鋁合金輪輻旋壓工藝性研究

孔令晶，袁希貴，張 楊

(1.哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056；2.駐674廠軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150056)

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鋁合金輪輻旋壓工藝性研究

孔令晶1，袁希貴1，張 楊2

(1.哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056；2.駐674廠軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150056)

以特種車輛減重為背景，就某坦克裝甲車輛輪輻的實(shí)際需求，對旋壓鋁合金輪輻薄壁零件的成形工藝特點(diǎn)、加工過程進(jìn)行研究。充分考慮成形過程中的加熱和控溫技術(shù)，通過合理安排工藝過程，優(yōu)化工藝參數(shù)，有效地控制了零件的成形精度和加工變形，實(shí)現(xiàn)了變壁厚的等強(qiáng)度效果。產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品合格率得到了提高。

變形鋁合金；旋壓；薄壁零件；熱處理；加工變形；保證質(zhì)量

隨著鋁制工業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金材料在機(jī)械產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。裝甲車輛的行走部件也大量采用鋁合金材料，旋壓鋁合金輪輻是裝甲車輛中應(yīng)用的關(guān)鍵部件之一。本文針對負(fù)重輪輪輻首次采用旋壓成形技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 旋壓鋁合金輪輻的特點(diǎn)

1.1 鋁合金零件的制造特點(diǎn)

鋁合金零件的制造特點(diǎn)如下：1)鋁合金材料的塑性和韌性好，粘附性強(qiáng)，切屑不易分離；2)鋁合金材料在一般情況下剛性差，工件在加工中容易產(chǎn)生變形；3)鋁的線膨脹系數(shù)比鋼的線膨脹系數(shù)大，在切削加工過程中熱變形較大；4)鋁合合金材料硬度偏低，在加工過程中，加工表面容易被劃傷。

變形鋁合金按熱處理特點(diǎn)及性能、用途可分為：硬鋁、超硬鋁、鍛鋁及鋁鋰合金(這4種可熱處理強(qiáng)化)；純鋁和防銹鋁(這2種不能被熱處理強(qiáng)化)。

超硬鋁以Al-Zn-Mg-Cu系為主，是一種可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金。其優(yōu)點(diǎn)是在變形鋁合金中強(qiáng)度最高，延展性較好；缺點(diǎn)是有應(yīng)力腐蝕傾向，熱穩(wěn)定性較差。其適用于質(zhì)量輕、尺寸較大、材料比強(qiáng)度高、具有足夠的抗沖擊性能和良好的抗疲勞性能的零件。

1.2 輪輻結(jié)構(gòu)

旋壓鋁合金輪輻是一種薄壁、承重零件，選用超硬鋁加工制造，既可滿足減輕車輛質(zhì)量的設(shè)計(jì)要求，又可達(dá)到抗沖擊和耐疲勞的使用性能。

輪輻零件材料為LC4-CS，外徑為586 mm，高度為176 mm。中空型結(jié)構(gòu)，壁厚為12 mm。加工完成后壁厚為10 mm。該零件屬于薄壁零件，剛強(qiáng)度較弱。鋁合金輪輻零件結(jié)構(gòu)及總成三維效果如圖1所示。

圖1 單片輪輻結(jié)構(gòu)圖

1.3 工藝特點(diǎn)

旋壓鋁合金輪輻是履帶裝甲車輛行動系統(tǒng)的主要零件，其承受較大的沖擊應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、硬度、抗蠕變、抗疲勞和耐腐蝕等性能。該零件是一種薄壁零件，采用原鑄造、鍛造及液態(tài)模鍛的工藝方法存在較大的材料冗余，不僅加工余量較大，而且冗余帶到成品，導(dǎo)致減重困難。而采用旋壓成形工藝，旋壓輪輻可設(shè)計(jì)為等強(qiáng)度變壁厚的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，材料利用率高，機(jī)械加工量小，生產(chǎn)成本低。通過采用反旋增厚技術(shù)，可減小輪輻掛膠面拐角處的圓弧度，減少材料冗余，從而加大掛膠面支承面積，提高橡膠的粘接強(qiáng)度和使用壽命。

2 研究方法

以零件的材質(zhì)特性研究為基礎(chǔ)，通過研究變形技術(shù)對材質(zhì)性能和組織的影響，零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，成形過程中的加熱和控溫技術(shù)，以及毛坯的預(yù)先熱處理、零件固溶處理和時效等熱處理工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變壁厚等強(qiáng)度效果[1-2]。

