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輪圈的近形鍛旋制造方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410155078.0

申請日:

2014.04.18

公開號:

CN105014304A

公開日:

2015.11.04

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回IPC(主分類):B23P 15/00申請公布日:20151104|||實質審查的生效IPC(主分類):B23P 15/00申請日:20140418|||公開
IPC分類號: B23P15/00; C22C21/00; C22C21/06; C22F1/04; C22F1/047 主分類號: B23P15/00
申請人: 瑞鴻電通有限公司
發明人: 黃敬翔
地址: 中國臺灣臺中市南區復興路一段83號
優先權:
專利代理機構: 天津三元專利商標代理有限責任公司12203 代理人: 鄭永康
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410155078.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.07.20|||2015.12.02|||2015.11.04

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明是有關一種輪圈的近形鍛旋制造方法,是以預先準備的鋁合金材料鑄造成一輪圈粗胚,輪圈粗胚具有一輪盤、數個輪圈臂、一輪圈壁及一軸線。鍛造而使輪盤及輪圈臂在固溶熱處理后的平均晶粒小于30μm。對輪圈粗胚進行再結晶處理與固溶熱處理的至少其中的一種作業;旋壓而使輪圈壁成形一環繞軸線的胴部。對輪圈粗胚進行尺寸安定化處理與時效熱處理的至少其中的一種作業;最后后在輪盤上開設氣嘴孔,并該輪圈臂及輪圈壁進行車削加工及表面處理,即成型一鍛旋輪圈。故,本發明兼具大幅降低制造成本、材料自主化程度高、加工尺寸彈性可減少庫存,與可提高結構強度的優點。

權利要求書

權利要求書
1.  一種輪圈的近形鍛旋制造方法,其特征在于,包括:
步驟一:預先準備一鋁合金材料,該鋁合金材料選自鋁-鎂系高延展性鋁合金、鋁-鋅-鎂-銅高強度鋁合金其中之一,其包含重量百分比3%-10%的鎂(Mg)、重量百分比0.5%~5%的錳(Mn)及微量元素,該微量元素選自鍶(Sr)、鈦(Ti)、硼(B)、鉻(Cr)、銻(Sb)、錫(Sn)、鈹(Be)及稀土元素(RE)其中至少一項,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%,其余為鋁(A1);
步驟二:將該鋁合金材料鑄造成一輪圈粗胚,該輪圈粗胚具有一輪盤、數個輪圈臂、一輪圈壁及一軸線;
步驟三:鍛造該輪圈粗胚,使該輪盤及該輪圈臂可在固溶熱處理產生再結晶,產生晶粒細化,平均晶粒大小小于30μm;
步驟四:對該輪圈粗胚進行再結晶處理與固溶熱處理的至少其中的一種作業;
步驟五:旋壓該輪圈壁,使該輪圈壁成形一環繞該軸線的胴部;
步驟六:對該輪圈粗胚進行尺寸安定化處理與時效熱處理的至少其中的一種作業;
步驟七:于該輪盤上開設氣嘴孔,并對該輪圈臂及該輪圈壁進行車削加工及表面處理,即成型一鍛旋輪圈。

2.  根據權利要求1所述的輪圈的近形鍛旋制造方法,其特征在于,所述輪圈壁環繞該軸線,且與輪盤的端緣相連接。

3.  根據權利要求1所述的輪圈的近形鍛旋制造方法,其特征在于,所述鋁合金為AA5000系列、AA6000系列、AA7000鋁合金的至少其中的一種。

4.  根據權利要求1所述的輪圈的近形鍛旋制造方法,其特征在于,所述輪圈粗胚以重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造、高真空壓鑄進行鑄造,且使用快速凝固技術,冷卻速度系高于20℃/秒,且晶粒小于等于100μm。

5.  根據權利要求1所述的輪圈的近形鍛旋制造方法,其特征在于,所述輪圈粗胚的該輪盤被鍛造,而使該數個輪圈臂分別形成數個鍛造輪 圈臂;
塑形變形比大約介于30%-70%。

