铝合金车轮轮毂旋压成形实验研究

玄令祥，徐恒秋

（1.长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022；2.长春设备工艺研究所 旋压技术研究室，吉林 长春 130022）

在倡导节能环保、绿色出行的背景下，汽车的轻量化设计显得非常重要。铝合金轮毂正好能够满足人们的需求，起到节约能源、降低成本的作用。铝合金轮毂拥有良好的散热性能和较高的强度，正慢慢替代钢制轮毂。而采用旋压成形工艺进行轮毂的加工成形，这方面的研究还是相对较少的。旋压成形工艺是利用旋压工具对坯料施加压力，使之产生连续的局部塑性变形而成形为所需回转零件的塑性加工工艺。其综合了锻造等加工的特点，具有少无切削、节约材料等优点，将会被越来越多地应用到汽车行业中，尤其是用来进行铝合金车轮轮毂的加工。

1 旋压成形工艺分析

旋压加工的首要问题就是旋压工艺的分析。只有根据实际需求，确定生产任务后，对毛坯、旋压工艺参数等因素进行综合考虑，才能制订出最佳工艺方案。

1.1 材料选择及处理

能够用于旋压的材料种类是非常多的。对于铝合金轮毂旋压来说，只有选择合适的型号，才能更好地满足加工精度及性能要求。本次实验材料选用的为7A04铝合金。7A04铝合金是超硬铝当中研究发展相对比较成熟、应用范围比较广的合金，广泛用于飞机蒙皮、起落架等的制作。其化学成分及主要性能参数如表1所示。实验采用水切割处理方式获得圆板形铝合金坯料，如图1所示。

1.2 工艺装备设计

旋轮是金属旋压中最为主要的一种工具，其在旋压时与毛坯直接接触，需要承受很大的接触压力、摩擦力以及较高的工作温度。旋轮的主要参数有圆角半径、旋轮直径等。旋轮直径对旋压影响不是很大，而圆角半径却有着很大的影响。圆角半径增大，会使得旋轮运动轨迹重叠的可能性增加，从而使得旋压件表面质量提高，但旋压力也随之增大，易出现坯料凸缘部分失稳；反之，旋轮圆角半径减小，旋轮与坯料的接触面积减少的比例要大于变形区的单位接触压力增大的比例，综合的结果就是旋压力减小，同时，工件的贴膜效果也更好。

但是，旋轮圆角半径也不能过小，过小会产生切削现象，旋压件表面质量变差，严重时会出现裂纹缺陷。对于旋轮而言，通过长期的研究和积累，已制造出多种不同规格的标准旋轮。旋轮的选择在很大程度上要考虑材料的性质、旋压工艺参数、加工精度等。本次实验选择的R45的旋轮，如图2所示。

芯模是旋压中的另一个重要的工艺装备。外旋压时，芯模的外表面需要和旋压工件内表面直接接触的，芯模表面会承受很大的局部作用力，产生很大的摩擦，这就要求芯模具有良好的强度、硬度、耐磨性等性能，表面要避免划痕、裂纹等缺陷。实验使用的芯模选择采用H13材料按尺寸要求加工得到，如图3所示。

1.3 工艺参数的选择

旋压要想顺利进行，就要保证选择合适的工艺参数，主要的工艺参数有主轴转速、进给量等。

1.3.1 主轴转速

旋压中，主轴转速的影响程度不是很明显，但是这不意味着参数可以随意选择和使用。如果主轴转速合理、恰当，则可以起到改善零件的表面光洁度并提高旋压生产效率的作用。由于旋压件要求的尺寸较大，实验中选择的主轴转速为50 r/min。

1.3.2 进给量和进给速度

进给量指的是旋轮在芯模每转一圈的时间内，沿着芯模母线移动的距离。进给量的大小对旋压过程中旋压件的成形质量和精度有着很大的影响——当进给量较大时，对于旋压件的贴膜是有利的；当进给量较小时，则有利于旋压件表面光洁度的提高。因此，实验中选择的进给速度为100 mm/min。

