鋁合金車輪輪轂旋壓成形實驗研究

玄令祥，徐恒秋

（1.長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022；2.長春設備工藝研究所 旋壓技術研究室，吉林 長春 130022）

在倡導節能環保、綠色出行的背景下，汽車的輕量化設計顯得非常重要。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度，正慢慢替代鋼制輪轂。而采用旋壓成形工藝進行輪轂的加工成形，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，使之產生連續的局部塑性變形而成形為所需回轉零件的塑性加工工藝。其綜合了鍛造等加工的特點，具有少無切削、節約材料等優點，將會被越來越多地應用到汽車行業中，尤其是用來進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。只有根據實際需求，確定生產任務后，對毛坯、旋壓工藝參數等因素進行綜合考慮，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。本次實驗材料選用的為7A04鋁合金。7A04鋁合金是超硬鋁當中研究發展相對比較成熟、應用范圍比較廣的合金，廣泛用于飛機蒙皮、起落架等的制作。其化學成分及主要性能參數如表1所示。實驗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 工藝裝備設計

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，會使得旋輪運動軌跡重疊的可能性增加，從而使得旋壓件表面質量提高，但旋壓力也隨之增大，易出現坯料凸緣部分失穩；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的單位接觸壓力增大的比例，綜合的結果就是旋壓力減小，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，過小會產生切削現象，旋壓件表面質量變差，嚴重時會出現裂紋缺陷。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格的標準旋輪。旋輪的選擇在很大程度上要考慮材料的性質、旋壓工藝參數、加工精度等。本次實驗選擇的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表面直接接觸的，芯模表面會承受很大的局部作用力，產生很大的摩擦，這就要求芯模具有良好的強度、硬度、耐磨性等性能，表面要避免劃痕、裂紋等缺陷。實驗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 工藝參數的選擇

旋壓要想順利進行，就要保證選擇合適的工藝參數，主要的工藝參數有主軸轉速、進給量等。

1.3.1 主軸轉速

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

1.3.2 進給量和進給速度

進給量指的是旋輪在芯模每轉一圈的時間內，沿著芯模母線移動的距離。進給量的大小對旋壓過程中旋壓件的成形質量和精度有著很大的影響——當進給量較大時，對于旋壓件的貼膜是有利的；當進給量較小時，則有利于旋壓件表面光潔度的提高。因此，實驗中選擇的進給速度為100 mm/min。

2 鋁合金車輪輪轂的旋壓實驗

2.1 工藝流程安排

先進行程序的測試調整，然后完成芯模及旋輪的安裝、測量、調整。準備工作完成后，開始旋壓實驗。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行預加熱。當預熱溫度達到要求，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，旋輪按照設定的軌跡線，在程序控制下進行旋壓。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 預加熱及加熱

坯料是采用加熱爐進行預熱，預熱溫度為380±30℃。芯模模具是采用乙炔火焰槍進行的預熱，模具預熱到約200℃。通過預熱處理，可以使得坯料整體的加熱比較均勻，有效避免由于芯模或機床對于坯料內表面的吸熱而導致熱量流失。旋壓實驗過程中選擇乙炔火焰槍進行加熱。乙炔火焰槍是一種應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行潤滑。使用乙炔火焰槍對工件加熱來進行溫度補償，同時，采用具有測量準、測溫快等優點的手持式測溫儀進行溫度的實時監控，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致的過燒。

2.3 旋壓實驗成形過程

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。等到坯料和旋輪接觸以后，在摩擦力作用下，旋輪開始做自轉運動；在程序的控制下，按照編寫的軌跡線運動，進行旋壓件的旋壓成形。整個過程中坯料一直保持加熱狀態，直至成形結束。

2.4 旋壓實驗結果分析

完成第一次的旋壓后，發現旋壓件的邊緣還是出現了開裂的現象，如圖5所示。分析認為是在旋壓過程中，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，但是材料內部是處于承受拉應力的狀態，而不是理論上承受壓應力的狀態。

針對首次旋壓出現的開裂問題，對旋壓的旋輪進給率、減薄率等參數進行了適當的調整，以此來減小旋壓變形區的坯料厚度，進而能夠達到避免開裂現象出現的目的。調整之后，又繼續進行了旋壓成形加工，而且最終的旋壓成形件，沒有出現此類的開裂等缺陷。之后，對旋壓成形件進行了機加工等后續處理，得到的旋壓件如圖6中所示。通過測量發現，旋壓件的加工尺寸在允許范圍內，成形效果較好，達到了預期目標，滿足了成形質量要求。

3 結束語

通過對于鋁合金車輪輪轂的旋壓實驗研究，得到以下結論：①在常溫下，鋁合金材料的塑性比較差，在進行旋壓成形時有必要對材料進行加熱，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、橘皮等缺陷的產生，保證成形件質量。③通過對大尺寸鋁合金輪轂旋壓的實驗研究，收集了相關的旋壓成形數據并進行了總結，豐富了對于這一方面輪轂旋壓的經驗，有利于推動鋁合金輪轂旋壓技術的發展，為今后相關的研究工作起到參考和借鑒的作用。

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