧化防蝕處理；(6)之後，即可依客戶不同的需求進行塗裝與各式之表面處理。
3. 如申請專利範圍第2項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，鎂合金均質化熱處理之溫度不低於350℃、持溫時間在2個小時以上。
4. 如申請專利範圍第3項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，均質處理後之鎂合金胚料之鍛造溫度在300℃至450℃間、應變速率在0.001/秒到0.8/秒間。
5. 如申請專利範圍第4項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，鍛造加工處理後之鎂合金工件於重新加熱後，以旋形機旋出輪框和輪緣。其中加熱之溫度為250℃以上、旋形之轉速為20至400轉(rpm)間。
6. 如申請專利範圍第5項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，旋形後之輪圈經以T5時效熱處理進行調質處理，進一步改善輪圈之機械性質。
7. 如申請專利範圍第6項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，調質處理後之輪圈以電腦數值精密控制之車、銑加工設備輕加工出所需造型與尺寸之輪圈。
8. 如申請專利範圍第7項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，車、銑加工完成之輪圈以研磨拋光移除加工刀痕與毛邊。
9. 如申請專利範圍第8項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，該精密加工完成之輪圈施以微弧氧化抗蝕處理後，依客戶需求即可進行各式之表面美化處理。
10. 如申請專利範圍第9項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，該表面美化處理之施行方式可為陽極處理、物理金屬蒸著、化學金屬蒸著、反應式濺鍍被覆和單一或多道次之塗裝被覆處理。
11. 如申請專利範圍第1、2項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，鎂合金胚料可為AZ31、AZ70、AZ80、AZ91、AM50、AM60、ZK或ZW等所有系列之鎂合金材料。
12. 如申請專利範圍第1、2、11項所述鍛造鎂合金輪圈產品製造法，本研究發明之鍛造鎂合金產品適用於汽車與機車之輪圈用途。