一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法、轮毂及生产线与流程

1.本发明涉及车辆轮毂制造技术领域，尤其涉及一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法、轮毂及生产线。


背景技术：

2.铝及铝合金材料具备可塑性强、强度高、质量轻、厚度薄、耐腐蚀、良好的焊接性能、加工成型性能好等一系列特征，成为用途广泛、最经济适用的材料之一；而新能源汽车和轻量化指标都推动着铝需求：车辆车重与二氧化碳排放有着较为直接的关系，车重每减少100公斤，二氧化碳排放可减少约5克/公里，同时，车重每降低10％，电耗可以降低5.5％，续航里程增加5.5％，因此减重车身对节能降耗有着非常重要的意义。
3.铝合金轮毂已经在乘用车上彻底取代钢轮，随着汽车轻量化的推进，强度更高、轻量化效果更好的锻造铝轮毂将逐步替代现有的铸造铝轮毂，从而实现车辆的进一步轻量化。目前，市场上铝合金轮毂的生产方式主要有重力铸造、低压铸造以及常规锻造，其中，低压铸造需要经过熔炼、低压铸造与热处理等工序，重力铸造需要经过熔炼、重力铸造与热处理等工序，常规锻造需要经过锯切、加热、锻压、旋压与热处理等工序；但是，重力铸造与低压铸造均会造成铝轮毂内部组织疏松、强度低以及重量重的问题，而常规锻造出的铝轮毂虽然强度高，但生产流程长，能耗大，造成成本高昂，综合效益低；此外，传统生产方式中都是将铝材先通过熔炼、铸造、均匀化热处理和锯切等工序加工成铝棒，再对铝棒进行锻造，工序繁琐，能耗高且过于浪费。
4.因此，需要一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法、轮毂及生产线，能够提升轮毂结构致密度，提升结构强度，轻量化程度高，生产流程短，效率高，同时，还能够兼顾节能减排，降低碳排放。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法、轮毂及生产线，能够提升轮毂组织致密，提升结构强度，轻量化程度高，生产流程短，效率高，同时，还能够兼顾节能减排，降低碳排放。所述技术方案如下：
6.一方面，本发明提供了一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，包括：
7.铝锭熔炼：将铝锭熔炼成合金铝水；
8.高压铸造：将所述合金铝水转移至轮毂铸造模具型腔，在第一高压下压制成铸坯并冷却至第一预设温度；
9.精密锻压：所述铸坯在第二高压和第二预设温度下一次锻压成型并形成轮毂。
10.进一步地，所述铝锭熔炼包括：
11.将所述铝锭加入熔炼炉中，并添加合金元素；
12.在730～800℃的熔炼温度下进行熔炼，直至所述铝锭变为液态，得到合金铝水。
13.进一步地，在所述将所述铝锭加入熔炼炉中，并添加合金元素之后，所述方法还包
括：
14.精炼：再添加精炼剂以及氩气，于精炼温度下进行精炼；
15.精炼完成后通过扒渣得到合金铝水。
16.进一步地，所述精炼温度为730～800℃。
17.进一步地，所述合金铝水中按质量百分比计包括以下组分：硅6.5～7.5％，镁0.25～0.45％，铁0～0.90％，杂质0～1.5％，余量为铝。
18.进一步地，所述合金铝水中按质量百分比计包括以下组分：铜0.15～0.4％，锰0.15％，镁0.8～1.2％，锌0.25％，铬0.04～0.35％，钛0.15％，硅0.4～0.8％，铁0～0.7％，余量为铝。
19.进一步地，所述第一高压的铸造压力为200～1000吨。
20.进一步地，所述第一高压持续保压时间为10～100s。
21.进一步地，所述第一预设温度为400～550℃。
22.进一步地，所述精密锻压还包括：
23.将所述铸坯转移到轮毂锻压模具中，并确定所述铸坯的再结晶条件；
24.根据所述再结晶条件设置所述第二高压与所述第二预设温度，并将所述轮毂锻压模具置于所述第二高压与所述第二预设温度下；
25.所述铸坯在所述轮毂锻压模具中动态流动进行动态再结晶；
26.均匀冷却，得到所述轮毂。
27.进一步地，所述第二预设温度为400～550℃。
28.进一步地，所述第二高压的锻压压力不小于8000吨。
29.另一方面，本发明还提供了一种轮毂，由以上所述的促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法制备而成，所述轮毂经过热处理和快速表面精密机加工抛光处理后制得轮毂成品。