6.  根據權利要求1所述的輪圈的近形鍛旋制造方法,其特征在于,所述輪圈粗胚進行再結晶熱處理,可使該輪圈粗胚的延伸率在10%以上。

7.  根據權利要求1所述的輪圈的近形鍛旋制造方法,其特征在于,所述輪圈粗胚設旋壓機,而旋壓該輪圈粗胚的該輪圈壁,使該輪圈壁冷間旋壓成形出該胴部。

8.  根據權利要求1所述的輪圈的近形鍛旋制造方法,其特征在于,所述輪圈粗胚進行應力消除及尺寸安定化熱處理,以大約140℃至260℃的溫度對該輪圈粗胚加熱,可消除旋壓過程所產生的殘留應力、提升延展性,并促使尺寸安定化。

說明書

說明書輪圈的近形鍛旋制造方法
技術領域
本發明是有關一種輪圈的近形鍛旋制造方法,尤指一種兼具大幅降低制造成本、材料自主化程度高、加工尺寸彈性可減少庫存,與可提高結構強度的輪圈的近形鍛旋制造方法。
背景技術
傳統鍛造輪圈采用連續鑄造法(DC Casting)(如圖2所示的鑄造旋壓輪圈71),需先制備(鑄造合金熔煉72)數個具預定長度的鑄造基材81(如圖1所示),再經由高壓鍛造成形后進行旋壓,其鑄造方法如下所述:
一.連續鑄造(低壓鑄造制備輪圈鑄胚73)并擠制、裁切該鑄造基材81;
二.利用多臺鍛造機配合多組不同的鍛造模具61、62、63,對該鑄造基材81進行多次鍛造(該鍛造基材81于該鍛造模具61與62中經鍛造而逐漸成形,組件編號相同,特此陳明),使該鑄造基材81逐漸成形為一個輪圈粗胚82;
三.熱處理該輪圈粗胚82;
四.利用一個旋壓裝置64旋壓(高溫輪圈旋壓制程74)該輪圈粗胚82,使該輪圈粗胚82形成一個胴部821;
五.以機械加工(機械加工及表面處理75)的方式銑削該輪圈粗胚82的實心盤面(耗時約4小時),并對該輪圈粗胚82的輪圈壁進行車削加工(耗時約3-5分鐘),使該輪圈粗胚82成形為具有多支輪圈臂831的輪圈成品83。
雖然此一制程可達到制造出該輪圈成品83(輪圈性能測試76)的目的,但實際制造過程中卻出現以下的缺點:
[1]成本高。此種制程是直接將實心的鑄造基材鍛造成形為該輪圈粗胚,因此,此種制程需要經過多道次的鍛造才能成形出中空的輪圈粗胚,在每一道次的鍛造制程均需使用一臺鍛造機與一組鍛造模具鍛壓該 輪圈粗胚,且由于該輪圈粗胚的盤面是呈不透空的實心塊,因此最終成形的鍛造機更需要能產生最大出力的大型鍛造機,此外,各道次間的輪圈粗胚也需要利用多個加熱爐來重復加熱,并以輸送設備來輸送,由此可知,光在鍛造步驟即需使用大量的制造設備,大幅提高投資成本。另外,機械加工廢料無法直接回收,材料成本高。
[2]加工耗時。此種制程需要經過多道次的鍛造才能成形出該輪圈粗胚,且最終更需要以機械加工的方式銑削出該輪圈粗胚盤面的肋臂透空形狀,因此會大幅增加所需的機械加工工時。
[3]大尺寸輪圈成形不易。在成形大尺寸輪圈時,若材料變形量過大,則往往會超過材料的容許變形量,因此,此種制程即需以更多道次的加熱軟化及鍛造才能成形出大尺寸的輪圈,造成大尺寸輪圈成形不易。另外,大尺寸(16時以上)的鑄棒需仰賴進口,因此材料以6061(相關輪圈制造領域的型號,在此恕不贅述)傳統鍛材為主,無法滿足多樣化的輪圈市場需求。
