鑄旋鋁合金車輪旋壓模具的優化設計

徐世文，張立娟，常海平，李華友

（1. 中信戴卡股份有限公司 工程技術研究院，河北 秦皇島 066011；2. 河北環境工程學院 環境工程系，河北 秦皇島 066000）

鑄造+旋壓鋁合金車輪（簡稱“鑄旋車輪”）的內部組織均勻、流線成纖維狀，其性能大大高于低壓鑄造車輪，能夠滿足車輪市場大直徑、高強度、輕量化的發展趨勢，已在轎車中得到應用[1]。

為了節省制造成本、縮短制造流程，目前鑄旋工藝的應用已經取消了預機加工，毛坯與旋壓模具的配合主要采用了鑄造封層定位[2]。為了生產節拍的匹配，一般是多套鑄造模具毛坯匹配一臺旋壓模具。由于鑄造模具的制造精度及車輪生產過程中產生的磨損，會造成鑄造毛坯的定位內徑出現偏差，尺寸變化不完全一致，同時，旋壓模具在生產過程中也會出現磨損，造成同款輪型不同鑄造模具的毛坯與旋壓模具的配合、定位不精確，使得旋壓后的毛坯出現變形和尺寸變化不一致，造成了機加工序的廢品，直接影響了鑄旋產品的成品率。

為了防止旋壓后毛坯變形和尺寸出現變化，就必須保證鑄造毛坯和旋壓模具的有效配合。即對同款不同鑄造模具的毛坯與旋壓模具，在定位、配合、尺寸要求等方面要進行有效控制，而單方面控制鑄造毛坯內徑有一定的困難。

文獻[3—4]主要從旋壓模具的膨脹系數和模具特殊結構方面進行了設計，文獻[5—15]主要研究的內容均為鋁合金車輪或鎂合金車輪的低壓鑄造模具或擠壓模具的設計、制造和材料等方面，并未考慮旋壓模具適應于不同的鑄造毛坯。本項目以某款車輪的旋壓模具為研究對象，對其進行了結構優化設計。

1 模具設計

目前采用的旋壓模具總裝圖見圖1。旋壓模具主要由旋壓上模、下模退料器、下模組成，鑄造毛坯與下模退料器和下模接觸，由上模壓實。短粗的輪輞部位在輥輪的作用下變為細長且組織性能較好的旋壓輪輞。

生產過程中鑄造毛坯與下模的配合位置見圖1，此處的毛坯內徑尺寸c必須控制在一定范圍內才能保證毛坯與下模的有效配合。若該配合位置尺寸不能滿足毛坯與下模的配合要求，會造成旋壓毛坯變形，端面到螺栓孔尺寸a和輪輞寬度尺寸b變化較大，嚴重影響了機加工的成品率。毛坯內徑尺寸c完全由鑄造工序保證，而不同鑄造模具生產的同款毛坯內徑尺寸c不能保證完全一致，所以造成配合位置的尺寸得不到保證。

圖1 舊旋壓模具總裝Fig.1 General assembly of old spinning die

為了使毛坯和下模有更好的配合，對旋壓模具進行了優化設計，改進后的旋壓模具總裝圖紙見圖2，改進后的新模具實物見圖3。

圖2 改進后旋壓模具總裝Fig.2 General assembly of spinning die after improvement

圖3 模具實物Fig.3 Mold material

改進后的旋壓模具將下模退料器分為定位滑塊、導向塊和墊板3部分。定位滑塊的下部和下模上部均設置彈簧安裝孔，兩者通過彈簧連接。定位滑塊主要起定位和配合作用，同時也起到對胚料的頂出作用。墊板上安裝導向塊，定位滑塊在導向塊的導向作用下能夠順利滑動。

實際生產中，機械手將高溫的鑄造毛坯放置于定位滑塊上，鑄造毛坯在上模的壓力下，沿軸向往下運動。定位滑塊在毛坯的作用下沿導向塊做軸向和徑向運動，定位滑塊運動過程中能夠實現鑄造毛坯在旋壓模具上定位，同時定位滑塊運動到合適位置與毛坯內徑進行接觸，毛坯與模具貼合，實現了毛坯在定位滑塊配合位置的內撐漲緊功能，保證了旋壓模具對不同毛坯的自適應。

2 試驗

2.1 外觀檢測

該款鑄旋車輪旋壓后的毛坯見圖4。經過旋壓后的毛坯，在兩個定位動滑塊之間擠入了金屬，說明了滑塊對毛坯的內撐效果較好，毛坯在旋壓過程中沒有發生旋轉，也證明了該設計的旋壓模具能夠對內徑不同的鑄造毛坯進行自適應。

圖4 試驗后旋壓毛坯Fig.4 Spinning blank after test

2.2 性能檢測

對旋壓后車輪成品進行力學性能檢測，并與舊旋壓模具旋后車輪成品性能進行了對比，對比結果見表1。可以看出，經過兩種不同結構的旋壓模具旋壓后，車輪成品的力學性能差別不大，均能滿足車輪的產品標準。

表1 力學性能對比Tab.1 Comparison of mechanical properties

2.3 尺寸檢測

對旋壓后毛坯尺寸進行了測量，輪輞寬度尺寸測量對比見圖5。可以看出，隨著上模壓力的增加，輪輞寬度尺寸逐漸減小。這是由于毛坯在輥輪的作用下，車輪外緣勢必沿軸線方向往下變化。當上模壓力大于4.5 MPa時，其尺寸超差0.5 mm以上，會造成機加工序出現廢品，也會增加設計時的加工余量。

端面到螺栓孔的尺寸隨上模壓力變化的曲線見圖6。可以看出，隨著上模壓力的增加，螺栓孔尺寸逐漸減小，當壓力大于4.5 MPa時，其尺寸減小得越快，同時在4.5 MPa時，尺寸變化0.5 mm以上。

綜上尺寸測量結果可以得出，為了保證旋壓毛坯的尺寸合格，該旋壓模具在生產過程中，上模的壓力不能大于4.5 MPa。

圖5 輪輞寬度尺寸隨壓力的變化情況Fig.5 Change of rim width with pressure

圖6 螺栓孔尺寸隨壓力的變化情況Fig.6 Change of bolt hole size with the pressure

3 結語

對鑄旋車輪旋壓模具的新結構設計能夠滿足對鑄造毛坯的自適應，對取消預加工有重要意義，保證了鑄旋車輪短流程制造工藝的實現。控制上模壓力在4.5 MPa內，旋壓毛坯尺寸、性能均能夠滿足機加工和產品標準，并已經應用到量產中。

對于旋壓模具的設計后續還需要繼續研究和優化，主要包括彈簧與定位滑塊、毛坯與定位滑塊的受力關系、導向塊與定位滑塊的配合角度以及定位滑塊的個數等方面。

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