鋁合金輪轂旋壓成型工藝研究

摘要：本文通過對6061鋁合金旋壓變形性能的分析，主要論述對稱式碟形輪轂旋壓工藝方案的實施過程及效果。關鍵詞：鋁合金；輪轂旋壓；工藝研究１前言鋁合金輪轂有重量輕、成本低、強度高的優點，而且鋁有較強的導熱性能，可大大延長汽車、摩托車輪胎使用壽命，特別是高負載卡車輪胎的壽命。（根據歐洲車輪生產商「ALCOA」公司測試數據，鋁合金輪轂使輪胎最長可延長20％的使用壽命）。２課題的提出近年來，隨著國際市場上車輪生產廠商生產工藝的不斷改進，歐美車輪行業逐步用強旋鋁合金輪轂取代傳統的車輪生產工藝，國內車輪行業也在朝著先進的鋁合金車輪生產工藝方面發展。下面是某廠商需要訂做的典型車輪輪轂（圖１）。輪轂材料為6061合金鋁，（相當於國內牌號LD30）。３輪轂旋壓加工設備PT30501CNC雙輪卧式強力旋壓機，旋壓加工工件的直徑範圍φ100~φ1000mm，旋輪縱向行程1900mm，最大旋壓力30噸。這些機床參數說明該台旋壓機滿足輪轂強力旋壓工藝要求。4鋁合金輪轂旋壓工藝方案4.1輪轂材料6061合金鋁的旋壓性能分析6061鋁合金屬於Cu-Mg-Si-Mn系鋁基合金，其化學成份如下：Cu-0.15%~0.4%，Mg-0.45%~0.9%，Si-0.4%~0.8%，Mn-0.15%；該種材料在固溶時效狀態下的機械性能指標為：σb≥320Mpa，δ5≥12%，ψb≥25%，HB≥120。因此，6061合金鋁在固溶時效狀態下的可旋性指標值——單道次極限減薄率為：φmax=ψb/（0.17+ψb）×100%=0.25/（0.17+0.25）×100%=60%。這個指標值說明它的可旋性比高強度鋼的可旋性要差一些，旋壓工藝中，必要時應適當加熱，工件加熱溫度310℃~350℃。另外，為提高鋁合金的可旋性，可適當加入一些礦物元素——銻和鍶（0.02%）。4.2輪轂旋壓工藝方案的選擇像這種對稱式碟形輪轂，旋壓工藝方式一般可採用取板材劈開式旋壓或用鑄（鍛）件毛坯進行強力旋壓成型兩種工藝方式。劈開式旋壓工藝是將圓盤狀板坯用劈開輪通過分層工藝，使毛坯在中部被劈成兩個等分，之後，再用成型輪漸進普旋成型即可；強旋工藝是將鑄鋁毛坯或鍛造毛坯進行若干道次的強旋成型工藝，旋壓達到輪轂型面尺寸要求，強旋工藝生產出來的輪轂重量比鍛造輪轂重量可減輕大約25%，這是因為強旋工藝可旋制出變截面厚度，在滿足車輪強度指標要求的前提下，可適當減薄輪轂厚度。由於我廠的PT30501CNC機床縱橫向滾珠絲杠成75°夾角，當旋輪編程軌跡只沿工件徑向移動時，機床實際運動過程中旋輪在軸向有分位移，使得旋壓加工過程中劈開輪外緣端面受到一定的軸向壓力，它的反作用力直接作用於機床滾珠絲杠傳動部分，影響機床使用壽命及精度，因此，這種結構形式不利於輪轂劈開式旋壓。根據以上分析，我們選擇強力旋壓工藝來成型這種對稱式碟形鋁輪轂。4.3輪轂強旋工藝路線精密鍛造毛坯第一道次強旋第二道次強旋成型轉數控車間機加成輪轂成品。5.工藝方案實施過程5.1工裝設計旋壓芯模材料選用，型面光潔度Ra0.4~Ra0.8um；成型旋輪預成型角°，圓角半徑mm，材料選用，熱處理硬度。5.2旋壓毛坯設計用實體造型軟體（Solidworks,MastCAM等）繪製輪轂旋壓件實體造型，並求其金屬體積。依據體積不變性設計計算模鍛件旋壓毛坯。5.3強旋工藝實施效果第一道次旋壓工藝參數：S=0r/miｎ，進給比Ｆ＝0mm/r，第二道次強旋工藝參數：S=0r/min，F=0mm/r。工藝試驗初期，用R15成型輪進行兩道次強旋成型，試驗過程中產生堆積起皮，拉裂缺陷。隨後，將Rmm輪改為R成型輪，並且增大了旋壓芯模上過渡圓角半徑，起皮、拉裂缺陷得到了消除。我們認為這種堆積、起皮缺陷主要是由於旋壓輪成型圓角半徑偏小且無預成型角，旋壓成形時，金屬受力面積較小，部分金屬無法參與變形，加之工件型面複雜，材料變形時流動不暢；坯料底部Rmm圓弧破裂主要是由於旋壓毛坯和模胎在該處的圓角半徑Rmm太小，導致變形過程中應力集中較為嚴重，並且該處材料變形率最大，達到65%左右，已經超過了6061鋁合金（LD30）的旋壓極限減薄率60%，致使加工硬化現象嚴重。上述試驗分析表明最初的旋壓毛坯，旋壓模胎存在一定的設計問題。旋壓毛坯應在滿足工件金屬體積要求的前提條件下，適當減小旋壓成型部位的金屬厚度（也就是在保證金屬體積不變的前提下增大坯料高度，減小坯料外徑），以此降低旋壓減薄率，減小旋壓加工硬化問題；旋壓模胎型面上過渡圓角半徑普遍偏小，且加工的型面光潔度未達到設計要求的Ra0.8mm。根據前面旋壓工藝試驗的結果和質量分析，我們對後面試驗件的旋壓工藝方案做出了適當調整，變三道次為二道次旋壓，成型旋輪均用Rmm。堆積、起皮缺陷基本上得到了解決，但工件大端內外型面均出現了撕裂現象。我們認為，該現象出現是由於該部位材料在兩道次旋壓過程中均是處於不完全貼模的普旋成型，金屬之所以能夠向前延伸，是由於旋輪帶著坯料表層金屬向前移動，材料內部就產生了拉應力，而不是承受壓應力狀態。針對工件撕裂問題，我們將旋輪預成型角由°改為°，旋壓毛坯外徑由φ427mm改為φ421mm，依此來減小旋壓變形區域材料厚度，降低道次減薄率。還對旋壓輪的運動軌跡作了修正，使材料流動更為通暢，工件破裂問題得到了解決。將輪轂旋壓件進行固溶時效熱處理，保證得到形狀和尺寸較為穩定鋁合金輪轂產品，同時提高輪轂的機械性能。6.結論利用強旋工藝方案在PT30501CNC雙輪卧式強力旋壓機上旋制6061鋁合金輪轂是切實可行的，但是，必須設計製造出合理的旋壓芯模和旋輪，並選取合理的旋壓工藝參數，才能解決輪轂旋壓過程中出現的堆積、起皮和破裂等缺陷。