鋁合金車輪輪轂旋壓成形實(shí)驗(yàn)研究

玄令祥，徐恒秋

（1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130022；2.長春設(shè)備工藝研究所 旋壓技術(shù)研究室，吉林 長春 130022）

在倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保、綠色出行的背景下，汽車的輕量化設(shè)計(jì)顯得非常重要。鋁合金輪轂正好能夠滿足人們的需求，起到節(jié)約能源、降低成本的作用。鋁合金輪轂擁有良好的散熱性能和較高的強(qiáng)度，正慢慢替代鋼制輪轂。而采用旋壓成形工藝進(jìn)行輪轂的加工成形，這方面的研究還是相對較少的。旋壓成形工藝是利用旋壓工具對坯料施加壓力，使之產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形而成形為所需回轉(zhuǎn)零件的塑性加工工藝。其綜合了鍛造等加工的特點(diǎn)，具有少無切削、節(jié)約材料等優(yōu)點(diǎn)，將會被越來越多地應(yīng)用到汽車行業(yè)中，尤其是用來進(jìn)行鋁合金車輪輪轂的加工。

1 旋壓成形工藝分析

旋壓加工的首要問題就是旋壓工藝的分析。只有根據(jù)實(shí)際需求，確定生產(chǎn)任務(wù)后，對毛坯、旋壓工藝參數(shù)等因素進(jìn)行綜合考慮，才能制訂出最佳工藝方案。

1.1 材料選擇及處理

能夠用于旋壓的材料種類是非常多的。對于鋁合金輪轂旋壓來說，只有選擇合適的型號，才能更好地滿足加工精度及性能要求。本次實(shí)驗(yàn)材料選用的為7A04鋁合金。7A04鋁合金是超硬鋁當(dāng)中研究發(fā)展相對比較成熟、應(yīng)用范圍比較廣的合金，廣泛用于飛機(jī)蒙皮、起落架等的制作。其化學(xué)成分及主要性能參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用水切割處理方式獲得圓板形鋁合金坯料，如圖1所示。

1.2 工藝裝備設(shè)計(jì)

旋輪是金屬旋壓中最為主要的一種工具，其在旋壓時與毛坯直接接觸，需要承受很大的接觸壓力、摩擦力以及較高的工作溫度。旋輪的主要參數(shù)有圓角半徑、旋輪直徑等。旋輪直徑對旋壓影響不是很大，而圓角半徑卻有著很大的影響。圓角半徑增大，會使得旋輪運(yùn)動軌跡重疊的可能性增加，從而使得旋壓件表面質(zhì)量提高，但旋壓力也隨之增大，易出現(xiàn)坯料凸緣部分失穩(wěn)；反之，旋輪圓角半徑減小，旋輪與坯料的接觸面積減少的比例要大于變形區(qū)的單位接觸壓力增大的比例，綜合的結(jié)果就是旋壓力減小，同時，工件的貼膜效果也更好。

但是，旋輪圓角半徑也不能過小，過小會產(chǎn)生切削現(xiàn)象，旋壓件表面質(zhì)量變差，嚴(yán)重時會出現(xiàn)裂紋缺陷。對于旋輪而言，通過長期的研究和積累，已制造出多種不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)旋輪。旋輪的選擇在很大程度上要考慮材料的性質(zhì)、旋壓工藝參數(shù)、加工精度等。本次實(shí)驗(yàn)選擇的R45的旋輪，如圖2所示。

芯模是旋壓中的另一個重要的工藝裝備。外旋壓時，芯模的外表面需要和旋壓工件內(nèi)表面直接接觸的，芯模表面會承受很大的局部作用力，產(chǎn)生很大的摩擦，這就要求芯模具有良好的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等性能，表面要避免劃痕、裂紋等缺陷。實(shí)驗(yàn)使用的芯模選擇采用H13材料按尺寸要求加工得到，如圖3所示。

1.3 工藝參數(shù)的選擇

旋壓要想順利進(jìn)行，就要保證選擇合適的工藝參數(shù)，主要的工藝參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等。

1.3.1 主軸轉(zhuǎn)速

旋壓中，主軸轉(zhuǎn)速的影響程度不是很明顯，但是這不意味著參數(shù)可以隨意選擇和使用。如果主軸轉(zhuǎn)速合理、恰當(dāng)，則可以起到改善零件的表面光潔度并提高旋壓生產(chǎn)效率的作用。由于旋壓件要求的尺寸較大，實(shí)驗(yàn)中選擇的主軸轉(zhuǎn)速為50 r/min。

1.3.2 進(jìn)給量和進(jìn)給速度

進(jìn)給量指的是旋輪在芯模每轉(zhuǎn)一圈的時間內(nèi)，沿著芯模母線移動的距離。進(jìn)給量的大小對旋壓過程中旋壓件的成形質(zhì)量和精度有著很大的影響——當(dāng)進(jìn)給量較大時，對于旋壓件的貼膜是有利的；當(dāng)進(jìn)給量較小時，則有利于旋壓件表面光潔度的提高。因此，實(shí)驗(yàn)中選擇的進(jìn)給速度為100 mm/min。

2 鋁合金車輪輪轂的旋壓實(shí)驗(yàn)

