一、引言

工程机械、汽车传动系统中的轮毂类构件属于核心承载部件，长期承受交变冲击载荷，对内部金属流线、尺寸精度、综合力学性能存在严苛标准。为满足局部承载强度需求，多数轮毂件侧壁设计加厚结构，采用热镦挤一体成形工艺可保证金属纤维连续完整，规避切削加工切断流线带来的疲劳性能下降问题，是高端轮毂构件主流制造方案。

实际批量锻压生产中，轮毂侧壁增厚区域成形难度较高：金属流动路径复杂，截面突变位置易出现涡流、汇流折叠；型腔深处金属充填不充分，零件壁厚、同轴度批量波动大；成形载荷偏高，模具型腔、导向面磨损速度快，频繁停机修模严重降低生产效率。现场调试阶段，技术人员常单独修改模具局部尺寸或反复调整锻压参数，二者匹配失衡会加剧缺陷，无法从根源改善产品质量。

当前塑性成形领域针对单一锻模结构或单一锻造工艺的研究较多，但面向轮毂侧壁加厚特征，将模具结构设计与全流程锻造工艺联动匹配的系统性研究较为稀缺。模具型腔、分流飞边、顶出冷却、导向定位各模块相互制约，坯料形态、加热温度、润滑、锻压速度又直接改变金属流动状态与模具受力，二者属于耦合体系。行业内不少中小锻造企业缺乏协同优化思路，依靠人工试模反复调试，不仅原材料损耗大，还拉长新品交付周期，市场竞争力受限。同时随着高端装备国产化推进，主机厂对锻件无损检测合格率、尺寸一致性要求逐年提升，传统粗放式锻造模式已无法满足配套供货标准。部分外资零部件供应商还提出无缺陷锻件、低模具损耗的硬性指标，倒逼锻造企业升级模具与工艺一体化技术。基于此，本文从缺陷产生机理出发，完成锻模多模块结构改进，同步梳理各工艺参数与优化模具的适配规则，构建产品设计 — 模具开发 — 现场生产一体化协同优化思路，为轮毂类加厚构件稳定精密锻造提供理论与实操参考。

二、轮毂侧壁镦挤成形缺陷成因及模具结构关联分析

轮毂侧壁局部镦挤增厚产生的各类不良品，根本诱因均与模具结构设计缺陷直接相关，理清缺陷与模具结构的对应关系，是模具改进的核心前提。

1.型腔充填不饱满缺陷

该缺陷集中出现在侧壁加厚远端、型腔转角、截面突变区域。模具层面诱因包含三点：一是型腔未设置平滑过渡圆角，截面骤变大幅提升金属流动阻力；二是飞边槽桥部厚度、宽度参数不合理，金属未填满型腔便大量溢出至飞边槽，有效成形金属量不足；三是坯料定位台结构简单，锻压初期坯料偏移，金属无法均匀向增厚区域输送。流动阻力过大、金属分配失衡共同造成角落缺料，零件强度达不到设计标准。

2.金属折叠夹杂缺陷

折叠是轮毂件危害性最高的缺陷，氧化皮卷入基体形成类裂纹界面，交变载荷下极易萌生疲劳裂纹。模具设计缺陷是主要诱因：分流面设置在金属高速汇流区域，多股金属流交汇时无缓冲空间；型腔内部存在直角凸台、窄槽，迫使金属骤然变向形成涡流；焊合区型腔容积不足，两股金属无法充分压实焊合，最终形成贯穿性折叠瑕疵。批量生产中折叠缺陷返修率极高，严重时整批次锻件直接报废，大幅拉高制造成本。在第三方探伤检测环节，带有微折叠的锻件会直接判定不合格，无法流入精加工工序，造成前道加热、锻压工序全部浪费。

3.零件尺寸超差、脱模变形问题

零件同轴度、壁厚均匀度不达标主要源于模具导向机构精度不足，上下模合模时发生径向错移，侧向分力无法抵消；顶出机构设计不均衡，顶杆集中布置在单一区域，脱模时高温坯料未完全定型，受力不均发生扭曲变形，表面留存明显顶痕；模具冷却水道排布稀疏，型腔热变形量各处不一致，长期量产出现批量尺寸漂移。

