新材料与工艺手册

[车身轻量化] 铝合金轮毂旋压成型工艺研究

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发表于 2012-11-21 04:23:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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   1、前言
    铝合金轮毂有重量轻、成本低、强度高的优点,而且铝有较强的导热性能,可大大延长汽车、摩托车轮胎使用寿命,特别是高负载卡车轮胎的寿命。(根据欧洲车轮生产商“ALCOA”公司测试数据,铝合金轮毂使轮胎最长可延长20%的使用寿命)。
    2、课题的提出
    近年来,随着国际市场上车轮生产厂商生产工艺的不断改进,欧美车轮行业逐步用强旋铝合金轮毂取代传统的车轮生产工艺,国内车轮行业也在朝着先进的铝合金车轮生产工艺方面发展。下面是某厂商需要订做的典型车轮轮毂(图1)。轮毂材料为6061合金铝,(相当于国内牌号LD30)。
    3、轮毂旋压加工设备
    PT30501CNC双轮卧式强力旋压机,旋压加工工件的直径范围φ100~φ1000mm,旋轮纵向行程1900mm,最大旋压力30吨。这些机床参数说明该台旋压机满足轮毂强力旋压工艺要求。
    4、铝合金轮毂旋压工艺方案
    4.1 轮毂材料6061合金铝的旋压性能分析
    6061铝合金属于Cu-Mg-Si-Mn系铝基合金,其化学成份如下:
    Cu-0.15%~0.4%,Mg-0.45%~0.9%,Si-0.4%~0.8%,Mn-0.15%;该种材料在固溶时效状态下的机械性能指标为:
σb≥320Mpa,δ5≥12%,ψb≥25%,HB≥120。
    因此,6061合金铝在固溶时效状态下的可旋性指标值——单道次极限减薄率为:
φmax=ψb/(0.17+ψb)×100%=0.25/(0.17+0.25)×100%=60%。
    这个指标值说明它的可旋性比高强度钢的可旋性要差一些,旋压工艺中,必要时应适当加热,工件加热温度310℃~350℃。另外,为提高铝合金的可旋性,可适当加入一些矿物元素——锑和锶(0.02%)。
    4.2轮毂旋压工艺方案的选择
    像这种对称式碟形轮毂,旋压工艺方式一般可采用取板材劈开式旋压或用铸(锻)件毛坯进行强力旋压成型两种工艺方式。劈开式旋压工艺是将圆盘状板坯用劈开轮通过分层工艺,使毛坯在中部被劈成两个等分,之后,再用成型轮渐进普旋成型即可;强旋工艺是将铸铝毛坯或锻造毛坯进行若干道次的强旋成型工艺,旋压达到轮毂型面尺寸要求,强旋工艺生产出来的轮毂重量比锻造轮毂重量可减轻大约25%,这是因为强旋工艺可旋制出变截面厚度,在满足车轮强度指标要求的前提下,可适当减薄轮毂厚度。
    由于我厂的PT30501CNC机床纵横向滚珠丝杠成75°夹角,当旋轮编程轨迹只沿工件径向移动时,机床实际运动过程中旋轮在轴向有分位移,使得旋压加工过程中劈开轮外缘端面受到一定的轴向压力,它的反作用力直接作用于机床滚珠丝杠传动部分,影响机床使用寿命及精度,因此,这种结构形式不利于轮毂劈开式旋压。根据以上分析,我们选择强力旋压工艺来成型这种对称式碟形铝轮毂。
    4.3 轮毂强旋工艺路线
    精密锻造毛坯第一道次强旋 第二道次强
    旋成型转数控车间机加成轮毂成品。
    5.工艺方案实施过程
    5.1工装设计
    旋压芯模材料选用,型面光洁度Ra0.4~Ra0.8um;成型旋轮预成型角°,圆角半径mm,材料选用,热处理硬度。
    5.2旋压毛坯设计
    用实体造型软件(Solidworks,MastCAM等)绘制轮毂旋压件实体造型,并求其金属体积。依据体积不变性设计计算模锻件旋压毛坯。
    5.3 强旋工艺实施效果
    第一道次旋压工艺参数:S=0r/min,进给比F=0mm/r,第二道次强旋工艺参数:S=0r/min,F=0mm/r。
    工艺试验初期,用R15成型轮进行两道次强旋成型,试验过程中产生堆积起皮,拉裂缺陷。随后,将Rmm轮改为R成型轮,并且增大了旋压芯模上过渡圆角半径,起皮、拉裂缺陷得到了消除。我们认为这种堆积、起皮缺陷主要是由于旋压轮成型圆角半径偏小且无预成型角,旋压成形时,金属受力面积较小,部分金属无法参与变形,加之工件型面复杂,材料变形时流动不畅;坯料底部Rmm圆弧破裂主要是由于旋压毛坯和模胎在该处的圆角半径Rmm太小,导致变形过程中应力集中较为严重,并且该处材料变形率最大,达到65%左右,已经超过了6061铝合金(LD30)的旋压极限减薄率60%,致使加工硬化现象严重。
    上述试验分析表明最初的旋压毛坯,旋压模胎存在一定的设计问题。旋压毛坯应在满足工件金属体积要求的前提条件下,适当减小旋压成型部位的金属厚度(也就是在保证金属体积不变的前提下增大坯料高度,减小坯料外径),以此降低旋压减薄率,减小旋压加工硬化问题;旋压模胎型面上过渡圆角半径普遍偏小,且加工的型面光洁度未达到设计要求的Ra0.8mm。根据前面旋压工艺试验的结果和质量分析,我们对后面试验件的旋压工艺方案做出了适当调整,变三道次为二道次旋压,成型旋轮均用Rmm。堆积、起皮缺陷基本上得到了解决,但工件大端内外型面均出现了撕裂现象。我们认为,该现象出现是由于该部位材料在两道次旋压过程中均是处于不完全贴模的普旋成型,金属之所以能够向前延伸,是由于旋轮带着坯料表层金属向前移动,材料内部就产生了拉应力,而不是承受压应力状态。针对工件撕裂问题,我们将旋轮预成型角由°改为°,旋压毛坯外径由φ427mm改为φ421mm,依此来减小旋压变形区域材料厚度,降低道次减薄率。还对旋压轮的运动轨迹作了修正,使材料流动更为通畅,工件破裂问题得到了解决。
    将轮毂旋压件进行固溶时效热处理,保证得到形状和尺寸较为稳定铝合金轮毂产品,同时提高轮毂的机械性能。
    6.结论
    利用强旋工艺方案在PT30501CNC双轮卧式强力旋压机上旋制6061铝合金轮毂是切实可行的,但是,必须设计制造出合理的旋压芯模和旋轮,并选取合理的旋压工艺参数,才能解决轮毂旋压过程中出现的堆积、起皮和破裂等缺陷。

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