2 铝合金车轮轮毂的旋压实验

2.1 工艺流程安排

先进行程序的测试调整，然后完成芯模及旋轮的安装、测量、调整。准备工作完成后，开始旋压实验。为了顺利完成铝合金轮毂的旋压成形，并保证其性能，选择了热旋压的方式，这就需要对坯料和芯模进行预加热。当预热温度达到要求，把坯料安装于芯模上，利用尾顶压紧。安装完成后，在主轴的带动下，装有坯料的芯模开始回转，旋轮按照设定的轨迹线，在程序控制下进行旋压。铝合金轮毂成形后，旋轮退回初始位置，旋压加工完成；尾顶退回，借助于安装在主轴中的液压顶出器将旋压好的铝合金车轮轮毂工件从芯模上顶下来。

2.2 旋压过程中的主要步骤

2.2.1 预加热及加热

坯料是采用加热炉进行预热，预热温度为380±30℃。芯模模具是采用乙炔火焰枪进行的预热，模具预热到约200℃。通过预热处理，可以使得坯料整体的加热比较均匀，有效避免由于芯模或机床对于坯料内表面的吸热而导致热量流失。旋压实验过程中选择乙炔火焰枪进行加热。乙炔火焰枪是一种应用很广的烧焊金属工具，火焰最高温度能够满足铝合金车轮轮毂的旋压成形的温度要求。

2.2.2 润滑和热处理

为了减少旋压中的摩擦阻力，改善旋压件加工表面质量，更好地控制温度，选择人工用毛刷将二硫化钼润滑剂直接涂刷在旋轮上进行润滑。使用乙炔火焰枪对工件加热来进行温度补偿，同时，采用具有测量准、测温快等优点的手持式测温仪进行温度的实时监控，保证旋压中温度的均衡性。由于手持式测温仪属于非接触式的测量仪器，所以，能够及时反馈坯料温度来避免材料因温度过高而导致的过烧。

2.3 旋压实验成形过程

旋压成形的过程如图4所示。

从图4中可以看出，坯料固定在芯模上，旋轮固定在旋轮架上，主轴带动坯料一起旋转。等到坯料和旋轮接触以后，在摩擦力作用下，旋轮开始做自转运动；在程序的控制下，按照编写的轨迹线运动，进行旋压件的旋压成形。整个过程中坯料一直保持加热状态，直至成形结束。

2.4 旋压实验结果分析

完成第一次的旋压后，发现旋压件的边缘还是出现了开裂的现象，如图5所示。分析认为是在旋压过程中，该部分旋压材料没有能够完全贴模，虽然仍在旋轮的作用下向前延伸，但是材料内部是处于承受拉应力的状态，而不是理论上承受压应力的状态。

针对首次旋压出现的开裂问题，对旋压的旋轮进给率、减薄率等参数进行了适当的调整，以此来减小旋压变形区的坯料厚度，进而能够达到避免开裂现象出现的目的。调整之后，又继续进行了旋压成形加工，而且最终的旋压成形件，没有出现此类的开裂等缺陷。之后，对旋压成形件进行了机加工等后续处理，得到的旋压件如图6中所示。通过测量发现，旋压件的加工尺寸在允许范围内，成形效果较好，达到了预期目标，满足了成形质量要求。

3 结束语

通过对于铝合金车轮轮毂的旋压实验研究，得到以下结论：①在常温下，铝合金材料的塑性比较差，在进行旋压成形时有必要对材料进行加热，来提高铝合金的塑性。同时，加热时温度的控制也非常重要。②旋压过程中要综合考虑各因素的影响，这样才能避免破裂、橘皮等缺陷的产生，保证成形件质量。③通过对大尺寸铝合金轮毂旋压的实验研究，收集了相关的旋压成形数据并进行了总结，丰富了对于这一方面轮毂旋压的经验，有利于推动铝合金轮毂旋压技术的发展，为今后相关的研究工作起到参考和借鉴的作用。

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