三、轮毂锻模多模块结构优化设计方案

针对上述成形缺陷，围绕金属流动调控、合模精度、均匀冷却脱模三大目标，对型腔分流、导向定位、顶出冷却三大核心模块进行整体性改进。

3.1 型腔与分流飞边系统优化

对侧壁增厚型腔全部增设大半径工艺过渡圆角，去除直角突变结构，降低金属流动阻力；针对不对称加厚轮毂，摒弃平面分流面，采用阶梯曲面分流结构，平衡各方位金属流动速率，避免单侧充填过快形成涡流。优化飞边槽桥部尺寸，适度缩减桥宽、增加仓部容积，延缓金属溢出时间，为型腔角落充填提供稳定背压，保证增厚区域组织致密。同时在金属汇流位置增设缓冲焊合腔，延长金属焊合行程，降低折叠缺陷产生概率。

3.2 复合导向定位机构升级

传统单组导柱导套仅能抵抗小幅度侧向力，重载镦挤过程易出现导向间隙增大。本次优化采用 “主导柱导套 + 内锥面辅助定位” 复合结构，上下模闭合时锥面先预定位，抵消锻压产生的径向侧向力，保障合模同轴度。坯料定位台增设环形限位凸台，限制坯料锻压初期偏移，保证金属初始分配均匀，从源头减少壁厚偏差。所有导向配合面采用高精度研磨加工，配合间隙控制在微米级，适配长时间连续热锻工况。

3.3 均衡顶出与分区冷却协同设计

基于脱模阻力仿真结果重新排布顶杆，在侧壁加厚大承载区域均匀布置多根顶杆，实现顶出力全域对称分布，杜绝零件脱模倾斜扭曲；针对深腔薄壁区域增加延时气动辅助顶出装置，降低脱模应力。冷却水道采用分区布置方案，在侧壁金属聚集热节区域加密水道，型腔边角、分流面位置增设独立冷却回路，实现模具全域温度均匀化，减小热变形，稳定型腔尺寸，同时降低高温坯料对模具表面的热冲击，减缓型腔磨损、热疲劳裂纹产生。

优化后的模具结构能够引导金属平稳充填、保障合模与脱模精度，但模具优势充分发挥必须配套相适配的锻造工艺，模具几何形态改变后，金属变形规律、模具受力状态同步变化，原有工艺参数窗口不再适用，需开展模具与工艺匹配性研究。大批量连续锻造时，模具温度场会持续累积升温，若冷却与润滑工艺不及时调整，即便优化型腔结构，仍会出现粘模、尺寸漂移问题，因此工艺与模具的动态适配是稳定生产的关键。对于中小型锻造产线，缺少闭环温控设备，更需要依靠工艺参数微调弥补模具温度波动带来的成形偏差。

四、镦挤成形工艺参数与优化模具的匹配适配研究

模具完成结构改进后，坯料制备、加热、润滑、锻压速度等工艺要素需重新匹配，形成稳定适配的工艺体系。

4.1 坯料外形、体积与模具型腔匹配规则

坯料总容积需与型腔有效容积、飞边容纳量精准匹配，体积过小会直接造成充填不足，体积过大会大幅提升成形载荷，加剧模具磨损。坯料外形尽量贴近轮毂预成形轮廓，缩短金属流动距离，降低流动阻力；长径比较大的圆柱坯料增设两端小倒角，避免锻压初期失稳弯曲，防止金属弯折形成折叠。坯料定位段尺寸与模具定位台间隙严格管控，间隙过大会导致坯料偏移，间隙过小则装料困难，影响生产节拍。原材料进厂阶段需增加坯料尺寸称重检测工序，剔除体积超差坯料，从源头减少成形缺陷。

4.2 锻前加热规范与模具热状态匹配

坯料加热温度区间需结合模具承载能力确定，温度偏低会增大金属变形抗力，超出模具结构承载极限，出现闷模、型腔压塌；温度过高易造成晶粒粗大、过烧，同时高温坯料持续灼烧型腔，加速模具表面热磨损。坯料加热需保证径向、轴向温度均匀，温差控制在极小范围，防止局部变形差异导致金属流动紊乱。生产前对模具进行预热，缩小坯料与模具温差，缓解热冲击，与分区冷却水道配合稳定模具工作温度场。