30.另一方面，本发明还提供一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备生产线，用于实现以上所述的促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，所述生产线中的设备至少包括铝锭熔化炉、高压铸造机与精密一次成型锻压机。
31.进一步地，所述生产线还包括控制器，所述控制器分别连接所述铝锭熔化炉、所述高压铸造机与所述精密一次成型锻压机并控制运转。
32.进一步地，所述控制器上设有
33.能耗模块，用于连接并记录不同工艺参数下的生产线中各个所述设备的历史能耗；
34.工艺参数模块，用于连接并记录生产线中各个所述设备使用的工艺参数；
35.产品模块，用于记录各个所述轮毂产品形状参数和重量参数；
36.碳中和优化模块，用于根据所述产品模块、所述工艺参数模块与所述能耗模块的历史能耗，优化并输出最低能耗的工艺参数方案。
37.实施本发明，具有如下有益效果：
38.1、本发明在得到成型铸坯的基础上进行高温锻压，实现铝合金组织的动态再结晶，消除单纯铸造带来的疏松、偏析与缩孔等缺陷，使得产品组织致密，提升轮毂的强度与延伸性，提升其机械性能，实现20％～30％的轮毂减重，进而实现碳排放的降低。
39.2、采用一次铸造与一次精密锻造，极大地简化了生产工艺，缩短生产周期，提升生产效率与综合效益。
40.3、本发明采用铝锭或者铝水为原料，取代了原本的铝棒原材料，取消了传统锻造工艺中对铝棒原材料的熔炼、铸造、均匀化热处理和锯切等工序，避免了反复加热造成的大量能源消耗以及铝损耗，极大地精简了生产流程，提升生产效率，同时节省能耗。
41.4、本发明的生产线中设备数量少，工艺流程简单，能够实现高效生产；同时控制器能够控制该生产线，不断优化促进碳中和，最大限度降低能耗，节能环保效果好。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所使用的附图作简单的介绍，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
43.图1为本发明实施例提供的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法的逻辑结构图；
44.图2为本发明实施例提供的一种铝锭熔炼方法的逻辑结构图；
45.图3为本发明实施例提供的另一种铝锭熔炼方法的逻辑结构图；
46.图4为本发明实施例提供的一种精密锻压方法的逻辑结构图；
47.图5为传统生产工艺与本发明实施例提供的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法的对比图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了下述图示或下述描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
50.实施例
51.下面对本发明实施例的技术方案进行详细介绍，参考说明书附图1，该方法包括：
52.s101，铝锭熔炼：将铝锭熔炼成合金铝水。
53.具体地，该铝锭可以采用常规a00铝锭，根据国家标准可以配制zl101铝合金或者6061铝合金；其中，zl101铝合金包括按质量百分比计的以下组分：硅6.5～7.5％，镁0.25～0.45％，铁0～0.90％，杂质0～1.5％，余量为铝；该铝合金的铸造性能优良，流动性好、线收
缩小，热裂倾向低、气密性高，虽有产生气孔和缩孔的倾向但倾向小。
54.而6061铝合金包括按质量百分比计的以下组分：铜0.15～0.4％，锰0.15％，镁0.8～1.2％，锌0.25％，铬0.04～0.35％，钛0.15％，硅0.4～0.8％，铁0～0.7％，余量为铝；其中的钛元素能够细化晶粒与控制再结晶组织，从而有利于在后续精密锻造工序中消除铸坯组织中的缩孔，大大提升轮毂的机械性能。
55.并且，采用铝锭直接熔炼成合金铝水替代原本的铝棒作为原材料，节省了传统铝棒复杂的生产工序，至少节省了熔炼、铸造、均匀化热处理、锯切等工序以及这些工序所产生的大量能源消耗与铝损耗，在精简生产工艺、缩短生产周期的同时，隐形地降低了生产成本，综合效益高。
56.s103，高压铸造：将所述合金铝水转移至轮毂铸造模具型腔，在第一高压下压制成铸坯并冷却至第一预设温度。
57.具体地，利用压力机对轮毂铸造模具中的铝水进行加压的过程中，压力机提供的压力即为第一高压，第一高压的铸造压力为200～1000吨；而在整个高压铸造的过程中，第一高压可以选择维持在一个预设压力数值上下，也可以选择一个预设铸造压力区间，将铸造压力都维持在这一预设铸造压力区间的范围之内，保证铸造质量的同时，还保证铸造工序的灵活性。