鋁合金輪輻旋壓由綜合普旋和強(qiáng)旋組成。在旋壓過程中，將毛坯裝夾在芯模上，工件固定在芯模上加熱，通過紅外線測溫儀觀測工件溫度變化，以調(diào)節(jié)溫度，保證工件適合溫度。當(dāng)主軸帶動毛坯旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)自動控制旋輪運(yùn)動軌跡，旋輪按優(yōu)化的旋壓軌跡作運(yùn)動，逐步地使毛坯緊貼模具形面，從而得到尺寸符合要求的工件。技術(shù)總體研究方案如圖2所示。

圖2 技術(shù)總體研究方案

3 輪輻的工藝性分析

3.1 加工工藝流程

輪輻加工工藝流程為：離子焊下料→中心孔精車→毛坯熱處理→旋壓預(yù)成形及旋壓翻邊→固溶處理(淬火)+時效→精車→鉆孔→掛膠。

3.2 在成形、熱處理及加工過程中易產(chǎn)生的問題

采用板料多工序旋壓成形，普通旋壓、強(qiáng)力旋壓和翻邊旋壓的復(fù)合旋壓成形，尤其在掛膠面與翻邊圓角成形控制技術(shù)上有一定難度，既要保證外圓角小、內(nèi)圓角大，又要保證成形厚度。在成形過程中，變形量大，超過鋁合金常溫變形的范圍，易開裂。

旋壓成形過程中的溫控對旋壓鋁合金輪輻的成形起著重要的作用，若溫度過高，容易引起材料過燒；反之，達(dá)不到效果。旋壓成形后的零件應(yīng)進(jìn)行淬火和時效處理，如果工藝參數(shù)控制不準(zhǔn)確，裝夾不合理，易導(dǎo)致綜合力學(xué)性能不合格和變形；因此，應(yīng)對工件的裝夾力、刀具幾何參數(shù)和設(shè)備精度等嚴(yán)格要求。

3.3 影響加工精度的因素

影響零件加工精度的因素如下。

1)工藝系統(tǒng)的變形及變化產(chǎn)生工件誤差。應(yīng)合理選用切削用量和刀具幾何參數(shù)，盡量減小切削力所引起的變形；合理分配加工余量，分多工序多次走刀加工，把零件變形控制到最小。

2)受力變形。因零件壁薄，在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而影響零件的尺寸精度和形狀精度，因而夾緊力既要適中，又要夾緊牢靠。

3)受熱變形。因工件較薄，切削熱會引起工件的熱變形，因此應(yīng)采用小進(jìn)給量，高轉(zhuǎn)數(shù)，加大刀具后角，以避免刀具與工件摩擦力大使零件過熱產(chǎn)生變形。

4)振動變形。切削時很容易產(chǎn)生振動和變形，影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。

5)夾具誤差。夾具誤差(包括定位元件、夾具體等零件的制造誤差)、在機(jī)床上的安裝誤差以及工件在夾具上的安裝誤差都會影響零件的加工精度。

4 技術(shù)研究

4.1 成形技術(shù)

旋壓鋁合金輪輻工藝采用板料成形。旋壓過程示意圖如圖3所示。

圖3 輪輻旋壓過程示意圖

溫控技術(shù)對鋁合金輪輻的旋壓成形起著重要作用。在旋壓過程中，應(yīng)采用多道次熱旋壓工藝，嚴(yán)格控制每一道次的加熱溫度和工藝參數(shù)，從而保證最終成形尺寸精度。

在旋輪、芯模和工件之間，應(yīng)涂合適的保溫潤滑劑，以控制溫度降低，減小摩擦，增加金屬流動性，避免旋壓力及溫度過高時影響旋輪、模具的精度，從而提高模具壽命和成形件表面質(zhì)量。潤滑劑可選用 MoS2，

4.2 熱處理技術(shù)

選用鋁合金熱處理設(shè)備對旋壓鋁合金輪輻進(jìn)行固溶處理和時效處理。其淬火保溫時間、淬火轉(zhuǎn)移速度、冷卻介質(zhì)的溫度和零件的擺放方式等技術(shù)參數(shù)的差異，都將對零件力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。

4.2.1 固溶處理(淬火)技術(shù)

固溶處理技術(shù)的關(guān)鍵是加熱溫度、保溫時間及冷卻參數(shù)的選擇。

選擇鋁合金固溶處理加熱溫度的原則是防止過燒和使強(qiáng)化相最大限度地溶入固溶體。

保溫的目的在于使工件透熱，并使強(qiáng)化相充分溶解和固溶體均勻化。確定保溫時間應(yīng)考慮工件厚度、塑性變形程度和原始組織等3個方面的因素。

鋁合金常用的淬火冷卻介質(zhì)是水，水的淬火冷卻特性與水溫有關(guān)，冷卻速度隨水溫的升高而降低。如果冷卻太快，則工件內(nèi)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，可導(dǎo)致淬火畸變或出現(xiàn)裂紋。