2.1 工藝流程安排

先進(jìn)行程序的測試調(diào)整，然后完成芯模及旋輪的安裝、測量、調(diào)整。準(zhǔn)備工作完成后，開始旋壓實(shí)驗(yàn)。為了順利完成鋁合金輪轂的旋壓成形，并保證其性能，選擇了熱旋壓的方式，這就需要對坯料和芯模進(jìn)行預(yù)加熱。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到要求，把坯料安裝于芯模上，利用尾頂壓緊。安裝完成后，在主軸的帶動下，裝有坯料的芯模開始回轉(zhuǎn)，旋輪按照設(shè)定的軌跡線，在程序控制下進(jìn)行旋壓。鋁合金輪轂成形后，旋輪退回初始位置，旋壓加工完成；尾頂退回，借助于安裝在主軸中的液壓頂出器將旋壓好的鋁合金車輪輪轂工件從芯模上頂下來。

2.2 旋壓過程中的主要步驟

2.2.1 預(yù)加熱及加熱

坯料是采用加熱爐進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為380±30℃。芯模模具是采用乙炔火焰槍進(jìn)行的預(yù)熱，模具預(yù)熱到約200℃。通過預(yù)熱處理，可以使得坯料整體的加熱比較均勻，有效避免由于芯?；驒C(jī)床對于坯料內(nèi)表面的吸熱而導(dǎo)致熱量流失。旋壓實(shí)驗(yàn)過程中選擇乙炔火焰槍進(jìn)行加熱。乙炔火焰槍是一種應(yīng)用很廣的燒焊金屬工具，火焰最高溫度能夠滿足鋁合金車輪輪轂的旋壓成形的溫度要求。

2.2.2 潤滑和熱處理

為了減少旋壓中的摩擦阻力，改善旋壓件加工表面質(zhì)量，更好地控制溫度，選擇人工用毛刷將二硫化鉬潤滑劑直接涂刷在旋輪上進(jìn)行潤滑。使用乙炔火焰槍對工件加熱來進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時，采用具有測量準(zhǔn)、測溫快等優(yōu)點(diǎn)的手持式測溫儀進(jìn)行溫度的實(shí)時監(jiān)控，保證旋壓中溫度的均衡性。由于手持式測溫儀屬于非接觸式的測量儀器，所以，能夠及時反饋坯料溫度來避免材料因溫度過高而導(dǎo)致的過燒。

2.3 旋壓實(shí)驗(yàn)成形過程

旋壓成形的過程如圖4所示。

從圖4中可以看出，坯料固定在芯模上，旋輪固定在旋輪架上，主軸帶動坯料一起旋轉(zhuǎn)。等到坯料和旋輪接觸以后，在摩擦力作用下，旋輪開始做自轉(zhuǎn)運(yùn)動；在程序的控制下，按照編寫的軌跡線運(yùn)動，進(jìn)行旋壓件的旋壓成形。整個過程中坯料一直保持加熱狀態(tài)，直至成形結(jié)束。

2.4 旋壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

完成第一次的旋壓后，發(fā)現(xiàn)旋壓件的邊緣還是出現(xiàn)了開裂的現(xiàn)象，如圖5所示。分析認(rèn)為是在旋壓過程中，該部分旋壓材料沒有能夠完全貼模，雖然仍在旋輪的作用下向前延伸，但是材料內(nèi)部是處于承受拉應(yīng)力的狀態(tài)，而不是理論上承受壓應(yīng)力的狀態(tài)。

針對首次旋壓出現(xiàn)的開裂問題，對旋壓的旋輪進(jìn)給率、減薄率等參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以此來減小旋壓變形區(qū)的坯料厚度，進(jìn)而能夠達(dá)到避免開裂現(xiàn)象出現(xiàn)的目的。調(diào)整之后，又繼續(xù)進(jìn)行了旋壓成形加工，而且最終的旋壓成形件，沒有出現(xiàn)此類的開裂等缺陷。之后，對旋壓成形件進(jìn)行了機(jī)加工等后續(xù)處理，得到的旋壓件如圖6中所示。通過測量發(fā)現(xiàn)，旋壓件的加工尺寸在允許范圍內(nèi)，成形效果較好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，滿足了成形質(zhì)量要求。

3 結(jié)束語

通過對于鋁合金車輪輪轂的旋壓實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：①在常溫下，鋁合金材料的塑性比較差，在進(jìn)行旋壓成形時有必要對材料進(jìn)行加熱，來提高鋁合金的塑性。同時，加熱時溫度的控制也非常重要。②旋壓過程中要綜合考慮各因素的影響，這樣才能避免破裂、橘皮等缺陷的產(chǎn)生，保證成形件質(zhì)量。③通過對大尺寸鋁合金輪轂旋壓的實(shí)驗(yàn)研究，收集了相關(guān)的旋壓成形數(shù)據(jù)并進(jìn)行了總結(jié)，豐富了對于這一方面輪轂旋壓的經(jīng)驗(yàn)，有利于推動鋁合金輪轂旋壓技術(shù)的發(fā)展，為今后相關(guān)的研究工作起到參考和借鑒的作用。

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