58.具体地，在高压铸造的过程中，需要在第一高压的条件下持续保压10～100s，以避免所得铸坯内部组织出现更多孔隙，不利于最终轮毂产品的质量；具体地，铸坯冷却后的温度，即第一预设温度为400～550℃，该第一预设温度不小于后续精密锻压步骤的第二预设温度，避免增加额外的加热工序，导致铝合金的浪费以及能耗的增加。
59.其中，s103步骤为高压铸造步骤，在将铝水转移至轮毂铸造模具时，可以控制流入的压力、速度，并使得高温的铝水在压力下进行结晶凝固，且铝水在轮毂铸造模具的型腔中冷却速度较快，在一定程度上能够使得铸坯的组织致密，提升其机械性能，并且金属利用率高；并且，该高压铸造步骤的工序简单，生产效率高，对生产设备的要求相对较低，设备投资少，生产成本较低，能够适用于中小规模生产；而对于高压铸造步骤中造成的铸坯内部质量较差、缩孔缩松严重、杂质较多的问题，上述步骤所得的铸坯，能够经过后续进一步的精密锻造解决，仅通过一次锻造即可，不仅生产效率高，也能够保证轮毂的质量。
60.s105，精密锻压：所述铸坯在第二高压和第二预设温度下一次锻压成型并形成轮毂。
61.其中，将铸坯从轮毂铸造模具的型腔中取出，执行本步骤进行高压下的精密锻压，能够提升轮毂的强度与抗蚀性等性能，并且精密锻造精确性高，尤其适用于对产品尺寸要求高的生产工序；而且，精密锻造能够使得铝轮毂的晶粒流向与受力方向一致，进一步提升包括强度、韧性与疲劳强度在内的力学性能，尤其伸长率能够达到12～17％，能够很好地吸收道路的震动与应力；此外，通过本发明提供的制备方法得到的轮毂无表面气孔，能够具有很好的表面处理能力，不但能保证涂层均匀一致，结合牢靠，而且色彩也好，具有良好的外观性能。
62.具体地，如说明书附图2所示，s101步骤中，所述铝锭熔炼包括：
63.s202，将所述铝锭加入熔炼炉中，并添加合金元素。
64.s204，在730～800℃的熔炼温度下进行熔炼，直至所述铝锭变为液态，得到合金铝
水。
65.其中，熔炼温度维持在730～800℃，保证经过熔炼工序能够得到s101～s105步骤所需的铝水；此外，根据说明书附图5所示，即使以铝锭为原材料，也只需一步熔炼即可得到铝水，而无需像传统锻造工序中那样，需要先将铝锭经熔炼、铸造、均匀化热处理得到铝棒，再对铝棒进行锯切、加热、锻压、旋压、热处理等工序才能得到轮毂，大大简化生产工序，缩短了生产周期，同时简化工序还能够节省相应设备所需的成本，提升综合效益。
66.具体地，如说明书附图3所示，在s202步骤之后，即在所述将所述铝锭加入熔炼炉中，并添加合金元素之后，所述方法还可以包括：
67.s301，精炼：再添加精炼剂以及氩气，于精炼温度下进行精炼；
68.s303，精炼完成后通过扒渣得到合金铝水。
69.具体地，精炼温度也为730～800℃，保证整个铝锭熔炼的过程中温度始终维持在一个稳定的水平，避免温度忽高忽低影响产品质量。
70.具体地，如说明书附图4所示，s105步骤中，所述精密锻压还包括：
71.s402，将所述铸坯转移到轮毂锻压模具中，并确定所述铸坯的再结晶条件。
72.s404，根据所述再结晶条件设置所述第二高压与所述第二预设温度，并将所述轮毂锻压模具置于所述第二高压与所述第二预设温度下。
73.s406，所述铸坯在所述轮毂锻压模具中动态流动进行动态再结晶。
74.s408，均匀冷却，得到所述轮毂。
75.具体地，第二预设温度为400～550℃，并且冷却后的铸坯的温度、即第一预设温度不低于第二预设温度；而第二高压的锻压压力不小于8000吨，即在铝合金再结晶温度范围内，通过大压力锻压，铸坯在轮毂锻压模具中流动成型，并且铝合金的动态流动使得内部组织进行动态再结晶，完全消除铸造组织的缺陷，能够保证将铸坯组织中的疏松与气孔压实，把粗大的铸造组织(树枝状晶粒)击碎成细小的晶粒,并形成纤维组织，当纤维组织沿着零件轮廓合理地分布时，能够提高零件的机械性能；因而，得到的轮毂强度高,可承受更大的冲击载荷；而在承受同样大小冲击载荷的情况下，经本发明的精密锻造工序锻造的轮毂零件尺寸可以减小,即节省了铝水的原材料与相应成本，同时尺寸减小也会进一步减轻轮毂重量，进而降低碳排放，实现节能减排的目标。
76.本实施例提供的轮毂用制备方法能够使轮毂具有锻造产品才具有的致密内部组织，提升铝材产品的强度和延伸率，提升机械性能，使得其机械性能在铸造组织的基础上提升50％以上，还保证轻量美观，相较于传统铸造铝轮毂能够减重20～30％；更重要的是生产工序简短，锻造时仅需一次锻造即可，相比于传统铸造铝轮毂的生产周期为5～8min/件、常规锻造的生产周期为1.5min/件，本实施例的方法即使用于制备复杂件，其生产周期也仅为1min/件，大大提升生产效率，降低综合成本。