[4]不易成型復雜樣式的輪圈。該輪圈粗胚鍛造后的鍛造盤面一般是呈現實心的平面狀或弧面狀,因此,這種制程需要通過機械加工的方式銑削該輪圈粗胚的盤面,才能加工出輪圈臂,會造成材料在銑削上的浪費(機械加工廢料>40%,每只輪圈機械加工的成本超過NTD600元(以16為例,再依輪圈復雜度而異),此外,若以此法鍛造制備各種花樣的輪圈臂,往往會因盤面形狀過于復雜,造成在鍛造過程材料流動受到模穴的限制,產生填充不足的缺陷而無法成形,或需要增加成形的壓力,以克服材料流動受到模穴限制的困境。因此,反而導致此種制程需要使用更大型的鍛造機才能完成鍛造。且受限于鋁合金連續鑄造廠的材料設計,無法以合金設計來滿足最佳輕量化的效果。
[5]精度較差。在鑄造旋壓輪圈部份,因需兼固輪圈的鑄造性,均以A356或A356.2的傳統鑄造材為主,雖提升得料率,但因熱間旋壓,精度稍差,后續加工量大,且在加工硬化的效果不如常溫旋壓。
有鑒于此,必須研發出可解決上述現有缺點的技術。
發明內容
為解決傳統方式產生成本高、加工耗時、大尺寸輪圈成形不易、不 易成型復雜樣式的輪圈與精度較差的問題,本發明提供一種輪圈的近形鍛旋制造方法,其兼具大幅降低制造成本、材料自主化程度高、加工尺寸彈性可減少庫存,與可提高結構強度的優點。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
一種輪圈的近形鍛旋制造方法,其特征在于,包括:
步驟一:預先準備一鋁合金材料,該鋁合金材料選自鋁-鎂系高延展性鋁合金、鋁-鋅-鎂-銅高強度鋁合金其中之一,其包含重量百分比3%-10%的鎂(Mg)、重量百分比0.5%~5%的錳(Mn)及微量元素,該微量元素系選自鍶(Sr)、鈦(Ti)、硼(B)、鉻(Cr)、銻(Sb)、錫(Sn)、鈹(Be)及稀土元素(RE)其中至少一項,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%,其余為鋁(A1);
步驟二:將該鋁合金材料鑄造成一輪圈粗胚,該輪圈粗胚具有一輪盤、數個輪圈臂、一輪圈壁及一軸線;
步驟三:鍛造該輪圈粗胚,使該輪盤及該輪圈臂可在固溶熱處理產生再結晶,產生晶粒細化,平均晶粒大小小于30μm;
步驟四:對該輪圈粗胚進行再結晶處理與固溶熱處理的至少其中的一種作業;
步驟五:旋壓該輪圈壁,使該輪圈壁成形一環繞該軸線的胴部;
步驟六:對該輪圈粗胚進行尺寸安定化處理與時效熱處理的至少其中的一種作業;
步驟七:于該輪盤上開設氣嘴孔,并對該輪圈臂及該輪圈壁進行車削加工及表面處理,即成型一鍛旋輪圈。
本發明的有益效果是,其兼具大幅降低制造成本、材料自主化程度高、加工尺寸彈性可減少庫存,與可提高結構強度的優點。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是傳統制造過程的示意圖。
圖2是傳統制造過程的流程圖。
圖3是本發明的制造方法的流程圖。
圖4是本發明的制造方法的詳細流程圖。
圖5A及圖5B是分別為本發明的鋁合金材料鑄造成輪圈粗胚的平面及剖視圖。
圖6A及圖6B是分別為本發明的輪圈粗胚鍛造(擠壓)成型的平面及剖視圖。
圖7A及圖7B是分別為本發明的輪圈旋壓成型的平面及剖視圖。
圖中標號院明:
11步驟一                  12步驟二
13步驟三                  14步驟四
15步驟五                  16步驟六
17步驟七                  20、82輪圈粗胚
21輪盤                    211盤面
22、831輪圈臂             22A鍛造輪圈臂
23輪圈壁                  231、821胴部