4.2.2 防控?zé)崽幚碜冃渭夹g(shù)

旋壓鋁合金輪輻熱處理變形傾向大，主要包括熱變形和組織變形。針對零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合熱處理設(shè)備的具體情況，配置了專用工裝(見圖4)。

圖4 輪輻熱處理裝夾示意圖

4.2.3 時效技術(shù)

人工時效硬化曲線有一個強(qiáng)度峰值，超過峰值時效溫度后，加熱溫度越高，強(qiáng)度峰值越低，出現(xiàn)峰值所用時間越短。人工時效時合金塑性隨強(qiáng)度的上升明顯降低。應(yīng)嚴(yán)格控制人工時效溫度和時間，若溫度低，時間短，強(qiáng)度達(dá)不到峰值；反之，會使合金強(qiáng)度下降。

4.3 機(jī)械加工技術(shù)

合金的變形抗力對溫度很敏感，高溫時加工硬化現(xiàn)象不明顯，溫度過高使得金屬晶粒粗大，變形后性能降低；因而防止切削溫度過高使工件產(chǎn)生變形，控制零件加工變形，保證精度要求尤為重要。

4.3.1 基準(zhǔn)的選擇

首先考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為工序基準(zhǔn)，基準(zhǔn)的確定需與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)一致；同時盡量選擇用光潔、平整、面積較大的表面為基準(zhǔn)面。應(yīng)去掉基準(zhǔn)面上的飛邊和凸起，以保證定位準(zhǔn)確，夾緊可靠。在加工中，選取輪輻最大外圓及頂端面為粗加工基準(zhǔn)。

4.3.2 加工精度控制

在加工輪輻過程中，采用較高的轉(zhuǎn)數(shù)(160～200 r/min)和較小的走刀量(0.2 mm/r)，可有效地減少反復(fù)摩擦；刀具刃磨上采用較大的后角，效果很好。

為減少積屑瘤產(chǎn)生，特別是避免積屑瘤消失時的殘痕粘附在前刀面上，應(yīng)將刀具切削刃的前面和后面用油石打磨光滑，同時注意車削時刀具的角度。

為了保證孔的位置精度，配置專用鉆模(見圖5)，以保證位置度的要求，同時可提高生產(chǎn)效率。

圖5 鉆模示意圖

在車削時要求外圓面一次走刀，無接刀痕跡，這樣必須將加工面全部露出來，用車好的內(nèi)孔及端面定位， 給加工帶來了困難?？紤]到該件外圓加工量不大，因此在切削時側(cè)面無需加固，只是在內(nèi)腔用壓板及螺栓壓緊，然后進(jìn)行切削，這樣既可滿足圖樣要求，又提高了生產(chǎn)效率。車床夾具示意圖如圖6所示。

圖6 車床夾具示意圖

5 結(jié)語

旋壓工藝成形的鋁合金負(fù)重輪屬于創(chuàng)新工藝，可降低因鍛造、鑄造結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的材料冗余，是裝甲車輛高機(jī)動輕量化的重要途徑之一。通過合理安排工序，采取針對性措施，可以滿足裝甲車輛的使用需求。經(jīng)過行駛驗(yàn)證，其質(zhì)量穩(wěn)定，效果良好，對促進(jìn)裝甲車輛輕量化快速發(fā)展具有重大意義。

[1] 劉建華，楊合，李玉強(qiáng).旋壓技術(shù)基本原理的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].重型機(jī)械，2002(3):1-4.

[2] 劉永華，檀雯，張寧.鋁合金旋壓的研究動態(tài)[J].輕合金加工技術(shù)，2008(8):6-8.

責(zé)任編輯 馬彤

Research of Aluminum Alloy Wheel Rotating Pressure Process

KONG Lingjing1, YUAN Xigui1, ZHANG Yang2

(1.Harbin First Machinery Group Co., Ltd., Harbin 150056, China; 2.The 674 military agent’s room, Harbin 150056, China)

As the background of loss weight of the special vehicle, the forming process characteristic and machining process for rotating pressure aluminum alloy wheel arm thin wall components are studied according to the actual requirement for the tank armored vehicle wheel arm. Fully consider the forming process of heating and temperature control technology, and through the reasonable arrangement of process, optimization of process parameters and choose tool fixture, cutting dosage, natural cooling completely in the air we control forming accuracy and processing deformation of components effectively, realize equal intensity effect of becoming thick wall. The quality is stable and reliable, and the production efficiency and ration of qualification is improved.

deformation aluminum alloy, rotating pressure, thin wall component, heat treatment, process deformation, ensuring quality

TJ 81+0.2

A

孔令晶(1981-)，女，高級工程師，主要從事熱處理等方面的研究。

2016-04-18