77.本发明还提供一种轮毂，该轮毂为使用上述任意一个实施例所述的促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法制备而成，之后该轮毂经过热处理和快速表面精密机加工抛光处理后可以制得轮毂成品。
78.本发明还提供一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备生产线，用于实现以上所述的促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，该生产线上的设备至少包括铝锭熔化炉、高压铸造机与精密一次成型锻压机。
79.而在本说明书的一个可能的实施方式中，该促进碳中和的低能耗铝轮毂制备生产线中的设备还可以包括控制器，该控制器分别连接铝锭熔化炉、高压铸造机与精密一次成型锻压机并控制各个设备正常运转。
80.具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，该控制器上还可以设有：
81.能耗模块，用于连接并记录不同工艺参数下的生产线中各个设备的历史能耗；
82.工艺参数模块，用于连接并记录生产线中各个设备使用的工艺参数；
83.产品模块，用于记录各个轮毂产品形状参数和重量参数；
84.碳中和优化模块，用于根据产品模块、工艺参数模块与能耗模块的历史能耗，优化并输出最低能耗的工艺参数方案。
85.其中，控制器包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令或者至少一段程序，所述至少一条指令或者所述至少一段程序由所述处理器加载并执行以实现上述的促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法。
86.其中，处理器(或称cpu(central processing unit，中央处理器))为该生产线的核心部件，其功能主要是解释存储器指令以及处理能耗模块、工艺参数模块、产品模块与碳中和优化模块等各个模块所反馈的数据；处理器的结构大致分为运算逻辑部件与寄存器部件等，运算逻辑部件主要进行相关的逻辑计算(如移位操作、逻辑操作、定点或浮点算术运算操作与地址运算等)，寄存器部件则用于暂存指令、数据与地址。
87.存储器为记忆设备，可用于存储软件程序以及以上所述的各个模块，处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据生产线中各个设备的使用所创建的数据等；相应地，存储器还可以包括存储器控制器，以提供处理器对存储器的访问。
88.通过上述的实施例可以看出，本发明将铸造工序与精密锻造相结合，在得到成型铸坯的基础上进行高温锻压，实现铝合金组织的动态再结晶，消除单纯铸造带来的疏松、偏析与缩孔等缺陷，使得产品组织致密，提升轮毂的强度与延伸性，提升其机械性能，实现20％～30％的轮毂减重，进而实现碳排放的降低；同时，该制备方法仅采用一次铸造与一次精密锻造，极大地简化了生产工艺，缩短生产周期，提升生产效率与综合效益；并且，根据说明书附图5所示，本发明与传统工艺对比可知，采用铝锭或者铝水为原料，取代了原本的铝棒原材料，取消了传统锻造工艺中对铝棒原材料的熔炼、铸造、均匀化热处理和锯切等工序，避免了反复加热造成的大量能源消耗以及铝损耗，极大地精简了生产流程，提升生产效率，同时节省能耗。
89.以上所描述的仅为本发明的一些实施例而已，并不用于限制本发明，本行业的技术人员应当了解，本发明还会有各种变化和改进，任何依照本发明所做的修改、等同替换和改进都落入本发明所要求的保护的范围内。

技术特征：
1.一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，依次由以下步骤组成：铝锭熔炼：将铝锭熔炼成合金铝水；高压铸造：将所述合金铝水转移至轮毂铸造模具型腔，在第一高压下压制成铸坯并冷却至第一预设温度；精密锻压：所述铸坯在第二高压和第二预设温度下一次锻压成型并形成轮毂。2.根据权利要求1所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述铝锭熔炼包括：将所述铝锭加入熔炼炉中，并添加合金元素；在730～800℃的熔炼温度下进行熔炼，直至所述铝锭变为液态，得到合金铝水。3.