31鍛造旋壓復合輪圈        32合金設計及熔煉
33鑄造制備輪圈粗胚        34A輪圈粗胚鍛造制程
34B輪圈粗胚擠型制程       35輪圈旋壓制程
36、75機械加工及表面處理  37、76輪圈性能測試
61、62、63鍛造模具        64旋壓裝置
71鑄造旋壓輪圈            72鑄造合金熔煉
73低壓鑄造輪圈鑄胚        74高溫輪圈旋壓制程
81鑄造基材                83輪圈成品
90旋壓轉子                X軸線
具體實施方式
參閱圖3,本發明為一種輪圈的近形鍛旋制造方法,其制造流程包括下列步驟:
步驟一11:預先準備一鋁合金材料,該鋁合金材料選自鋁-鎂系高延展性鋁合金、鋁-鋅-鎂-銅高強度鋁合金其中之一,其包含重量百分比3%-10%的鎂(Mg)、重量百分比0.5%~5%的錳(Mn)及微量元素,該微量元素選自鍶(Sr)、鈦(Ti)、硼(B)、鉻(Cr)、銻(Sb)、錫(Sn)、鈹(Be)及稀土元素(RE)其中至少一項,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%,其余為鋁(A1);
步驟二12:參閱圖5A及圖5B,將該鋁合金材料鑄造成一輪圈粗胚20,該輪圈粗胚20具有一輪盤21、數個輪圈臂22、一輪圈壁23及一軸線X;
步驟三13:鍛造該輪圈粗胚20,使該輪盤21及該輪圈臂22可在固溶熱處理產生再結晶,產生晶粒細化,平均晶粒大小小于30μm;
步驟四14:對該輪圈粗胚20進行再結晶處理與固溶熱處理的至少其中的一種作業;
步驟五15:旋壓該輪圈壁23,使該輪圈壁23成形一環繞該軸線X的胴部231(參閱圖7B);
步驟六16:對該輪圈粗胚20進行尺寸安定化處理與時效熱處理的至少其中的一種作業;
步驟七17:于該輪盤21上開設氣嘴孔(圖面未示),并對該輪圈臂22及該輪圈壁23進行車削加工及表面處理,即成型一鍛旋輪圈。
實務上,該輪圈壁23環繞該軸線X,且與該輪盤21的端緣相連接。
參閱圖4(鍛造旋壓復合輪圈31),至于本案的詳細制作過程,如下所述:
關于步驟一的部分,該重量百分比0.5%~5%的錳(Mn)用以提高該鋁合金材料(合金設計及熔煉32)的室溫延展性。
該微量元素用以使該鋁合金材料達到粗胚晶粒細化的效果。
關于步驟二的部分(鑄造制備輪胎粗胚33),可以重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造,或是高真空壓鑄對該輪圈粗胚20進行鑄造。并使用快速凝固技術,冷卻速度不得低于20℃/秒,且晶粒不得大于100μm。此外,該輪圈粗胚20的輪盤21的一個盤面211(如圖5A及圖5B所示)被鑄造成近似最終產品形狀(亦即“近形”),但仍必須留有足夠的鍛造變形量。
關于步驟三的部分,參閱圖4(可選擇輪圈粗胚鍛造制程34A或是輪圈粗胚擠型制程34B)、圖6A及圖6B,鍛造該輪圈粗胚20的輪盤11,使該數個輪圈臂22分別形成數個鍛造輪圈臂22A,其中鍛造的鍛壓比(塑形變形比)大約介于30%-70%,鍛造的溫度因材料不同而有差異,溫度范圍 可介于300℃-480℃;鍛造模具的爐溫大約在480℃以下,模具的溫度可介于250℃-400℃。如此,可將該盤面211的鑄造樹枝狀組織破壞,使材料產生塑性流動,并使該盤面211產生鍛造流線,進而改善材料的機械性質。