4.3 润滑体系适配模具型腔表面状态

选用高温长效水基石墨润滑剂，适配优化后大圆角、曲面分流型腔；控制涂层厚度均匀一致，润滑剂可在坯料与模具间形成隔热润滑层，降低摩擦阻力，减小成形载荷，延长模具使用寿命。润滑涂层过厚会在金属焊合区形成夹杂缺陷，涂层缺失则出现粘模、零件表面拉伤，需根据型腔曲面复杂程度调整喷涂流量与喷涂时间。

4.4 分级成形速率与模具载荷匹配

单一高速锻压易使金属快速涌向飞边槽，型腔远端未完全充填，结合优化后分流背压结构，采用两级变速成形工艺：低速预镦完成坯料初步变形、金属平稳分配，高速终镦压实型腔增厚区域。锻压设备最大打击力不得超过模具结构设计承载阈值，通过仿真标定最优载荷 - 速度匹配区间，既保证成形效率，又避免模具长期超载荷服役产生塑性变形、开裂。

五、模具与工艺协同优化系统化实施思路

模具结构改进与工艺参数匹配不能割裂开展，需建立覆盖产品设计、模具开发、现场量产全流程的协同优化体系。

产品设计阶段提前介入成形工艺性校核，针对轮毂侧壁加厚区域的尖角、窄槽等难成形结构，协同结构工程师进行微调整，在不降低零件使用性能的前提下增加过渡圆角、简化突变截面，从源头降低模具设计与工艺调试难度。

模具开发阶段依托金属成形仿真软件完成虚拟试锻，模拟金属流动、模具应力、温度场分布，预判充填不足、折叠、模具应力集中等问题，迭代调整型腔圆角、分流面、冷却水道布局，省去多轮实体模具试模，压缩开发周期、降低试制成本；模具加工完成后对型腔、导向面做耐磨、耐热疲劳表面强化处理，保障优化结构的长期使用稳定性。

批量生产阶段建立工艺参数 - 产品质量数据台账，记录加热温度、锻压速度、润滑量、模具预热温度与零件尺寸、缺陷类型的对应关系，定期开展数据关联性分析，持续收窄最优工艺窗口；制定模具定期检测维护制度，定时检查导向间隙、型腔磨损、冷却水路通畅性，及时修复微损伤，维持模具与工艺长期匹配状态，保障批量产品质量稳定。企业可依托数字化采集设备自动记录每炉坯料与锻压参数，减少人工记录误差，实现工艺参数的动态微调。长期生产数据还可建立数据库，为同系列轮毂新品模具开发与工艺设定提供参考，大幅缩短新品调试周期。企业可安排专职工艺员每日统计不良品类型，反向追溯模具磨损或工艺参数偏移问题，形成闭环管控机制。

六、结论

本文针对轮毂类构件侧壁镦挤增厚成形存在充填不足、折叠、尺寸超差、模具损耗快等量产难题，开展锻模多模块结构优化，并系统研究锻造工艺与改进模具的匹配适配关系，形成模具 - 工艺一体化协同优化方案。

通过优化型腔过渡结构、曲面分流飞边槽、复合导向定位、均衡顶出分区冷却系统，可有效引导金属平稳充填，抵消锻压侧向力，均匀脱模降温，从模具层面消除大部分成形缺陷，降低模具热磨损与疲劳失效风险。

坯料体积外形、锻前加热、高温润滑、分级成形速度等工艺参数需与优化后模具结构配套调整，合理匹配能够稳定控制金属变形抗力、流动顺序，充分发挥改进模具的成形优势，避免单一优化模具而工艺不匹配带来的质量波动。

轮毂侧壁增厚精密成形需采用全流程协同优化思路，从产品结构设计、模具仿真迭代开发、现场工艺监控、模具定期维护各环节联动统筹，而非单独改造模具或调整工艺参数。

经现场试锻验证，该协同优化方案可完全消除折叠、充填不足缺陷，零件壁厚同轴度尺寸精度显著提升，模具平均使用寿命提升约 30%，成形载荷降低，生产良品率大幅提高。本文提出的模具改进与工艺匹配思路，同样适用于齿轮毂、法兰轮毂等各类带局部加厚结构回转类锻件的塑性成形生产，具备较强工程推广价值。后续可结合多场耦合仿真与智能监测技术，实现模具温度、锻压参数的实时自适应调控，进一步提升成形自动化与质量稳定性。

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