根据权利要求2所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，在所述将所述铝锭加入熔炼炉中，并添加合金元素之后，所述方法还包括：精炼：再添加精炼剂以及氩气，于精炼温度下进行精炼；精炼完成后通过扒渣得到合金铝水。4.根据权利要求3所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述精炼温度为730～800℃。5.根据权利要求2所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述合金铝水中按质量百分比计包括以下组分：硅6.5～7.5％，镁0.25～0.45％，铁0～0.90％，杂质0～1.5％，余量为铝。6.根据权利要求2所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述合金铝水中按质量百分比计包括以下组分：铜0.15～0.4％，锰0.15％，镁0.8～1.2％，锌0.25％，铬0.04～0.35％，钛0.15％，硅0.4～0.8％，铁0～0.7％，余量为铝。7.根据权利要求1所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述第一高压的铸造压力为200～1000吨。8.根据权利要求1所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述第一高压持续保压时间为10～100s。9.根据权利要求1所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述第一预设温度为400～550℃。10.根据权利要求1所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述精密锻压还包括：将所述铸坯转移到轮毂锻压模具中，并确定所述铸坯的再结晶条件；根据所述再结晶条件设置所述第二高压与所述第二预设温度，并将所述轮毂锻压模具置于所述第二高压与所述第二预设温度下；所述铸坯在所述轮毂锻压模具中动态流动进行动态再结晶；均匀冷却，得到所述轮毂。11.根据权利要求1所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述第二预设温度为400～550℃。12.根据权利要求1所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，其特征在于，所述第二高压的锻压压力不小于8000吨。13.一种轮毂，其特征在于，由如权利要求1-12任一项所述的促进碳中和的低能耗铝轮
毂制备方法制备而成，所述轮毂经过热处理和快速表面精密机加工抛光处理后制得轮毂成品。14.一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备生产线，其特征在于，用于实现如权利要求1-12所述的促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法，所述生产线中的设备至少包括铝锭熔化炉、高压铸造机与精密一次成型锻压机。15.根据权利要求14所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备生产线，其特征在于，所述生产线还包括控制器，所述控制器分别连接所述铝锭熔化炉、所述高压铸造机与所述精密一次成型锻压机并控制运转。16.根据权利要求15所述的一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备生产线，其特征在于，所述控制器上设有能耗模块，用于连接并记录不同工艺参数下的生产线中各个所述设备的历史能耗；工艺参数模块，用于连接并记录生产线中各个所述设备使用的工艺参数；产品模块，用于记录各个所述轮毂产品形状参数和重量参数；碳中和优化模块，用于根据所述产品模块、所述工艺参数模块与所述能耗模块的历史能耗，优化并输出最低能耗的工艺参数方案。

技术总结
本发明公开了一种促进碳中和的低能耗铝轮毂制备方法、轮毂及生产线，包括铝锭熔炼：将铝锭熔炼成合金铝水；高压铸造：将所述合金铝水转移至轮毂铸造模具型腔，在第一高压下压制成铸坯并冷却至第一预设温度；精密锻压：所述铸坯在第二高压和第二预设温度下一次锻压成型并形成轮毂。本发明的制备方法取消结合了铸造工艺与锻造工艺，精密度高，生产流程短，效率高，同时，兼顾结构强度与轻量化需求，降低碳排放。放。放。


技术研发人员：张超 王海洪 吴利江
受保护的技术使用者：犇沃（浙江）科技有限公司
技术研发日：2023.01.18
技术公布日：2023/8/14