關于步驟四的部分,參閱圖4,對該輪圈粗胚20(如圖6A及圖6B)進行再結晶熱處理,可將該輪圈粗胚20置于溫度介于300℃-500℃(依據不同的材料提供不同的加熱溫度)的爐內,并持溫大約2-4小時,然后冷卻(可為水淬或是空冷)至室溫,并確認(輪圈制造相關領域所知悉,恕不贅述)該輪圈粗胚20的延伸率在10%以上。
關于步驟五的部分,參閱圖4(輪圈旋壓制程35)、圖7A及圖7B,將熱處理后的該輪圈粗胚20放在旋壓機(公知裝置,恕不贅述)上,溫度設定在室溫至260℃之間,而旋壓該輪圈粗胚20的該輪圈壁23,使該輪圈壁23冷間旋壓成形出該胴部231。在本實施例中,是以旋壓轉子90(如圖7B所示)旋壓該輪圈壁23,使該輪圈壁23產生塑性變形,并且提供該輪圈粗胚20非常好的冷加工強化的效果,以強化并提升該胴部231的機械性質。
關于步驟六的部分,對該輪圈粗胚20(如圖7A及圖7B所示)進行應力消除及尺寸安定化熱處理(如圖4所示的機械加工及表面處理36及輪圈性能測試37),以大約140℃至260℃的溫度對該輪圈粗胚20加熱,并持溫大約1-7小時后空冷,除可消除旋壓過程所產生的殘留應力,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。
本制程所應用的高延展性鋁合金材料并非商用鋁合金材料,此材料為因應近形(Near Net shape,在此代表制造接近輪圈形狀的材料)鍛造及常溫旋壓,除了要求高延展性外,必須兼顧其鑄造性。材料降伏強度大于190Mpa,抗拉強度大于280Mpa,伸長率大于15%。
本制程所應用的近形鍛造有別于傳統鍛造,其主要目的在于改變鑄造組織為鍛造組織,以強化基材,而非成形,包含高溫鍛造及常溫鍛造。
本制程所使用的旋壓技術為常溫旋壓,有別于傳統鑄旋成形技術的高溫旋壓,其目的除了快速,高精準度外,最重要是提供輪圈加工強化的效果,提升機械性質,達到更好的輕量化效果。
本案全文中所提到的「近形」(其英文為Near Net Shape),其指接近最終產品形狀的意義,此用語亦為本領域人士所知悉。
本發明的優點及功效如下所述:
[1]大幅降低制造成本。本發明以鍛造設備取代鑄造設備,因此僅需使用2000噸的鍛造設備,比起傳統鍛造輪圈需要使用8000噸的鍛造機,可節省設備投資成本大約1億(以月產量30000顆鍛造輪圈為例)。故,大幅降低制造成本。
[2]材料自主化程度高。本發明使用自行設計的鋁合金材料,其關鍵性材料自主化程度高,且加工廢料可完全廠內回收再利用,可降低材料成本35%。材料自主化程度高。
[3]加工尺寸彈性可減少庫存。本發明所制備的近形鍛造輪圈粗胚外徑不會受限于鋁合金連鑄棒的外徑,因此不用針對不同外徑的鋁合金輪圈,庫存不同外徑的鋁合金鑄棒。故,加工尺寸彈性可減少庫存。
[4]可提高結構強度。本發明的鋁合金材料以鍛造用鋁合金為主,并酌量添加其它微量元素以提升原材料凝固補縮性,可加工性、高延展性及高抗拉強度。故,可提高結構強度。
以上所述,僅是本發明的較佳實施例而己,并非對本發明作任何形式上的限制,凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發明技術方案的范圍內。

關 鍵 詞:
輪圈 近形鍛旋 制造 方法
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